Liquidus y solidus
Aunque los materiales químicamente puros tienen un único punto de fusión , las mezclas químicas a menudo se funden parcialmente a la temperatura de solidus ( T S o T sol ) y se funden completamente a la temperatura más alta de liquidus ( T L o T liq ). El solidus siempre es menor o igual que el liquidus, pero no necesitan coincidir. Si existe un espacio entre el solidus y el liquidus se denomina rango de congelación, y dentro de ese espacio, la sustancia consiste en una mezcla de fases sólidas y líquidas (como una suspensión ). Tal es el caso, por ejemplo, del sistema olivino ( forsterita - fayalita ), que es común en el manto de la Tierra . [1]
Definiciones
En química , ciencia de los materiales y física , la temperatura de liquidus especifica la temperatura por encima de la cual un material es completamente líquido, [2] y la temperatura máxima a la cual los cristales pueden coexistir con la masa fundida en equilibrio termodinámico . El solidus es el lugar geométrico de las temperaturas (una curva en un diagrama de fases ) por debajo de las cuales una sustancia dada es completamente sólida (cristalizada). La temperatura de solidus especifica la temperatura por debajo de la cual un material es completamente sólido, [2] y la temperatura mínima a la cual una masa fundida puede coexistir con cristales en equilibrio termodinámico .
Los términos liquidus y solidus se utilizan principalmente para sustancias impuras (mezclas) como vidrios , aleaciones metálicas , cerámicas , rocas y minerales . Las líneas de liquidus y solidus aparecen en los diagramas de fases de soluciones sólidas binarias , [2] así como en sistemas eutécticos alejados del punto invariante. [3]
Cuando la distinción es irrelevante
Para elementos o compuestos puros, por ejemplo, cobre puro, agua pura, etc., el líquido y el sólido están a la misma temperatura y se puede utilizar el término punto de fusión .
También existen algunas mezclas que se funden a una temperatura particular, conocida como fusión congruente . Un ejemplo es la mezcla eutéctica . En un sistema eutéctico, existe una relación de mezcla particular donde las temperaturas de solidus y liquidus coinciden en un punto conocido como punto invariante. En el punto invariante, la mezcla experimenta una reacción eutéctica donde ambos sólidos se funden a la misma temperatura. [3]
Modelado y medición
Existen varios modelos utilizados para predecir curvas de liquidus y solidus para diversos sistemas. [4] [5] [6] [7]
Se pueden realizar mediciones detalladas de solidus y liquidus utilizando técnicas como la calorimetría diferencial de barrido y el análisis térmico diferencial . [8] [9] [10] [11]
Efectos
En el caso de sustancias impuras, como aleaciones , miel , refrescos , helados , etc., el punto de fusión se amplía hasta formar un intervalo de fusión. Si la temperatura se encuentra dentro del intervalo de fusión, es posible que se observen "lodos" en equilibrio, es decir, que el lodo no se solidificará ni se fundirá por completo. Por eso, la nieve nueva de alta pureza en los picos de las montañas se derrite o permanece sólida, mientras que la nieve sucia en el suelo de las ciudades tiende a volverse fangosa a determinadas temperaturas. Los charcos de fusión de soldadura que contienen altos niveles de azufre, ya sea de impurezas fundidas del metal base o del electrodo de soldadura, suelen tener intervalos de fusión muy amplios, lo que aumenta el riesgo de agrietamiento en caliente .
Comportamiento al enfriarse
Por encima de la temperatura de liquidus, el material es homogéneo y líquido en equilibrio. A medida que el sistema se enfría por debajo de la temperatura de liquidus, se formarán cada vez más cristales en la masa fundida si se espera un tiempo suficientemente largo, dependiendo del material. Alternativamente, se pueden obtener vidrios homogéneos mediante un enfriamiento suficientemente rápido, es decir, mediante la inhibición cinética del proceso de cristalización .
La fase cristalina que cristaliza primero al enfriar una sustancia hasta su temperatura de liquidus se denomina fase cristalina primaria o fase primaria . El rango de composición dentro del cual la fase primaria permanece constante se conoce como campo de fase cristalina primaria .
La temperatura del líquido es importante en la industria del vidrio porque la cristalización puede causar graves problemas durante los procesos de fusión y formación del vidrio, y también puede provocar fallas en el producto. [12]
Véase también
Referencias
- ^ Herzberg, Claude T. (1983). "Temperaturas de solidus y liquidus y mineralogías para granate-lherzolita anhidro a 15 GPa". Física de la Tierra y de los interiores planetarios . 32 (2). Elsevier BV: 193–202. Bibcode :1983PEPI...32..193H. doi :10.1016/0031-9201(83)90139-5. ISSN 0031-9201.
