En termodinámica e ingeniería química, el equilibrio vapor-líquido (VLE) describe la distribución de una especie química entre la fase de vapor y una fase líquida.

Tal información de equilibrio vapor-líquido es útil en el diseño de columnas para destilación, especialmente destilación fraccionada, que es una especialidad particular del ingeniero químico.

En las mezclas que contienen dos o más componentes, las concentraciones de cada uno se expresan a menudo como fracciones molares.

Puede haber datos VLE para mezclas con aún más componentes, pero tales datos son a menudo difíciles de mostrar gráficamente, a este tipo de mezclas se les conoce como multicomponente.

Los datos VLE son una función de la presión total, como 1 atm o cualquier presión a la que se lleve a cabo el proceso.

Esta temperatura se denomina "punto de ebullición" de la mezcla líquida a la presión dada (se supone que la presión total se mantiene constante ajustando el volumen total del sistema para adaptarse a los cambios de volumen específicos que acompañan a la ebullición).

El campo de la termodinámica describe cuándo es posible el equilibrio vapor-líquido, y sus propiedades.

Si el líquido y el vapor son puros, en el sentido de que están formados por un solo componente molecular y sin impurezas, entonces el estado de equilibrio entre las dos fases se describe mediante las siguientes ecuaciones: donde

[4]​ En otras palabras, la temperatura, la presión y la energía libre de Gibbs molar son las mismas en cada una de las dos fases cuando están en equilibrio.

Bajo este punto de vista, el equilibrio se describe mediante la siguiente ecuación: donde

[5]​ El uso de la fugacidad es a menudo más conveniente para el cálculo, dado que la fugacidad del líquido es, con una buena aproximación, independiente de la presión,[6]​ y a menudo es conveniente usar la cantidad

, el "coeficiente de fugacidad" sin dimensiones, que es 1 para un gas ideal.

son las magnitudes molares parciales también llamadas potencial químico.

La fracción molar del componente 1 en la mezcla puede representarse con el símbolo x1.

La fracción molar del componente 2, representada por x2, está relacionada con x1 en una mezcla binaria como sigue: En mezclas multicomponentes en general con componentes N, esto se convierte en: Las ecuaciones de equilibrio precedentes se aplican típicamente para cada fase (líquida o vapor) individualmente, pero el resultado puede ser graficado en un solo diagrama.

Estas fracciones de vapor y líquido están representadas por dos puntos en la misma línea isotérmica horizontal (constante T ).

Cuando se grafica un rango completo de temperaturas en comparación con las fracciones molares de vapor y líquido, se obtienen dos líneas (generalmente curvas).

La inferior, que representa la fracción molar del líquido en ebullición a distintas temperaturas, se denomina curva punto de burbuja.

La superior, que representa la fracción molar del vapor a diversas temperaturas, se denomina curva del punto de rocío.

Cuando se encuentran, se encuentran tangencialmente; la temperatura del punto de rocío siempre está por encima de la temperatura del punto de ebullición para una composición dada cuando no son iguales.

La tendencia de una determinada especie química a dividirse a sí misma preferentemente entre las fases líquida y vapor es la constante la ley de Henry.

Para tales mezclas multicomponentes, así como para mezclas binarias los datos de equilibrio vapor-líquido se representan en términos de valores de K (ratio de distribución vapor-líquido)[1]​[2]​ definido por donde yi y xi son las fracciones molares del componente i en las fases y y x respectivamente.

La destilación industrial a gran escala rara vez se realiza si la volatilidad relativa es inferior a 1,05, siendo el componente volátil i y el componente menos volátil j.[2]​ Los valores de K se utilizan ampliamente en los cálculos de diseño de columnas destilación continua para destilar mezclas multicomponentes.

Dicho diagrama representaría gráficamente la fracción molar líquida en un eje horizontal y la fracción molar de vapor en un eje vertical.

[2]​ Similarmente para mezclas binarias en estos diagramas VLE: Estos diagramas VLE son cuadrados con una línea diagonal que va desde la esquina (x1 = 0, y1 = 0) hasta la esquina (x1 = 1, y1 = 1) como referencia.

Ejemplos de tales mezclas incluyen mezclas de alcanos, que no sonpolar, relativamente inertes compuestos en muchos sentidos, por lo que hay poca atracción o repulsión entre las moléculas.

Por ejemplo, comúnmente para un componente líquido puro, la relación Clausius-Clapeyron puede usarse para aproximar cómo varía la presión de vapor en función de la temperatura.

Cuando la ley de Raoult es válida, estas expresiones se convierten en: A temperaturas de ebullición, si se aplica la ley de Raoult, la presión total se convierte en: En un determinado Ptot como 1 atm y una determinada composición líquida, T puede resolverse para dar el punto de ebullición o punto de burbuja de la mezcla líquida, aunque la solución para T puede no ser matemáticamente analítica (es decir, puede requerir una solución numérica o una aproximación).

Incluso en tales mezclas, por lo general todavía existen diferencias en las concentraciones de equilibrio de vapor y líquido en la mayoría de los puntos, y la destilación a menudo sigue siendo útil para separar los componentes al menos parcialmente.