El Equilibrio Líquido-Vapor Binario: comprende los diagramas de fase, su análisis y métodos para predecir la interacción entre dos componentes en un sistema.
Equilibrio Líquido-Vapor Binario
El estudio del equilibrio líquido-vapor en sistemas binarios es fundamental en la ingeniería química y en la física, ya que permite entender y predecir el comportamiento de mezclas de dos componentes cuando se someten a cambios de temperatura y presión. Este conocimiento es esencial para diseñar y optimizar procesos industriales como la destilación, la evaporación y la refrigeración.
Diagramas de Fase
Un diagrama de fase es una representación gráfica que muestra las regiones de existencia de diferentes fases de una mezcla de sustancias bajo distintas condiciones de temperatura y presión. En los sistemas binarios, los diagramas de fase típicamente presentan:
- Curva de burbuja (Bubble Point): Representa la temperatura a la cual una solución líquida comienza a formar burbujas de vapor al calentarse a una presión constante.
- Curva de rocío (Dew Point): Indica la temperatura a la cual el vapor empieza a condensar en forma de líquido al enfriarse a una presión constante.
Los ejes de estos diagramas generalmente corresponden a la fracción molar de uno de los componentes en la mezcla y a la temperatura o presión del sistema. Estos gráficos proporcionan información clave sobre la composición de las fases líquida y vapor en equilibrio.
Análisis del Equilibrio Líquido-Vapor
El análisis del equilibrio líquido-vapor se basa en la Ley de Raoult y la Ley de Dalton:
Ley de Raoult
Para una solución ideal, la Ley de Raoult establece que la presión parcial \( P_i \) de un componente \( i \) en el vapor es proporcional a la fracción molar \( x_i \) del componente en la fase líquida y a la presión de vapor \( P_i^* \) de dicho componente puro:
Pi = xi * Pi*
Ley de Dalton
La Ley de Dalton indica que la presión total del vapor \( P \) es la suma de las presiones parciales de todos los componentes en la mezcla:
P = Σ Pi
Utilizando estas dos leyes, se puede establecer una relación entre la composición de las fases líquida y vapor en equilibrio.
Predicción del Comportamiento de Equilibrio
La predicción del comportamiento de los sistemas binarios en equilibrio líquido-vapor se puede realizar empleando modelos termodinámicos. Los principales modelos incluyen:
- Modelo Ideal: Este modelo asume que la mezcla sigue las leyes de Raoult y Dalton sin desviaciones. Es aplicable a mezclas de compuestos químicos similares y no involucra interacciones complejas entre los componentes.
-
Modelo de Margules: Propone una corrección para las desviaciones observadas en mezclas no ideales y utiliza parámetros ajustables para representar la energía de interacción entre componentes diferentes. La fórmula general es:
gE/RT = x1x2(A + B(x1 – x2))
donde:
- gE es la energía libre de exceso.
- R es la constante de los gases.
- T es la temperatura en Kelvin.
- x1 y x2 son las fracciones molares de los componentes.
- A y B son parámetros específicos de la mezcla.
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Modelo de Van Laar: Utiliza parámetros empíricos para corregir las desviaciones de la idealidad basándose en la interacción de pares de moléculas. La ecuación es:
ln(γ1) = A * (B / (A * x1 + B * x2))2
donde:
- γ1 es el coeficiente de actividad del componente 1.
- A y B son parámetros ajustables.
Estos modelos permiten la estimación de las propiedades de la mezcla y el diseño de procesos más eficientes en la industria.