"Sólido, líquido o gas? Sustancia, temperatura y presión?"

Transiciones de fase

Las sustancias pueden estar en tres estados físicos: sólido, líquido o gaseoso, ver fig.

Estados físicos de la materia y los diferentes procesos que conducen a la materia de un estado a otro.

Para que se produce un cambio de fase, es necesario para proporcionar (o retirar) una cantidad de calor \(Q\) de la sustancia. Durante el cambio de fase, la energía recibida (o cedida) se utiliza para cambiar la organización de las moléculas, y en este momento no hay una variación de la temperatura. Las definiciones más importantes son:

Sustancia pura
Es cualquier materia cuya fusión y ebullición ocurren a temperatura constante, también es llamada simplemente de sustancia.
Calor latente de la transición de fase \((L)\)
Es la cantidad de calor \(L\) necesaria para cambiar la fase por unidad de masa de una sustancia de interés. Es decir, para un sistema de masa \(m\) que se encuentre en la temperatura de cambio de fase y a una presión constante, la energía necesaria para que el sistema cambie de fase será: $$Q = L \times m.$$
Energía interna
Cuando una sustancia pasa del estado sólido para el líquido, del estado líquido para el gaseoso, o del sólido para el gaseoso, la energía interna del cuerpo aumenta, incluso cuando la temperatura no varia. Durante las transformaciones inversas de las transformaciones citadas anteriormente, la energía interna del cuerpo disminuye.

Diagrama de fases

Las diferentes fases y sus coexistencias pueden visualizarse mejor en un diagrama de \(P \times T\) , véase la figura a continuación.

El diagrama de fases ilustra los posibles estados físicos que una sustancia tomará para una dada presión y temperatura (cada sustancia tiene un diagrama diferente). Las curvas indican que pueden existir dos fases en equilibrio. Las tres fases pueden existir en el punto triplo. La curva de vaporización termina en el punto crítico por encima del cual desaparece distinción entre fase líquida y gaseosa.

Punto triplo
Es el único punto en el que todos los estados pueden coexistir en equilibrio de fase, para un valor determinado de temperatura ( \(T_t\) ) y de presión específica.
La temperatura crítica \((T_c)\)
Por encima de la temperatura crítica no se puede licuificar una sustancia por simple compresión isotérmica, por mas alta que sea la presión, es decir, por encima de la temperatura crítica la sustancia es llamada de gas.
Evaporación
Es el fenómeno de la transición de las moléculas del líquido para gas. Para las moléculas que se encuentran en la interfaz líquido-gas es importante tener en cuenta que:
  • La evaporación es un fenómeno que ocurre a cualquier temperatura;
  • Cuanto mayor sea la temperatura mayor será la tasa neta de evaporación;
  • Cuando hay flujo de aire (viento) sobre la superficie aumenta la tasa de evaporación;
  • La velocidad de evaporación de un líquido depende del area de la superficie del líquido.
  • Un vapor en equilibrio con su líquido, a una temperatura, dada ejerce presión máxima de vapor (PMV).
CALOR LATENTE DE TRANSFORMACIÓN
FUSIÓN EBULLICIÓN
Sustancia Punto Calor Punto Calor
\(SI\) K KJ / kg K KJ / kg
Hidrógeno 14.0 58.0 20.3 455
Mercurio 234 11.4 630 296
Agua 273 333 373 2256
Plomo 601 23.2 2017 858
Plata 1235 105 2323 2336
Cobre 1356 207 2868 4730

Leyes de la fusión y solidificación

La fusión y solidificación de una sustancia pura dependen sólo de la presión y la naturaleza de la sustancia. Es decir, si la sustancia es pura y la presión en esta es constante, entonces \(T_{fusão} = a\) y \(T_{solidificação} = b,\) donde \(a\) y \(b\) son constantes.

Durante la fusión, o solidificación, la sustancia presenta una variación de volumen.

Agua

El agua es uno de los elementos fundamentales para la vida tal como la conocemos, y entender sus propiedades es crucial.
Calor latente Valor (cal / g)
Fusión ( \(L_F\) ) 80
Solidificación ( \(L_S\) ) -80
Vaporización ( \(L_V\) ) 540
Condensación ( \(L_C\) ) -540
Curva de calentamiento del agua bajo una presión de 1 atmósfera. Esta figura describe las diferentes fases que el agua pasa al ser calentada, es decir, conforme va recibiendo calor. Inicialmente, a una temperatura suficientemente baja, el agua está en su forma sólida, es decir, en forma de hielo. Conforme este recibe calor, su temperatura se eleva hasta que alcanza los \(0^oC\). Cuando el hielo alcanza \(0^oC\), mismo que continúa recibiendo calor, su temperatura todavía no aumenta, pero se lleva a cabo un cambio de fase. En este momento, el calor recibido servirá para transformar el hielo a líquido y no a aumentar la temperatura (esto se ilustra por la primera meseta en la figura). Una vez que todo el hielo se volvió líquido a \(0^oC\), al recibir más calor, de nuevo la temperatura del sistema crecerá hasta alcanzar \(100^oC\), en donde se produce nuevamente una transición de fase.

La referencia de la escala de Kelvin

La temperatura del punto triple es una referencia ideal para las escalas de temperatura, siendo necesarias condicones muy específicas de presión y temperatura para llegar a este punto, esto proporciona un punto de referencia que se traduce en una escala más precisa. Por lo tanto, la escala Kelvin se define como una escala lineal de la temperatura que comienza en \(0K\) , el cero absoluto, y pasa a través de \(273,16K\) en el punto triple del agua.