Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Ingeniería Laboratorio de Metalurgia Física
Práctica 1: Diagramas de Equilibrio
Arturo Gutiérrez Pizarro Ricardo Franco Machado
Fecha de realización: 10 de febrero 2012
Introducción A continuación se describirán diversos conceptos necesarios para poder comprender la práctica. Diagramas de fases: son diagramas que muestran las fases que se forman en uno o más materiales a
diferentes temperaturas. Un diagrama de fase isomorfo (mezclas de dos elementos a distintas concentraciones) se puede construir a partir de curvas de enfriamiento, ya que cuando hay una mezcla de dos materiales fundidos y se deja a temperatura ambiente para enfriarla, su relación temperatura-tiempo varía dependiendo de la relación porcentual de cada material. Regla de fases de Gibbs: es una relación directa entre tres variables P (fases que pueden coexistir en
un sistema), C (componentes de un sistema) y F (grados de libertad en un diagrama de fases puras):
Puntos invariantes: como su nombre lo indica, son puntos cuyo valor no varía en diferentes
condiciones. Son 3 principales: 1.-Eutéctico: Es la máxima temperatura a la que puede producirse la mayor cristalización de un soluto. 2.- Eutectoide: Se produce una transformación de la constitución de la aleación. Reglas de Hume-Rottery.
Son 5 condiciones entre dos materiales que si son cumplidas se asegura una amplia región de solubilidad entre ellos. Las condiciones son: Diferencia de radio atómico menor al 15%, Misma estructura cristalina, Electronegatividad similar, Misma valencia Concentración electrónica menor a 1.4. Objetivo de la práctica : Construir el diagrama de fases en equilibrio para Naftalina y β-Naftol.
Material utilizado Soportes universales (3), tubos de ensayo (6), agitador, pinzas, termómetro (3), cronómetro, lámparas de alcohol (3), naftalina y β-naftol en distintas concentraciones.
Desarrollo Experimental 1. Primero se montaron los soportes universales con los tubos de ensayo y se vaciaron las tres primeras concentraciones de mezcla en tres tubos de ensayo. 2. Se prendieron los mecheros y se calentó el tiempo necesario para que las mezclas alcanzaran el punto de fusión. Para ayudar a que las mezclas llegaran a su estado líquido más fácilmente se removió la mezcla con el agitador. 3. Una vez que las tres mezclas se encontraron en estado líquido se apagaron los mecheros y se introdujo un termómetro en cada tubo de ensayo. 4. Se observaron los termómetros para registrar el momento en el que la temperatura empezó a descender. 5. Una vez que la temperatura empezó a descender, se procedió a tomar medidas de temperatura cada 10 segundos para cada mezcla hasta que la mezcla se solidificara totalmente, o hasta que se realizaran 50 mediciones de temperatura. Se anotó el momento en el que se observaron los primeros indicios de solidificación. 6. Una vez tomadas las mediciones para cada una de las tres primeras mezclas, se volvieron a calentar los 3 tubos de ensayo con el fin de derretir las mezclas de nuevo para que la limpieza de los tubos fuera más fácil. También se limpiaron los tres termómetros. 7. Se montaron los tubos de ensayo con las otr as tres concentraciones de mezcla y se repitieron los pasos 2-7.
