Universidad Nacional de Ingeniería
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Segundo Informe de Laboratorio de Físico- Química
DIAGRAMA DE FASES FASES
OBJETIVO - Conocer como construir un diagrama de fases. - El punto eutéctico a traés de un sistema inariable. - Curas S!lidus- Lí"uidus.
INTRODUCCIN El concep concepto to de sistem sistema a #eter #eterogé ogéneo neo implic implica a el concep concepto to de !ase. Fase es toda porci!n de un sistema con la misma estructura o arre arregl glo o at!m at!mic ico$ o$ con con apro apro%i %ima mada dame ment nte e la mism misma a comp compos osic ici! i!n n & pro propied piedad ades es en todo todo el mater ateria iall "ue "ue la cons consti titu tu&e &e & con con una de'nid ida a con con toda toda otra otra fase fase eci ecina na.. (ued (uede e tene tenerr uno uno ! in"er!ase de'n arios componentes. )ebe difere erenciarse del concepto de co# co#$onen" nen"e% e% "ue se re'ere al tipo de material "ue puede distinguirse de otro por su naturale*a de sustancia "uímica diferente. (or e+emplo$ una soluci!n es un sistema #omogéneo ,una sola fase pero sin embargo est constituida por al menos dos componentes. (or (or otro lado$ una sustancia pura ,un solo componente puede aparecer en dos dos de sus sus esta estado dos s físi físico cos s en dete determ rmin inad adas as cond condic icio ione nes s & así así iden identi ti'c 'car arse se dos dos fase fases s con con dife diferrente ente orga organi ni*a *aci ci!n !n at!m at!mic ica a & propiedades cada una & con una clara super'cie de separaci!n entre ellas ,interfase. Los e"uilibrios entre fases pueden corresponder corresponder a los ms ariados tipos de sistemas #eterogéneos/ un lí"uido en e"uilibrio con su apor$ una soluci!n saturada en e"uilibrio con el soluto en e%ces e%ceso$ o$ dos dos lí"uid lí"uidos os parc parcial ialmen mente te solubl solubles es el uno en el otro$ otro$ dos s!lido s!lidos s totalm totalment ente e solubl solubles es en e"uili e"uilibrio brio con su fase fase fundid fundida$ a$ dos dos s!lidos parcialmente solubles en e"uilibrio con un compuesto formado entre ellos$ etc. El ob+etio es describir completamente el sistema. El comportamiento de estos sistemas en e"uilibrio se estudia por medio de gr'cos "ue se conocen como diagramas de fase/ se obti obtien enen en gra' ra'cand cando o en fun funci! ci!n de ari ariab able les s como como presi! esi!n$ n$ temperatur temperatura a & composici composici!n !n & el sistema sistema en e"uilibrio e"uilibrio "ueda de'nido de'nido para cada punto ,los gr'cos de cambio de estado físico ! de presi!n de apor de una soluci!n de dos lí"uidos son e+emplos de diagramas de fases. La ma&o ma&oría ría de los los diag diagra rama mas s de fase fase #an #an sido sido cons constr trui uido dos s seg0n condiciones de e"uilibrio ,condiciones de enfriamiento lento$ siendo utili*adas por ingenieros & cientí'cos para entender & predecir muc#os aspectos del comportamiento de materiales.
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1 partir de los diagramas de fase se puede obtener informaci!n como/ 2.- Conocer "ue fases estn presentes a diferentes composiciones & temperaturas ba+o condiciones de enfriamiento lento, e"uilibrio. 3.- 1eriguar la solubilidad$ en el estado s!lido & en el e"uilibrio$ de un elemento ,o compuesto en otro 4.- )eterminar la temperatura en la cual una aleaci!n enfriada ba+o condiciones de e"uilibrio comien*a a solidi'car & la temperatura a la cual ocurre la solidi'caci!n. 5.- Conocer la temperatura a la cual comien*an a fundirse diferentes fases. Los e"uilibrios de fase & sus respectios diagramas de fase en sistemas multicomponentes tienen aplicaciones importantes en "uímica$ geología & ciencia de los materiales. La ciencia de materiales estudia la estructura$ propiedades & aplicaciones de los materiales cientí'cos & tecnol!gicos.
