Micro estructura
En los materiales cristalinos, los cristales se forman durante la solidificación. Esta solidificación es consecuencia del enfriamiento desde el estado líquido al estado sólido y ello es debido a que por debajo de una determinada temperatura la energía libre de Gibbs (G) correspondiente al estado sólido es menor que la que corresponde al estado líquido.
Por tanto, la transformación del estado líquido al sólido sólo conlleva una disminución de G (condición para que se produzca dicha evolución.
La energía libre de Gibbs formalmente se define como
G H TS
siendo H la entalpía del sistema, que a P = cte puede considerarse como el contenido calorífico del sistema de forma que cuanto más calor absorba el sistema mayor será su entalpía.
La entropía (S) es una medida del desorden del sistema. Para transformar un sólido en líquido es preciso que absorba una cantidad de calor que se conoce como calor latente de fusión. Por tanto, la entalpía del líquido es mayor que la entalpía del sólido.
Por otra parte, los sólidos cristalinos se caracterizan porque sus partículas presentan una ordenación espacial, de acuerdo con las redes cristalinas, mientras que en el líquido este orden no existe.
Por tanto, el líquido es una estructura más desordenada que el sólido y como consecuencia la entropía del líquido será mayor que la del sólido
SL > SS
Si se representa la energía libre de Gibbs del sistema frente a la temperatura, considerando un sistema en el que el metal se encuentra en el estado sólido y otro en el que se encuentra en el estado líquido, al ser la entalpía y la entropía magnitudes positivas, la ecuaciónG = H TS con relación a la variable T es la ecuación de una recta del tipo y = a − bx; donde x es la variable temperatura, a, la variable en el origen que corresponderá con la entalpía y la pendiente corresponderá con la entropía. Es una recta con pendiente negativa que corresponde en valor absoluto a la entropía.
Al representar la energía libre frente a la temperatura se obtendrá una ordenada en el origen que corresponderá a la entalpía y una pendiente que corresponderá al negativo de la entropía.
Si se representa sobre la misma gráfica G = H-T•S para el sólido; al ser la entalpía del líquido mayor que la del sólido, la ordenada en el origen será menor y al ser la entropía del líquido mayor que la del sólido, la pendiente no será tan pronunciada.
En esta representación se observa que se trata de dos rectas de las cuales la de mayor ordenada en el origen tiene una pendiente más negativa que la otra y por lo tanto se cortarán en un punto.
El punto donde se cortan es la temperatura teórica de cambio de estado sólido a líquido. La causa de la transformación de sólido a líquido o de líquido a sólido es la disminución de energía libre de Gibbs.
Cuando en una transformación disminuye la energía libre, esa transformación se producirá, pero cuando aumenta será imposible. Cuando esta energía libre sea la misma el sistema se encuentra en equilibrio y nada afecta a la transformación de manera que se puede dar la transformación de sólido a líquido pero a la misma velocidad que de líquido a sólido.
Cuanto mayor sea la disminución de energía libre de Gibbs correspondiente a la transformación, mayor será la tendencia a producirse esta.
Para que se produzca una transformación de líquido a sólido, la diferencia de energía de Gibbs del sólido con respecto al líquido debe ser negativa, lo que corresponde en la representación a temperaturas menores que TL.
En la figura se observa que esta disminución de energía libre es tanto mayor cuanto menor sea la temperatura.
Fuente: Apuntes de Ciencia de Materiales. Ingeniería Química – Universidad de Huelva