- ^ abc Askeland, Donald R.; Fulay, Pradeep P. (23 de abril de 2008). Fundamentos de ciencia e ingeniería de materiales (2.ª ed.). Toronto: Cengage Learning. pág. 305. ISBN 978-0-495-24446-2.
- ^ ab Callister, William D.; Rethwisch, David G. (2008). Fundamentos de la ciencia y la ingeniería de materiales: un enfoque integrado (3.ª ed.). John Wiley & Sons. págs. 356–358. ISBN 978-0-470-12537-3.
- ^ Safariano, Jafar; Kolbeinsen, Leiv; Tangstad, Merete (2 de abril de 2011). "Liquidus de sistemas binarios de silicio". Transacciones Metalúrgicas y de Materiales B . 42 (4). Springer Science y Business Media LLC: 852–874. Código Bib : 2011MMTB...42..852S. doi : 10.1007/s11663-011-9507-4 . ISSN 1073-5615.
- ^ Galvin, COT; Grimes, RW; Burr, PA (2021). "Un método de dinámica molecular para identificar el líquido y el sólido en un diagrama de fase binario". Ciencia de materiales computacionales . 186 . Elsevier BV: 110016. doi :10.1016/j.commatsci.2020.110016. hdl : 10044/1/82641 . ISSN 0927-0256.
- ^ Deffrennes, Guillaume; Terayama, Kei; Abe, Taichi; Ogamino, Etsuko; Tamura, Ryo (2023). "Un marco para predecir liquidus binario mediante la combinación de aprendizaje automático y evaluaciones CALPHAD". Materiales y diseño . 232 . Elsevier BV: 112111. doi : 10.1016/j.matdes.2023.112111 . ISSN 0264-1275.
- ^ Miura, Akira; Hokimoto, Tsukasa; Nagao, Masanori; Yanase, Takashi; Shimada, Toshihiro; Tadanaga, Kiyoharu (31 de agosto de 2017). "Predicción de temperaturas de Liquidus ternario mediante modelado estadístico de sistemas binarios y ternarios Ag-Al-Sn-Zn". ACS Omega . 2 (8). Sociedad Química Estadounidense (ACS): 5271–5282. doi : 10.1021/acsomega.7b00784 . ISSN 2470-1343. PMC 6641866 . PMID 31457798.
- ^ Bernhard, Michael; Presoly, Peter; Bernhard, Christian; Hahn, Susanne; Ilie, Sergiu (29 de junio de 2021). "Una evaluación de ecuaciones analíticas de liquidus para aceros aleados con Fe-C-Si-Mn-Al-P utilizando técnicas DSC/DTA". Metallurgical and Materials Transactions B . 52 (5). Springer Science and Business Media LLC: 2821–2830. Bibcode :2021MMTB...52.2821B. doi : 10.1007/s11663-021-02251-1 . ISSN 1073-5615.
- ^ Radomski, R.; Radomska, M. (1982). "Determinación de las temperaturas de solidus y liquidus mediante un calorímetro de barrido diferencial Perkin-Elmer 1B". Revista de análisis térmico . 24 (1). Springer Science and Business Media LLC: 101–109. doi :10.1007/bf01914805. ISSN 0368-4466. S2CID 96845070.
- ^ Sooby, ES; Nelson, AT; White, JT; McIntyre, PM (2015). "Medidas de las transiciones de superficie de líquido y sólido de los diagramas de fase NaCl–UCl3 y NaCl–UCl3–CeCl3". Revista de materiales nucleares . 466 . Elsevier BV: 280–285. Código Bibliográfico :2015JNuM..466..280S. doi : 10.1016/j.jnucmat.2015.07.050 . ISSN 0022-3115.
- ^ Liu, Gang; Liu, Lin; Zhao, Xinbao; Ge, Bingming; Zhang, Jun; Fu, Hengzhi (31 de marzo de 2011). "Efectos de Re y Ru en las características de solidificación de superaleaciones monocristalinas a base de níquel". Metallurgical and Materials Transactions A . 42 (9). Springer Science and Business Media LLC: 2733–2741. Bibcode :2011MMTA...42.2733L. doi :10.1007/s11661-011-0673-4. ISSN 1073-5623. S2CID 135753939.
- ^ Wallenberger, Frederick T.; Smrček, Antonín (20 de mayo de 2010). "La temperatura del líquido; su papel crítico en la fabricación de vidrio". Revista internacional de ciencia del vidrio aplicada . 1 (2). Wiley: 151–163. doi :10.1111/j.2041-1294.2010.00015.x. ISSN 2041-1286.