Resultados En la siguiente tabla se muestran las mediciones obtenidas para cada una de las diferentes concentraciones de mezcla. Se marcaron en rojo las temperaturas a las que se observaron indicios de solidificación. T [s] 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500
100α
80α-20β
60α-40β
40α-60β
20α-80β
100β
125 119 115 111 109 105 103 101 99 95 93 90 88 86 84 84 83 83 81 81 81 81 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 79 79 79 78 77 77
176 170 164 160 156 150 146 143 140 138 133 129 125 123 121 118 115 112 111 108 102 100 99 99 96 95 93 91 90 90 90 90 89 89 89 89 89 89 89 89 89 89 88 87 87
130 128 126 124 121 118 115 113 110 108 105 103 102 100 99 98 97 97 97 96 96 96 96 97 96 97 96 96 96 95 95 95 95 94 94 94 93 93 92 92 91
144 144 144 143 141 139 135 133 129 126 123 120 116 114 113 111 109 108 108 107 107 106 106 106 105 105 104 104 104 103 103 103 102 101 101 100 99 98 98 97 96 95 94 92 91 90 89 87 86 85
200 198 195 191 187 182 177 172 168 164 160 155 151 147 144 141 137 134 131 128 125 122 119 116 105 103 103 102 102 101 101 101 101 101 100 100 100 99 99 99 99 98 98 97 97 96 95
140 139 138 136 133 132 129 126 124 122 121 121 121 120 120 120 120 120 120 119 119 119 119 119 118 117 116 115 115 113 111 110 109 106 104 102 99 96 94 92 90 89
Tabla 1. Resultados
Se realizaron dos regresiones lineales para cada concentración: una para los datos antes del primer indicio de solidificación y otra para los datos a partir de ese punto. En la siguiente tabla se muestran los valores de la pendiente y ordenada al origen calculados para cada una de las dos regresiones en cada concentración de mezcla: 100α
80α-20β
60α-40β
40α-60β
20α-80β
100β
m
-0.245
-0.311
-0.229
-0.252
-0.384
-0.212
b
121.765
170.305
131.950
151.191
203.920
143.533
m
-0.009
-0.016
-0.022
-0.053
-0.033
-0.019
b
82.514
95.045
101.331
118.387
111.549
123.076
Tabla 2. Pendientes y ordenadas al origen
A partir de los datos obtenidos en las regresiones se elaboró la siguiente gráfica que muestra las curvas de enfriamiento para cada concentración dada:
Figura 1. Curvas de enfriamiento
Tomando los puntos en que las pendientes cambian en las curvas de enfriamiento se elaboró el diagrama de fases que se tiene en la Figura 2. Se puede observar claramente que hay una inconsistencia en los puntos graficados en la concentración 20% naftalina – 80% β-naftol:
Figura 2. Diagrama de fases
Si observamos las curvas de enfriamiento obtenida con los datos puntuales (Figura 3, en la siguiente página) de la Tabla 1 podemos observar claramente que la curva correspondiente a la concentración 20% naftalina – 80% β-naftol presenta una anomalía en los datos, hecho que podemos comprobar en la Tabla 1, donde se observa un cambio abrupto en la temperatura entre los segundos 240 y 250.
Figura 3. Curvas de enfriamiento con datos puntuales
Cálculo de la regla de la palanca para la composición 40% naftalina – 60% β-naftol:
Debido a la inconsistencia en las mediciones antes mencionada, se
calcularon 2 veces los
porcentajes sólido y líquido en la composición deseada: una tomando en cuenta el error de medición, y la otra sin tomarlo en cuenta. 1.-Tomando en cuenta el error:
Figura 4. Regla de la palanca con error
1.-Omitiendo el error:
Figura 4. Regla de la palanca sin error
Discusión A partir de las curvas de enfriamiento se hizo un diagrama de fases isomorfo en el cuál se aprecia un evidente error, razón por la cuál se optó por hacer dos cálculos distintos de regla de la palanca.
Conclusiones Al analizar los datos recopilados en curvas de enfriamiento se observó un cambio abrupto en las pendientes, esto significa que a esa temperatura la mezcla está cambiando de fase. Esta pendiente tiende a ser de cero cuando el material es puro. En el diagrama de fases isomorfo, se aprecia una tendencia a un punto de fusión más alto mientras mayor sea la proporción de beta-Naftol contra la Naftalina.
Referencias http://www.xuletas.es/ficha/acero-5/ http://es.wikipedia.org/wiki/Punto_eut%C3%A9ctico Apuntes de la asignatura de metalurgia.