FUNDAMENTO TERICO Regla De Fases De GIBBS
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Los llamados 6)iagramas de Fases7 representan esencialmente una e%presi!n gr'ca de la 68egla de Fases7$ la cual permite calcular el n0mero de fases "ue puede coe%istir en e"uilibrio en cual"uier sistema$ & su e%presi!n matemtica est dada por/ (9F:C93 )onde/ (/ ;0mero de fases presentes en el e"uilibrio C/ ;0mero de componentes en el sistema F/ ;0mero de grados de libertad del sistema ,ariables/ presi!n$ temperatura$ composici!n En 2<=> ?. @illaid Gibbs relacion! tres ariables/ fases ,($ componentes,C$ & grados de libertas o arian*a ,F para sistemas multicomponentes en e"uilibrio. El n0mero de grados de libertad se determina por la regla de las fases$ si & solo si el e"uilibrio entre las fases no est inAuenciado por la graedad$ fuer*as eléctricas o magnéticas & solo se afecta por la temperatura$ presi!n & concentraci!n. El n0mero dos en la regla corresponde a las ariables de temperatura B & presi!n (. Componente ,de un sistema/ es el menor n0mero de constitu&entes "uímicos independientemente ariables necesario & su'ciente para e%presar la composici!n de cada fase presente en cual"uier estado de e"uilibrio Fase/ es cual"uier fracci!n$ inclu&endo la totalidad$ de un sistema "ue es físicamente #omogéneo en si mismo & unido por una super'cie "ue es mecnicamente separable de cual"uier otra fracci!n. na fracci!n separable puede no formar un cuerpo continuo$ como por e+emplo un lí"uido dispersado en otro. - n sistema compuesto por una fase es &o#og'neo( -n sistema compuesto por arias fases es &e"erog'neo( (ara los efectos de la regla de las fases$ cada fase se considera #omogénea en los e"uilibrios #eterogéneos. Grado de libertad ,o arian*a/ es el n0mero de ariables intensias "ue pueden ser alteradas independientemente & arbitrariamente sin proocar la desaparici!n o formaci!n de una nuea fase. Dariables intensias son a"uellas independientes de la masa/ presi!n$ temperatura & composici!n. Bambién se de'ne con el n0mero de factores ariables. F: indica inariante
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F:2 uniariante F:3 biariante La regla de las fases se aplica s!lo a estados de e"uilibrios de un sistema & re"uiere/ 2.- E"uilibrio #omogéneo en cada fase 3.- E"uilibrio #eterogéneo entre las fases coe%istentes La regla de las fases no depende de la naturale*a & cantidad de componentes o fases presentes$ sino "ue depende s!lo del n0mero. 1dems no da informaci!n con respecto a la elocidad de reacci!n. El n0mero de componentes ms dos ,C93$ representa el n0mero m%imo de fases "ue pueden coe%istir al e"uilibrio$ donde los grados de libertad ,F no pueden ser inferiores a cero ,a condiciones inariantes. E+emplo/ ,2 componente
(ara el punto de triple coe%istencia , C en diagrama/ 49F :293 F : ,cero grados de libertad Como ninguna de las ariables ,presi!n$ temperatura o composici!n se puede cambiar manteniendo las tres fases de coe%istencia$ el punto triple es un punto inariante. n punto de la cura de congelaci!n s!lido-lí"uido ,/ 39F:293 F:2 ,un grado de libertad
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na ariable ,B o ( se puede cambiar manteniendo a0n un sistema con dos fases "ue coe%isten. Si se especi'ca una presi!n determinada$ s!lo #a& una temperatura en la "ue las fases s!lida & lí"uida coe%isten. n punto dentro de la *ona de fase 0nica ,1/ 29F: 293 F:3 ,dos grados de libertad )os ariables ,B o ( se pueden cambiar independientemente & el sistema permanece con una 0nica fase.
