CALPHAD significa Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry (Acoplamiento computacional de diagramas de fases y termoquímica) , una metodología introducida en 1970 por Larry Kaufman, originalmente conocida como CALculation of PHAse Diagrams (Cálculo de diagramas de fases) . [1] [2] [3] Un diagrama de fases de equilibrio suele ser 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 en diferentes condiciones y fueron inicialmente un método gráfico para racionalizar la información experimental sobre los 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 fases 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 tanto, es posible calcular un diagrama de fases evaluando primero las propiedades termodinámicas de todas las fases de un sistema.
Con el método CALPHAD se recopila toda la información experimental sobre los equilibrios de fases en un sistema y toda la información termodinámica obtenida de estudios termoquímicos y termofísicos. [2] Las propiedades termodinámicas de cada fase se describen luego con un modelo matemático que contiene parámetros ajustables. Los parámetros se evalúan optimizando el ajuste del modelo a toda la información, involucrando también las fases coexistentes. Luego es posible recalcular el diagrama de fases, así como las propiedades termodinámicas de todas las fases. La filosofía del método CALPHAD es obtener una descripción consistente del diagrama de fases y las propiedades termodinámicas para predecir de manera confiable el conjunto de fases estables y sus propiedades termodinámicas en regiones sin información experimental y para estados metaestables durante simulaciones de transformaciones de fase .
Existen dos factores cruciales para el éxito del método CALPHAD. El primer factor es encontrar modelos matemáticos realistas y convenientes para la energía de Gibbs para cada fase. La energía de Gibbs se utiliza porque la mayoría de los datos experimentales se han determinado a temperatura y presión conocidas y cualquier otra cantidad termodinámica se puede calcular a partir de ella. No es posible obtener una descripción exacta del comportamiento de la energía de Gibbs de un sistema multicomponente con 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 una expansión de la serie de potencias en temperatura, presión y constitución de la fase. Los parámetros ajustables de estas descripciones del modelo se refinan para reproducir los datos experimentales. La fortaleza del método CALPHAD es que las descripciones de los subsistemas constituyentes se pueden combinar para describir un sistema multicomponente.
El segundo factor crucial es la disponibilidad de software informático para calcular los equilibrios y de varios tipos de diagramas y bases de datos con la información evaluada almacenada. Como en la actualidad existen muchos tipos diferentes de modelos utilizados para diferentes tipos de fases, hay varias bases de datos termodinámicas disponibles, ya sea gratuitas o comerciales, para diferentes materiales como aceros, superaleaciones, materiales semiconductores , soluciones acuosas , escorias , etc. También hay varios tipos diferentes de software disponibles que utilizan diferentes tipos de algoritmos para calcular el equilibrio. Es una ventaja si el software permite calcular el equilibrio utilizando muchos tipos diferentes de condiciones para el sistema, no solo la temperatura, la presión y la composición general porque 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.
CALPHAD tuvo un comienzo lento en los años 60, pero en los años 80 empezaron a aparecer sistemas sofisticados de bancos de datos termodinámicos y hoy en día existen varios productos comerciales en el mercado, por ejemplo, FactSage, MTDATA, PANDAT, MatCalc, JMatPro y Thermo-Calc, así como códigos de código abierto como OpenCalphad, [8] PyCalphad y ESPEI. Se utilizan en investigación y desarrollo industrial (por ejemplo, el software PrecipiCalc y Materials by Design Technology), donde ahorran grandes cantidades de tiempo y recursos al reducir el trabajo experimental y al hacer que las predicciones termodinámicas estén disponibles para sistemas multicomponentes que serían prácticamente inalcanzables sin este enfoque. Hay una revista con este nombre donde se publican los logros científicos recientes, pero los artículos científicos que describen el uso de los métodos CALPHAD también se publican en muchas otras revistas.
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