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CALPHAD

CALPHAD significa Cálculo de Diagramas de Fase , una metodología introducida en 1970 por Larry Kaufman. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Un diagrama de fases de equilibrio es generalmente un d...

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CALPHAD significa Cálculo de Diagramas de Fase , una metodología introducida en 1970 por Larry Kaufman. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Un diagrama de fases de equilibrio es generalmente un diagrama con ejes para la temperatura y la composición de un sistema químico. Muestra las regiones donde las sustancias o soluciones (es decir, las fases) son estables y las regiones donde coexisten dos o más de ellas. Los diagramas de fases son una herramienta muy poderosa para predecir el estado de un sistema bajo diferentes condiciones y fueron inicialmente un método gráfico para racionalizar la información experimental sobre estados de equilibrio. En sistemas complejos, se emplean métodos computacionales como CALPHAD para modelar las propiedades termodinámicas de cada fase y simular el comportamiento de fase multicomponente. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] El enfoque CALPHAD se basa en el hecho de que un diagrama de fases es una manifestación de las propiedades termodinámicas de equilibrio del sistema, que son la suma de las propiedades de las fases individuales. [ 7 ] Por lo tanto, es posible calcular un diagrama de fases evaluando primero las propiedades termodinámicas de todas las fases en un sistema.

Metodología

Con el método CALPHAD se recopila toda la información experimental sobre equilibrios de fase en un sistema y toda la información termodinámica obtenida de estudios termoquímicos y termofísicos. [ 2 ] Las propiedades termodinámicas de cada fase se describen mediante un modelo matemático con parámetros ajustables. Estos parámetros se evalúan optimizando el ajuste del modelo a toda la información, incluyendo las fases coexistentes. De esta manera, es posible recalcular el diagrama de fases y las propiedades termodinámicas de todas las fases. La filosofía del método CALPHAD consiste en obtener una descripción consistente del diagrama de fases y las propiedades termodinámicas para predecir de forma fiable el conjunto de fases estables y sus propiedades termodinámicas en regiones sin información experimental y para estados metaestables durante simulaciones de transformaciones de fase .

Modelado termodinámico de una fase

Existen dos factores cruciales para el éxito del método CALPHAD. El primero es encontrar modelos matemáticos realistas y convenientes para la energía de Gibbs de cada fase. Se utiliza la energía de Gibbs porque la mayoría de los datos experimentales se han determinado a temperatura y presión conocidas, y a partir de ella se pueden calcular otras magnitudes termodinámicas. No es posible obtener una descripción exacta del comportamiento de la energía de Gibbs de un sistema multicomponente mediante expresiones analíticas. Por lo tanto, es necesario identificar las características principales y basar los modelos matemáticos en ellas. La discrepancia entre el modelo y la realidad se representa finalmente mediante un desarrollo en serie de potencias en función de la temperatura, la presión y la composición de la fase. Los parámetros ajustables de estas descripciones del modelo se refinan para reproducir los datos experimentales. La fortaleza del método CALPHAD reside en que las descripciones de los subsistemas constituyentes se pueden combinar para describir un sistema multicomponente.

Cálculos de equilibrio

El segundo factor crucial es la disponibilidad de software para calcular equilibrios y diversos tipos de diagramas y bases de datos con la información evaluada almacenada. Dado que actualmente se utilizan muchos modelos diferentes para distintos tipos de fases, existen varias bases de datos termodinámicas disponibles, tanto gratuitas como comerciales, para diferentes materiales como aceros, superaleaciones, materiales semiconductores , soluciones acuosas , escorias , etc. También existen varios tipos de software que utilizan diferentes algoritmos para calcular el equilibrio. Es ventajoso que el software permita calcular el equilibrio utilizando diversos tipos de condiciones para el sistema, no solo la temperatura, la presión y la composición general, ya que en muchos casos el equilibrio puede determinarse a volumen constante o a un potencial químico dado de un elemento o una composición dada de una fase particular.

Aplicaciones

CALPHAD tuvo un comienzo lento en los años 60, pero en los 80 comenzaron a aparecer sofisticados sistemas de bancos de datos termodinámicos y hoy existen varios productos comerciales en el mercado, como FactSage, MTDATA, PANDAT, MatCalc, JMatPro y Thermo-Calc, así como códigos de código abierto como OpenCalphad, [ 8 ] PyCalphad y ESPEI. Estos se utilizan en investigación y desarrollo industrial (por ejemplo, en el software PrecipiCalc y en la tecnología Materials by Design ), donde ahorran grandes cantidades de tiempo y recursos al reducir el trabajo experimental y al proporcionar predicciones termodinámicas para sistemas multicomponentes que serían prácticamente inalcanzables sin este enfoque. Existe una revista con este nombre donde se publican los logros científicos recientes, pero también se publican artículos científicos que describen el uso de los métodos CALPHAD en muchas otras revistas.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Kaufman L.; Bernstein H. (1970). Computer Calculation of Phase Diagrams . Academic Press NY. ISBN 0-12-402050-X.
  2. 1 2 Fabrichnaya Olga B.; Saxena Surendra K.; Richet Pascal; Westrum Edgar F. Jr. (2004). Datos termodinámicos, modelos y diagramas de fases en sistemas de óxidos multicomponentes: una evaluación para científicos de materiales y planetarios basada en datos calorimétricos, volumétricos y de equilibrio de fases . Berlín, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. ISBN 978-3-662-10504-7OCLC 851391370 .​ 
  3. ↑ Kattner Ursula R. (2016). " El método CALPHAD y su papel en el desarrollo de materiales y procesos" . Tecnol. Metal. Mater. Miner . 13 (1): 3– 15. doi : 10.4322/2176-1523.1059 . PMC 4912057. PMID 27330879 .  
  4. ↑ Lukas HL; Fries Suzana G.; Sundman Bo (2007). Termodinámica computacional: el método CALPHAD . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-86811-2OCLC 663969016​​ 
  5. ^ Saunders N.; Miodownik P. (1998). Cahn RW (ed.). Calfad . Serie de materiales de Pérgamo, volumen 1. ISBN 0-08-042129-6.
  6. ↑ Y. Austin Chang (2004). "Cálculo de diagramas de fase: pasado, presente y futuro". Progress in Materials Science . 49 (3): 313– 345. doi : 10.1016/S0079-6425(03)00025-2 .
  7. ↑ Zi-Kui Liu; Wang Yi (2016). Termodinámica computacional de materiales . Cambridge. ISBN 978-0-521-19896-7OCLC 960196125​​ {{cite book}}: CS1 mantenimiento: falta el editor de ubicación ( enlace )
  8. ↑ Sundman Bo (2021). "Algoritmos útiles para calcular equilibrios multicomponentes, diagramas de fases y otros tipos de diagramas". Calphad . 75 102330. doi : 10.1016/j.calphad.2021.102330 .
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