Diagra#a De Fase Bino#ial O De Dos Co#$onen"es 1l e%istir dos componentes en el sistema en consideraci!n la regla de fases "ueda/ F 9 ( :5 Luego$ para representar gr'camente el campo de estabilidad de una regi!n #omogénea ,monofsica se re"uiere tres ariables$ lo "ue #ace necesario el sistema en un diagrama tridimensional. (or lo tanto/ 2 fase / iariante ,F:3 3 fases/ niariante ,F:2 4 fases/ Inariante ,F: (or coneniencia se suele mantener ( o B constantes & se representa gr'camente un sistema de fases bidimensionales$ "ue es un corte transersal de la representaci!n tridimensional.
Regla De )a *alanca Estas cantidades normalmente se e%presan como porcenta+e del peso ,Hpeso$ es una regla matemtica lida para cual"uier diagrama binario.
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En regiones de una sola fase$ la cantidad de la fase simple es 2H. En regiones bifsicas$ se debe calcular la cantidad de cada fase. na técnica es #acer un balance de materiales. (ara calcular las cantidades de lí"uido & s!lido$ se constru&e una palanca sobre la isoterma con su punto de apo&o en la composici!n original de la aleaci!n ,punto dado. El bra*o de la palanca$ opuesto a la composici!n de la fase cu&a cantidad se calcula se diide por la longitud total de la palanca$ para obtener la cantidad de dic#a fase. En general la regla de la palanca se puede escribir de la siguiente forma/ PORCENTAJE DE LA FASE =
Brazo opuesto de la palanca Longitud local de la isoterma
× 100%
Se puede utili*ar la regla de la palanca en cual"uier regi!n bifsica de un diagrama de fases binario. En regiones de una fase no se usa el clculo de la regla de la palanca puesto "ue la respuesta es obia ,e%ist un 2H de dic#a fase presente.
Misci+ilidad en el Es"ado S,lido 1lgunos pares de sustancias son completamente miscibles en fase s!lida$ como por e+emplo los sistemas Cu- ;i$ Sb- i$ (d- ;i$ ;J 4;a;J4 & d-carbo%ima K l-carbo%ima. Cuando e%iste miscibilidad completa tanto en la fase s!lida como en la fase lí"uida$ el diagrama de fase binario "ueda algo como/
Si se enfría un fundido de Cu & ;i$ de composici!n arbitraria$ empie*a a congelar una disoluci!n s!lida "ue es ms rica en ;i "ue la soluci!n lí"uida. Si el sistema bifsico del s!lido & el fundido se siguen enfriando$ la fracci!n molar del ;i disminu&e tanto en la soluci!n s!lida como en el fundido lí"uido. Finalmente$ se forma una disoluci!n s!lida con la misma composici!n "ue tenía el fundido lí"uido de partida. El punto de congelaci!n del Cu aumenta debido a la presencia de cantidades pe"ueas de ;i. Cuando los s!lidos son
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miscibles$ el punto de congelaci!n del componente de menor punto de fusi!n puede aumentar debido a la presencia del segundo componente. Lo mismo ocurre con el incremento del punto de ebullici!n. Cuando el soluto es no oltil$ el punto de ebullici!n del solente aumenta$ pero$ si el soluto es ms oltil "ue el disolente$ el punto de ebullici!n del disolente puede disminuir. El diagrama anterior es para el caso ideal$ pero cuando aparecen desiaciones considerables de la idealidad$ el diagrama de fases puede mostrar un m%imo & un mínimo$ como se obsera en los siguientes diagramas/
En estos casos los puntos de fusi!n de cada componente aumenta debido a la presencia del otro. )i'cultades de este tipo de sistemas/ El sistema debe enfriarse con e%trema lentitud para dar tiempo a "ue el s!lido a+uste su composici!n a un alor uniforme a cada
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temperatura. En el anlisis de estos diagramas suponemos "ue se #a alcan*ado el e"uilibrio descartando la di'cultad e%perimental "ue esto implica. Se conocen sistemas binarios "ue forman soluciones s!lidas en todo el interalo de composici!n & "ue presentan un m%imo o un mínimo en la temperatura de fusi!n. Las "ue forman a*e!tropos. La me*cla de composici!n correspondiente al m%imo o al mínimo de la cura funde de pronto & parece una sustancia pura$ como un a*e!tropo "ue #iere a una temperatura de'nida & destila al cambiar. Las me*clas con un m%imo en la cura de temperatura de fusi!n son relatiamente escasas.
