¿Qué significa realmente este diagrama del sistema eutéctico?

Respuesta corta:
La forma en que me gusta mirar un diagrama de fase eutéctica es pensar en la solubilidad. Las fases puras, alfa ([matemática] \ alfa [/ matemática]), beta [matemática] \ beta [/ matemática] y líquido (L) representan estados de materia donde A y B son solubles entre sí y Los regímenes L + alfa, L + beta y alfa + beta representan mezclas de las diferentes fases donde se han alcanzado los límites de solubilidad. El nombre del juego aquí es minimizar la energía libre de Gibbs y la combinación de fases que minimiza la energía libre total de Gibbs del sistema es la preferida.

Respuesta larga:
Alfa y Beta específicamente son diferentes disposiciones de átomos en una fase sólida y pueden ser, por ejemplo, cúbicas centradas en la cara, cúbicas centradas en el cuerpo, amorfas o cualquier cantidad de estructuras diferentes. Tanto alfa como beta son sólidos, pero su configuración es tal que A realmente prefiere estar en la fase alfa y B realmente prefiere estar en la fase beta. ¿Qué quiero decir con ‘prefiere’? Hay una energía (específicamente mayor entalpía, pero recuerde que la entalpía contribuye a la energía libre de Gibbs en la penalización [matemática] G = H – TS [/ matemática]) asociada con poner a B en la fase alfa y A en la fase beta. Por ejemplo, esto dice conceptualmente que para A, hay una fuerza de unión más fuerte que lo mantiene en la fase alfa que en la fase beta. Y recuerde, dado que este es un sólido, las posiciones de los átomos son fijas.

En el líquido, la situación de enlace es completamente diferente y los átomos tienen suficiente energía que en lugar de estar atrapados con una configuración específica y un conjunto de vecinos. Su energía térmica supera esos enlaces de corto alcance que mantienen unido el sólido y hacen que los átomos se unan débilmente entre sí en distancias más largas. Es por esta razón que a A y B realmente no les importa quiénes están cerca en el líquido siempre que haya alguien a su alrededor. Más técnicamente, el componente de entropía de su energía libre de Gibbs, la parte [matemática] -TS [/ matemática], se vuelve muy negativa porque la entropía del líquido es más alta que la sólida (más formas de organizar las cosas si no están unidas) a una región específica del espacio) y porque la temperatura es más alta, haciendo que todo el término sea más grande.

Ahora, ¿por qué B alguna vez estaría en la fase alfa o A alguna vez en la fase beta, ya que claramente eso no es lo que preferirían? Existe una compensación entre la penalización de entalpía de mezclar y un bono de entropía por mezclar. La entropía es una medida del número de estados distinguibles para el sistema y hay más formas de organizar una mezcla de A y B que de organizar A y B puros (la única forma de organizar A y B puros es solo eso: una porción de A y un trozo de B). Como [matemáticas] G = H – TS [/ matemáticas], aumentar la entropía reducirá la energía libre de Gibbs con la entropía máxima en una mezcla 50/50 de A y B.

Así que imaginemos una mezcla de A y B en la fase líquida muy por encima de los puntos de fusión de A y B (incluso podemos suponer que A y B se derriten a la misma temperatura dado el diagrama de fase que ha proporcionado). A medida que la mezcla se enfría más allá del punto de fusión, A y B dejan de moverse tanto y desean establecer esas interacciones vecinas fijas a corta distancia, pero hay demasiadas especies en el camino para hacerlo. Hablando termodinámicamente, el bono de entropía de la mezcla aún supera la penalización de entalpía de la mezcla. Cuanto más frío se vuelve el sistema, más quiere cristalizar un sólido. Cuanto más se acerca a la composición 50/50, más beneficioso se vuelve el bono de entropía y más frío puede llegar a ser el líquido antes de necesitar cristalizar.

