Lacuna di miscibilità: diagrammi di fase
La lacuna di miscibilità è una regione in un diagramma di fase per una miscela di più componenti in cui la miscela esiste in due o più fasi in cui i costituenti non sono completamente miscibili.
Una lacuna di miscibilità allo stato liquido si presenta in un numero considerevole di sistemi diversi come liquidi organici, sistemi metallo-metallo/ossido, miscele di polimeri e vetri. Le due sostanze non sono in grado di mescolarsi tra loro completamente perché, nelle condizioni date, non coesistono se non parzialmente nella stessa fase.
Lo studio di diagrammi di fase binari e l’eventuale presenza di lacune di miscibilità è di particolare importanza, a livello industriale, perché, ad esempio due metalli immiscibili non sono in grado di formare una lega.
La lacuna di miscibilità si verifica quando in un diagramma di fase binario la curva di coesistenza termina in un punto critico. Questo fenomeno può avere aspetti positivi ed è sfruttato per sviluppare materiali ad alte prestazioni attraverso decomposizione spinodale nel corso della quale una singola fase termodinamica si separa spontaneamente in due fasi come (Ti,Zr)C, TiAlN.
D’altra parte, per alcune leghe come le leghe ad alta entropia, si dovrebbe evitare la regione in cui si verifica la lacuna di miscibilità per ottenere microstrutture monofase.
Diagrammi di fase binari
Un diagramma di fase a un componente è un grafico in cui si studia il cambiamento di fase di una sostanza al variare della temperatura e/o della pressione. I diagrammi di fase per sistemi costituiti da due o più componenti descrivono, in condizioni isobare o isoterme di equilibrio termodinamico, il rapporto esistente tra la temperatura e la composizione della miscela o tra la pressione e la composizione della miscela.
Per relazionare lo stato fisico di una miscela con il numero di costituenti del sistema e con le sue condizioni si utilizza la regola delle fasi che, quando la pressione e la temperatura sono le variabili di stato, può essere scritta come:
f = c – p + 2
dove f è il numero di variabili indipendenti chiamate gradi di libertà, c è il numero di componenti e p è il numero di fasi stabili nel sistema.
Un tipico diagramma di fase binario è rappresentato in figura: in condizioni isobare, un diagramma di fase T-x relativo a due componenti A e B e le possibili fasi. Le curve delimitano il campo di esistenza della fase liquida e della fase liquida in equilibrio con quella solida. Una retta delimita il campo di esistenza dello stato solido.
Diagrammi di fase e lacuna di miscibilità
Si può verificare una lacuna di miscibilità in un diagramma a un componente. Il punto Tc al di sopra del quale le fasi α1 e α2 diventano indistinguibili è un punto critico. Le linee a-Tc e b-Tc indicano i limiti di solubilità del componente B in A e A in B rispettivamente.
Nei diagrammi di fase binari in cui vi è una lacuna di miscibilità è presente una temperatura critica inferiore al di sotto della quale sono miscibili in tutte le proporzioni.
Si può anche presentare una temperatura critica superiore: ad alte temperature l’energia termica delle molecole supera la tendenza dei componenti a separarsi e il sistema forma una fase singola omogenea dove, a tutte le composizioni i due liquidi sono completamente miscibili.
Leghe con lacuna di miscibilità
Le leghe con lacuna di miscibilità costituiscono un nuovo tipo di materiale di accumulo di energia termica di seconda generazione. Quando due elementi non si dissolvono o reagiscono per formare un composto, ma invece rimangono come una semplice miscela, e presentano una lacuna di miscibilità.
Tali leghe denominate con l’acronimo MGA (Miscibility Gaps Alloy) che subiscono un cambiamento di fase all’interno dell’intervallo di una certa temperatura sono in grado di ricevere energia generata da fonti rinnovabili e immagazzinarla principalmente sotto forma di calore latente.
Funzionano quindi da batterie e sono in grado di trasformare l’energia immagazzinata per far funzionare le turbine a vapore nelle centrali elettriche. Ciò consentirebbe di passare dai combustibili fossili alle fonti rinnovabili.