Misci+ilidad *arcial en Es"ado S,lido Cuando 1 & son totalmente miscibles en fase lí"uida & parcialmente miscibles en fase s!lida$ el diagrama B-%1 es algo como/
Si se enfría una disoluci!n lí"uida de Cu & 1g fundidos con % Cu: $3$ al alcan*ar el punto S empie*a a separarse una fase s!lida ,denominada fase $ "ue es una disoluci!n saturada de Cu en 1g. La composici!n inicial de esta fase s!lida iene dada por el punto N$ en el e%tremo de la línea de con+unci!n SN. Si la me*cla bifsica de la disoluci!n lí"uida & la disoluci!n s!lida contin0an enfrindose$ aumenta el porcenta+e de Cu en la disoluci!n s!lida "ue est en e"uilibrio con el fundido. En el punto $ el fundido alcan*a la composici!n eutéctica & aparecen dos fases s!lidas Kla fase ,1g s!lida saturada con Cu & la fase O ,Cu s!lido saturado con 1g-. El e%amen del s!lido en el punto D muestra cristales grandes de la fase ,"ue se forman antes de alcan*ar el
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punto & cristales diminutos de las fases & O ,"ue se forman en el punto . n aspecto complicado lo constitu&e el #ec#o de "ue la difusi!n de las moléculas$ tomos e iones a traés de los s!lidos es bastante lenta$ por lo "ue es necesario "ue pase un tiempo considerable antes de "ue se alcance el e"uilibrio en una fase s!lida. En el punto B$ el s!lido en e"uilibrio con el fundido presenta la composici!n correspondiente al punto P$ mientras "ue el s!lido "ue aparece en primer lugar tiene una composici!n dada por el punto N. (uede ser necesario mantener el sistema en el punto B durante un período prolongado para "ue la fase s!lida sea #omogénea$ con composici!n P en toda su e%tensi!n. La elocidad de difusi!n en los s!lidos depende de la temperatura. 1 temperaturas eleadas$ no mu& por deba+o de los puntos de fusi!n de los s!lidos$ la difusi!n en el estado s!lido normalmente es tan rpido como para "ue el e"uilibrio se alcance en pocos días. 1 temperatura ambiente$ la difusi!n es tan lenta "ue puede ser necesario "ue pasen aos para "ue se logre el e"uilibrio del s!lido. La regi!n bifsica ,9O "ue se obsera en la anterior 'gura constitu&e un interalo de inmiscibilidad. Las *onas de dos fases 9 disoluci!n lí"uida & O 9 disoluci!n lí"uida constitu&en -onas de "ransici,n de !ases( Las *onas de dos fases de la siguiente 'gura ilustran un e+emplo de transici!n de fase/
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1lgunos diagramas de fase s!lido-lí"uido proienen de la intersecci!n de un interalo de inmiscibilidad en fase s!lida con una *ona de transici!n de fases simple s!lido- lí"uido esto origina diagramas como/
La fase es una disoluci!n s!lida de 1 en la estructura cristalina de la fase O es una disoluci!n s!lida de en 1. Si se calienta el s!lido con composici!n F$ empie*a a fundirse en el punto G$ formando una me*cla bifsica de & una disoluci!n lí"uida de composici!n inicial ;. Sin embargo$ cuando se alcan*a el punto R$ el resto de la fase fundeT para formar un lí"uido de composici!n M ms una fase O s!lida de composici!n 8 ,s O,s 9 disoluci!n lí"uida. )urante esta transici!n #a& tres fases presentes/ $ O & el lí"uido$ por lo "ue el n0mero de grados de libertad es 2 ,f: 3-493:2$ pero como ( es constante e igual a 2 atm$ el sistema posee grados de libertad$ & la transici!n desde a O 9 disoluci!n lí"uida tiene "ue ocurrir a una temperatura determinada$ la "e#$era".ra $eri"'c"ica. n calentamiento adicional$ posterior a la transici!n del punto R llea a una regi!n bifsica de O & la disoluci!n lí"uida & finalmente a la regi!n de una sola fase de la disoluci!n lí"uida. na transici!n de fase peritéctica$ como la transici!n del punto R$ es a"uella en la "ue el calentamiento transforma una fase s!lida en una fase lí"uida ms una segunda fase s!lida/ s!lido2 lí"uido 9 s!lido3. (or el contrario$ en una transici!n de fase eutéctica$ el es"uema es/ s!lido29 s!lido3 lí"uido.