Digamos que estamos a la izquierda de la composición eutéctica y hemos llegado al borde de la zona alfa L +. Esta es la temperatura de fusión / liberación dependiente de la composición para ese líquido. Sin embargo, en este punto, no todos los B pueden caber en la fase alfa, por lo que algunos de ellos preferirán permanecer en la fase líquida. A medida que el líquido se enfría, la contribución de entropía se vuelve cada vez menos importante (ya que se multiplica por la temperatura) y el mínimo de energía de Gibbs se mueve para que se incorpore más B al sólido. Lo que está sucediendo aquí es que también hay una penalización creciente para B que permanece en el líquido con enlaces débiles cuando hay enlaces más fuertes disponibles en el sólido (este es otro tipo de penalización de entalpía con la que el sistema está lidiando).

A medida que la temperatura disminuye aún más, B debe incorporarse al sólido hasta que B se harta de la estructura preferida de A y se “rebele” para comenzar a formar una fase beta donde B es la mayoría. Este punto es el punto eutéctico y es el punto en el que de repente se vuelve igualmente favorable que B esté en un líquido de composición eutéctica o una mezcla de A y B en las fases beta o alfa. Las tres fases están en equilibrio entre sí, lo que significa que la energía libre de Gibbs es la misma para cada fase. Esta es también la última temperatura a la que el líquido puede existir de manera estable y, por lo tanto, cualquier disminución adicional de la temperatura se cristalizará completamente en alfa y beta en sus respectivas composiciones a la temperatura eutéctica.

En resumen, las regiones de dos fases alfa + L, beta + L y alfa + beta son regiones donde A y B no pueden coexistir en la misma fase porque hay una penalización de entalpía demasiado grande asociada con todo en una sola fase. A no es completamente soluble en B y viceversa. La única razón por la que A y B se mezclan es porque su entropía aumenta al mezclar y esto a su vez reduce su energía libre de Gibbs.

EDITAR –
Y una advertencia adicional:
– Aunque la entropía se maximiza en la composición 50/50, esto no significa que la composición eutéctica estará en 50/50. Este sería el caso si las penalizaciones de entalpía por forzar a A y B a la fase que no les gusta son iguales para A y B en función de la composición y si A y B tienen el mismo punto de fusión.

Alfa y Beta se utilizan para designar diferentes fases. La composición real y la estructura cristalina de alfa y beta serán diferentes para cada sistema que observe, es decir, el beta titanio es diferente del beta hierro. El diagrama de fase aquí es un ejemplo generalizado de un diagrama de fase binario, por lo que en un sentido práctico no tiene ningún significado físico. Lo que está tratando de mostrar son las características básicas de un punto eutéctico. En aleaciones (más de un metal) generalmente la solidificación no ocurre inmediatamente. Esto da como resultado una región de dos fases que seguirá siendo una mezcla de líquido y sólido. Entonces, si tuviera una composición de 75% de A y 25% de B y mantuviera la temperatura por encima de la temperatura eutéctica, estaría en una región de dos fases. En teoría, podría dejar el material a esa temperatura por la eternidad y siempre tendría un poco de sólido y un poco de líquido. Sin embargo, en el punto eutéctico tendría una transformación directa de líquido a sólido creando una mezcla de alfa y beta. Esto es importante para las personas que se ocupan de cosas como fundición y soldadura donde el metal comienza como líquido y se solidifica en un sólido. Debido a algo llamado regla de palanca, la composición del líquido y el sólido cambia a medida que cae a través de la región alfa L + de dos fases, por lo que el último líquido que se solidifica termina en el punto eutéctico. Dado que el punto eutéctico también tiene el punto de fusión más bajo, tener una gran cantidad de eutéctico puede provocar problemas en la línea si el material se trata con calor o se vuelve a soldar.

L + X representa una mezcla de fase líquida y fase X. X es una solución sólida de elementos de aleación. Esta notación se generaliza para cada diagrama de fase, como eutéctico, peritectico, monotectic et. Alabama.
En el diagrama mencionado, suponiendo que el punto P (composición C y temperatura T) cae en la región L más alfa significa que en el punto P, el material está compuesto de líquido de elementos constituyentes (A y B) o aleación y solución sólida de A y B. La composición de la solución líquida y sólida y su relación en L + alfa se pueden calcular utilizando la regla de la palanca.