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Análisis de cambio de fase con DSC


Fases de la caracterización de materiales

Los materiales se pueden categorizar y describir de diferentes maneras. Esto se puede hacer, por ejemplo, basándose en su apariencia externa, ciertos parámetros físicos o incluso impresiones más subjetivas, como el olor o el sabor.

Densidad, Dureza, Capacidad Calorífica o Conductividad

Para capturar la composición química lo más precisamente posible, generalmente se describen las propiedades de los materiales que están claramente definidas y medibles. Constantes de materiales como la densidad, la dureza, la capacidad calorífica o la conductividad se utilizan a menudo para este propósito. Estos valores son constantes para la mayoría de los materiales siempre y cuando la fase a la que hacen referencia sea estable.

Estado de la Materia

Una fase suele ser una composición homogénea en el material. El término fase puede referirse al estado de la materia (sólido, líquido o gaseoso), pero también a la estructura de la red cristalina dentro de una zona específica en el sólido o a las modificaciones químicas. Es importante destacar que una sustancia puede existir en diferentes fases al mismo tiempo.

Determinación de las Transiciones de Fase

Para saber en qué fase se encuentra actualmente un material y, por lo tanto, cuáles parámetros se aplican, es especialmente importante conocer y determinar las transiciones de fase de un material. Estas suelen ocurrir cuando se alcanza una cierta temperatura o nivel de energía o bajo la influencia de la presión o reacciones químicas.

aggregate states

¿Qué transiciones de fase existen?

Dado que existen diferentes definiciones de fases (estado de la materia, estructura cristalina, modificación, etc.), también existen diferentes transiciones de fase. En el caso más simple, una transición de fase describe el cambio puro de un estado de la materia, por ejemplo, de sólido a líquido.

Las transiciones de fase generalmente se clasifican de acuerdo con la llamada clasificación de Ehrenfest de Paul Ehrenfest.

En este contexto, las cantidades termodinámicas como el volumen, la entalpía o la entropía suelen considerarse como una función de la temperatura.

Luego, las transiciones de fase se dividen en lo que se llaman órdenes, donde el n-ésimo orden de la función de la cantidad considerada en función de la temperatura muestra una discontinuidad en la n-ésima derivada. La función en sí y la derivada n-1 son continuas. En la práctica, solo se distinguen las transiciones de fase del 1er y 2do orden.

Ejemplos de transiciones de fase de primer orden incluyen:

  • Transformaciones entre estados sólido, líquido y gaseoso de la materia, en particular
    • Fusión (transición de sólido a líquido)
    • Ebullición (transición de líquido a gaseoso)
    • Sublimación (transición de sólido a gaseoso)
    • Solidificación o congelación (transición de líquido a sólido)
    • Condensación (transición de gaseoso a líquido)
    • Re-sublimación (transición de gaseoso a sólido)

Ejemplos de transiciones de fase de segundo orden incluyen:

  • Cambio entre comportamiento ferro- y paramagnético a la temperatura crítica o de Curie
  • Cambio entre diferentes órdenes magnéticos, por ejemplo, de estructura magnética conmensurable a inconmensurable
  • Cambio entre comportamiento ferro- y dieléctrico
  • Transición a la superconductividad

Typically, in a 1st order phase transition, there is a jump in the order parameter (e.g., density, entropy, free enthalpy). In 2nd order phase transitions, on the other hand, the transition in the order parameter is continuous. Only in the second derivative is there a sudden change, e.g., in heat capacity.

¿Cómo puedo medir las transiciones de fase?

Las transiciones de fase generalmente se miden en análisis térmicos utilizando un Calorímetro Diferencial Dinámico DDK (DSC en inglés, Differential Scanning Calorimeter).

Si una sustancia muestra una transición de fase durante la medición utilizando DSC en el rango de temperatura medido, por ejemplo, debido a un cambio en el estado de la materia o la estructura cristalina, esto puede ser rastreado con precisión utilizando el DSC. La mayoría de las transiciones de fase van acompañadas de absorción de energía (endotérmicas) o liberación de energía (exotérmicas), lo que puede detectarse como un cambio en el flujo de calor.

El DSC mide estos cambios de temperatura a través de uno o más termopares que están en contacto con el porta-muestras, comparando así la temperatura exacta de la muestra con la temperatura ambiente y una muestra de referencia. El flujo de calor exacto de la muestra en un momento dado se puede leer a partir de la diferencia entre la referencia y la muestra. En el caso de una diferencia en el flujo de calor entre la muestra y la referencia, el signo de la diferencia indica si está teniendo lugar un proceso endotérmico o exotérmico.

La posición del efecto que ocurre cuando se representa en función de la temperatura también indica con precisión cuándo ocurre. Cuanto más precisamente se mide la temperatura exacta de la muestra, mejor es la resolución y sensibilidad del DSC.

Para las transiciones de fase, especialmente para las transiciones de fase de segundo orden, la velocidad de calentamiento es muy crucial para detectar la transición de manera efectiva. Si la velocidad de calentamiento es demasiado lenta, los efectos a menudo son apenas detectables, ya que la diferencia de energía entre la muestra y la referencia se compensa con el horno o calentador. Si se calienta demasiado rápido, el efecto se vuelve más visible pero también se desplaza a temperaturas más altas.