*ARTE E/*ERIMENTA) Ma"eriales -n #orno de laboratorio a gas. -n crisol de gra'to$ carburo de silicio o porcelana de >mL de -capacidad. -n term!metro de U-2VC 53VCW.
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-na pin*a para su+etar el crisol$ & cron!metro. -@(b,g & @Sn,g$ & una balan*a. -na bagueta. -n soporte uniersal$ una pin*a para su+etar el term!metro. -na lingotera.
*rocedi#ien"o (reparar una serie de aleaciones de (b & completamente solubles una en otro en completamente insolubles entre en el estado eutectico. Las aleaciones por preparar son sobre aleaci!n/
Sn$ las cuales son el estado li"uido$ solid! & forman un un total de > gr por
01g de Sn 23145 6 71g de *+ 28145 Colocar cada una de estas aleaciones pesadas en el crisol gra'to o porcelana$ luego montar el crisol en el #orno$ introducir el term!metro dentro del crisol$ de tal manera "ue solo la punta metlica del term!metro pueda c#ocar con la aleaci!n fundida$ prender el #orno #asta "ue la aleaci!n este por lo menos 4XC por encima de su punto de fusi!n$ agitando el bao con la bagueta una e* alcan*ada la temperatura adecuada apagar el #orno$ enfriar la aleaci!n dentro del #orno anotando la temperatura a interalos de 2> segundos. 8eali*ar esta misma operaci!n para cada una de las aleaciones. Medir las temperaturas #asta 23XC apro%imadamente. Luego de enfriadas las aleaciones oler a fundirlas & lingotearlas en la lingotera. La agitaci!n del bao se reali*a a 'n de asegurar una me*cla completa e intima de los componentes. La super'cie del metal fundido se cubre con una capa de gra'to o carb!n de madera para eitar su o%idaci!n.
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CUESTIONARIO 1d+untar los datos de los diferentes grupos ,Bemperaturas s. Biempo.
