Por que os elementos químicos são particionados durante uma transformação de fase?
Passo 1
O enunciado pergunta por que os elementos químicos se repartem (ou particionam) entre fases distintas durante uma transformação de fase. O conteúdo envolve termodinâmica de soluções sólidas e equilíbrio de fases, especificamente o critério de minimização da energia livre de Gibbs e a igualdade dos potenciais químicos.
Passo 2
Para entender o particionamento, precisamos lembrar que cada fase possui uma função energia livre de Gibbs
que varia com a composição do soluto. Num diagrama de energia livre versus fração molar
, cada fase (por exemplo
e
) tem sua própria curva
e
.
Passo 3
Em equilíbrio de fases coexistentes, a condição termodinâmica é que, para cada elemento
, o potencial químico em
seja igual ao de
:
Geometricamente, isso corresponde a traçar a reta comum (common tangent) que tangencia simultaneamente
e
. Os pontos de tangência dão as composições de equilíbrio
e
.
Passo 4
Como as curvaturas de
e
são diferentes, os valores
e
não coincidem. Isso significa que cada fase “prefere” uma concentração distinta do elemento
, resultando em particionamento: parte do elemento vai para a fase
(até
) e parte vai para a fase
(até
).
Passo 5
Em resumo, o particionamento ocorre porque minimizar a energia livre total do sistema obriga as fases coexistentes a adotar composições diferentes, de modo a satisfazer
para cada elemento.
Resposta
Os elementos químicos particionam-se porque, para que duas fases coexistam em equilíbrio, cada uma deve atingir uma composição distinta que minimize a energia livre de Gibbs total do sistema, satisfazendo a igualdade dos potenciais químicos em cada fase.