E5 Diagrama de fase cerâmica

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O equilíbrio de fases de um sistema cerâmico multicomponente — por exemplo, um formado por dióxido de silício e óxido de alumínio — é o tema deste modelo, e sua característica mais marcante é que, diferentemente do que ocorre frequentemente em sistemas metálicos, esse tipo de sistema exibe, muitas vezes, uma reação peritética em vez de uma simples reação eutética. O fato de essa reação peritética ser o comportamento mais frequente em um sistema cerâmico multicomponente implica a necessidade de explicar como ela difere de uma simples reação eutética antes de prosseguir.

Em uma simples reação eutética, o líquido se transforma diretamente, ao resfriar, em duas fases sólidas distintas que se formam simultaneamente. Em uma reação peritética, por outro lado, o líquido reage com uma fase sólida já formada, e uma nova fase sólida surge dessa reação entre o líquido e o sólido preexistente. O fato de o sistema cerâmico multicomponente reagir dessa segunda maneira significa que a fase sólida final do sistema depende tanto do líquido remanescente quanto da fase sólida que se formou primeiro.

O fato de o sistema cerâmico exibir essa reação peritética específica — e nenhuma outra — em um ponto específico do diagrama de fases se deve à energia livre de mistura do sistema, modelada como uma solução regular. Essa energia livre de mistura governa a posição exata das linhas de equilíbrio invariantes no diagrama, incluindo a linha peritética já apresentada, por meio de uma relação de Clausius-Clapeyron. Essa relação vincula como uma linha de equilíbrio entre fases se desloca com as mudanças de temperatura devido ao calor e ao volume trocados por essas fases durante a transformação. Como essa energia livre de mistura determina a posição dessas linhas, a localização exata da reação peritética no diagrama não é arbitrária, mas sim derivada diretamente das propriedades termodinâmicas da mistura.

No entanto, essa mesma condição de equilíbrio de fases não depende apenas da energia livre de mistura nominal: a atividade química de cada componente — que se desvia de sua concentração nominal quando a mistura não se comporta como uma solução ideal — é o que modifica a condição exata de equilíbrio de fases. Se a atividade química de um componente difere de sua concentração nominal, a condição de equilíbrio se altera em relação ao que essa concentração nominal, por si só, preveria.

Uma vez estabelecida essa condição de equilíbrio de fases, a regra da alavanca quantifica, para uma dada composição e temperatura, qual fração do sistema cerâmico corresponde a cada uma das fases presentes: a distância entre a composição global do sistema e a composição de cada fase, dentro da região bifásica do diagrama, determina essa fração. Se a composição global do sistema estiver mais próxima da composição de uma das fases, a fração dessa fase será maior; se estiver mais próxima da outra, a fração dessa outra fase será maior. Este modelo reutiliza, para esse cálculo, a mesma regra da alavanca que o modelo equivalente para sistemas metálicos já emprega para o mesmo propósito.

Portanto, este modelo, com o equilíbrio de fases do sistema cerâmico multicomponente com o qual foi desenvolvido, determina tanto a reação peritética que caracteriza esse sistema quanto a fração de cada fase presente nele: a primeira, pela energia livre de mistura e pela atividade química que governam a condição de equilíbrio; A segunda, pela regra da alavanca reutilizada do modelo equivalente para sistemas metálicos.

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