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Cura de Enfriamiento <H(b K 3H Sn
Tie#$o 2Seg5
Te#$era".ra 29C5
Tie#$o 2Seg5
Te#$era".ra 29C5
45Y
54>
2==
2>
455
5>
2=Z
4
44Z
5Z>
2=2
5>
43>
5<
2ZZ
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42>
5Y>
2Z2
=>
4=
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2>Z
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4
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2>3
2>
3Y5
>5
25<
23
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>>>
25>
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253
2>
3ZY
><>
24Y
2Z>
3Z3
Z
24=
2<
3>>
Z2>
243
2Y>
35<
Z4
23Y
32
353
Z5>
23=
33>
34Z
ZZ
23>
35
34
Z=>
234
3>>
335
ZY
23
3=
32<
=>
22<
3<>
324
=3
22Z
4
3=
=4>
225
42>
33
=>
22
44
2Y=
=Z>
2<
45>
2Y3
=<
2Z
4Z
2<=
=Y>
25
4=>
2<4
<2
24
4Y
2=Y
<3>
23
5>
2=<
<5
2
53
2==
<>>
YY
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1d+untar los datos de los diferentes grupos ,Bemperaturas s. Biempo. Cura de Enfriamiento ZH(b K 5H Sn
Tiempo
Temperatura
Tiempo
Temperatura
(Seg)
(°C)
(Seg)
(°C)
0
350
420
180
15
340
435
179
30
330
450
178
45
322
465
178
60
314
480
177
75
305
495
175
90
295
510
167
105
285
525
160
120
271
540
155
135
268
555
150
150
260
570
146
165
252
585
142
180
244
600
139
195
238
615
137
210
230
630
134
225
224
645
130
240
218
660
127
255
212
675
124
270
207
690
121
285
205
705
119
300
202
720
117
315
198
735
112
330
195
750
109
345
191
765
107
360
188
780
105
375
184
795
103
390
182
810
101
405
180
825
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OBSERVACIONES
1l reali*ar el e%perimento #a& "ue tener muc#o cuidado al sobre pasarse la temperatura "ue resiste el term!metro por"ue de lo contrario puede ocurrir un accidente con dic#o instrumento.
En este caso el punto de fusi!n "ue utili*amos fue a una temperatura de 3YXC luego se procedi! a de+ar enfriar la aleaci!n a una temperatura de <XC apro%imadamente.
(ara obtener la aleaci!n en la forma c!nica se procede de manera mu& rpida en la ertida de dic#a aleaci!n sobre el li"uido "ue en este caso se utili*o agua de cao.
RECOMENDACIONES -
)e los resultados obtenidos en las gr'cas de las curas de enfriamiento en algunas aleaciones no se pudo encontrar fcilmente los puntos "ue representa la temperatura en los cuales las diersas composiciones empie*an a congelar$ es decir la línea de li"uidus. Esto se debi! a la mala estabili*aci!n de la temperatura en el proceso de aleaci!n es por eso recomendable lograr una buena estabili*aci!n de la temperatura para "ue así el enfriamiento del sistema nos arro+e buenos resultados.
-
Es recomendable tener la ma&or cantidad de curas de enfriamiento$ para "ue se aseme+e ms al diagrama de fases te!rico.
-
Calentar la lingotera antes de ec#ar la soluci!n$ por"ue de lo contrario c#ispear debido a la #umedad del medio ambiente.
-
Es recomendable pesar la muestra después de efectuada la aleaci!n & la respectia solidi'caci!n pues los metales utili*ados en el e%perimento no son del todo puros & a la #ora de enfriarlos adems de la aleaci!n se obtiene escoria.
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CONC)USIONES
Se obsera una diferencia entre el punto eutéctico e%perimental con el te!rico$ se debe a "ue los metales empleados tienen impure*as$ & por descuido del operador "ue no toma los datos en su debido tiempo.
;!tese "ue sobre un amplio interalo de composiciones$ una porci!n de la cura de enfriamiento "ue muestra el 'nal de la solidi'caci!n se presenta a una temperatura '+a. Esta línea #ori*ontal ms ba+a es B E$ se conoce como temperatura eutectica.
El diagrama de fase obtenido de la aleaci!n binaria (b Sn se muestra como una placa superpuesta sobre el diagrama te!rico. En el diagrama e%perimental obseramos "ue la línea de li"uidus est por deba+o de la te!rica & "ue la línea de solidus no es e%actamente una recta.
Este sistema es la base de las aleaciones ms usadas para la soldadura.
BIB)IOGRAF:A FISICO ;UIMICA Se<"a Edici,n( Gaston (ons Mu**o. FISICO ;UIMICA. G. @. Castelln. 8eista CIENCIA ABIERTA Dolumen 34. 1rtículo 2/ )iagrama de Fases para dos & tres componentes.