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Capítulo 11 - Equilíbrio de Sistemas

Tópico 11.1. Introdução

De forma empírica ou científica acumulou-se, durante séculos, um enorme volume de informações concernentes às mudanças de fase nos materiais. Milhares de ligas comerciais e não-comerciais foram investigadas. Necessitou-se então de um método para o registro de tais informações, através do qual os dados pudessem ser rapidamente visualizados e acessados durante a produção e o manuseio diário dos metais e/ou das diversas ligas hoje conhecidas. O método gráfico mais eficaz já desenvolvido para se atingir este objetivo é o uso de diagramas de fases inventado por Josiah Williard Gibbs (1839-1903) (1).
Vários materiais de Engenharia são monofásicos (uma só fase), mas um número elevado das principais ligas metálicas, de aços, cerâmicas e polímeros são formados por duas (binárias) ou várias fases (polifásicos). O diagrama de fases é usado para indicar as faixas de pressão, temperatura e composição nas quais fases e misturas de fases específicas são estáveis.
O líquido e o vapor de uma mesma substância (por exemplo, água e vapor dágua) podem permanecer em equilíbrio entre si ao longo de uma extensa faixa de valores de temperatura e pressão. Um sistema como este - em que as duas fases de uma dada substância (aqui, o líquido e o vapor) são facilmente discerníveis e/ou mecanicamente separáveis - é denominado sistema de duas fases. Esta terminologia pode ser estendida a outros sistemas: líquido-sólido (duas fases), líquido-sólido-vapor (três fases) etc. Um sistema formado por dois líquidos imiscíveis possui duas fases líquidas. Como os gases são sempre completamente miscíveis, apenas uma fase gasosa existe em qualquer sistema gasoso em equilíbrio. Mas uma mistura água-álcool (álcool é hidrofílico) tem apenas uma fase; uma mistura água-óleo (o óleo é hidrofóbico) é bifásica (mesmo que esteja finamente dividido, a estrutura bifásica é facilmente discernível ao microscópio óptico); e, naturalmente, qualquer conjunto de gases se mistura prontamente (não havendo uma interface gás-gás) e é, portanto, monofásico.
Dois elementos ou compostos sólidos podem misturar-se facilmente e, desta maneira, formam uma solução sólida, que é monofásica. Por outro lado, diferenças na estrutura cristalina, valência ou tamanho atômico podem impedir a completa dissolução mútua dos dois componentes, e duas soluções sólidas (isto é, duas fases sólidas) se formarão.
Como a estrutura é bifásica, na escala de tamanho de grão (2) de um sólido, ela será facilmente observável ao microscópio óptico. Algumas vezes, a identificação da existência de duas fases só será possível com microscópios muito mais potentes como o Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV), o Microscópio Eletrônico de Transmissão (MET) ou a Microsocopia de Força Atômica (3). Além disso, qualquer diferença na estrutura cristalina é prontamente revelada nos espectros de difração de Raios X do material (Veja Capítulo 4, Índices Cristalográficos e Difração de Raios X). Por outro lado, os equipamentos de microdureza (escala de micrômetros) e nanodureza (escala de nanometros) poderão avaliar qualquer diferença de dureza das duas fases. Várias outras técnicas poderão - dependendo da complexidade do problema - ser utilizadas para confirmar se o material é mesmo monofásico.

Figura 11.a - Fase é uma região homogênea do espaço.
Notas:
(1) Josiah Williard Gibbs (1839-1903), físico norte-americano, pioneiro na utilização da termodinâmica para interpretar fenômenos físico-químicos. Consta que Gibbs, provavelmente para evidenciar o poder de sua invenção, produziu um diagrama de fases em gesso e o enviou, de presente, para o famoso físico inglês James Clerk Maxwell.
(2) Grão: um monocristal em um agregado policristalino. Os grãos possuem tamanho de micrômetros () até centímetros.
(3) Microscopia de Força Atômica, também conhecida pela sigla AFM (Atomic Force Microscope). Através de uma sonda que percorre a superfície, sem tocá-la, é possível obter imagens digitais com dimensões de nanometros ou décimos de nanometros (0,1 nm=1 angström).