Qué cambios de estado requieren una disminución de energía
La Ec2 de la lección Primera ley de la termodinámica para un cambio de estado de una masa de control establece la primera ley de la termodinámica para una masa de control durante un ciclo. Sin embargo, muchas veces la preocupación se centra en un proceso y no en un ciclo. Se introduce una nueva propiedad, la energía, que viene dada por el símbolo E. Consideremos un sistema que experimenta un ciclo en el que pasa del estado 1 al estado 2 mediante el proceso A y vuelve del estado 2 al estado 1 mediante el proceso B. Este ciclo se muestra en el diagrama presión (u otra propiedad intensiva)-volumen (u otra propiedad extensiva):
Como A y C representan procesos arbitrarios entre los estados 1 y 2, la cantidad δQ – δW es la misma para todos los procesos entre los estados 1 y 2. Por lo tanto, δQ – δW sólo depende de los estados inicial y final y no del camino seguido entre los dos estados. Se concluye que se trata de una función puntual, y por tanto es la diferencial de una propiedad de la masa. Esta propiedad es la energía de la masa y se le da el símbolo E. Así se puede escribir:
Describir la energía cinética de las partículas tras el cambio de congelación
La ecuación de estado relaciona la presión p, el volumen V y la temperatura T de un sistema físicamente homogéneo en el estado de equilibrio termodinámico f(p, V, T) = 0. La ecuación denominada ecuación de estado térmica permite expresar la presión en términos de volumen y temperatura p = p(V, T) y definir un trabajo elemental δA = pδV ante un cambio infinitesimal del volumen del sistema δV. A diferencia de las ecuaciones térmicas, la ecuación de estado calórica especifica la dependencia de la energía interna del sistema E del volumen V y la temperatura T (ya sea p y V o p y T).
La ecuación de estado es una característica fundamental de una sustancia que hace posible la aplicación de los principios generales de la termodinámica y la hidrodinámica a objetos físicos concretos.
Las ecuaciones de estado no pueden derivarse únicamente de las relaciones termodinámicas, sino que se basan también en mediciones experimentales o en cálculos teóricos mediante los métodos de la física estadística, utilizando diversos modelos de interacciones entre partículas en un sistema. La Primera Ley de la Termodinámica sugiere que existe una ecuación de estado calórica, mientras que la Segunda, una relación entre las ecuaciones de estado termodinámica y calórica de la forma ∂E/∂VT = T(∂p/∂T)V – p. La relación termodinámica permite determinar las ecuaciones de estado térmica y calórica, si se conoce el potencial termodinámico, especificado en forma de función de variables apropiadas. Así, por ejemplo, para la energía libre de Helmholtz F en función del volumen V y la temperatura T, tenemos
Cambio de energía cinética de gas a líquido
Los cambios de fase representan la transformación de un sistema termodinámico de un estado de la materia a otro mediante la transferencia de calor. Un estado de la materia (o fase) se describe como algo que tiene propiedades físicas uniformes; durante los cambios de fase, ciertas propiedades cambian.
Sabemos que la diferencia entre dos fases cualesquiera es simplemente la diferencia de energía, por lo que basta con conocer esa cantidad de energía para poder calcular el calor implicado. La ecuación utilizada es
Si se pasa de sólido a líquido, se utiliza #DeltaH_(fusión)# (llamado calor de fusión), que representa el calor necesario para que 1 gramo de sustancia pase de sólido a líquido en el punto de fusión.
Si se pasa de líquido a gas, se utiliza #DeltaH_(vaporización)# (llamado calor de vaporización), que representa el calor necesario para que 1 gramo de sustancia pase de líquido a gas en el punto de ebullición.
Ecuación de estado calórica
Hasta ahora hemos aprendido que la adición de energía térmica mediante el calor aumenta la temperatura de una sustancia. Pero, sorprendentemente, ¡hay situaciones en las que añadir energía no cambia en absoluto la temperatura de una sustancia! En su lugar, la energía térmica adicional actúa aflojando los enlaces entre las moléculas o los átomos y provoca un cambio de fase. Como esta energía entra o sale de un sistema durante un cambio de fase sin provocar un cambio de temperatura en el sistema, se conoce como calor latente (latente significa oculto).
Las tres fases de la materia que se encuentran con frecuencia son la sólida, la líquida y la gaseosa (véase la figura 11.8). El sólido es el estado menos energético; los átomos de los sólidos están en estrecho contacto, con fuerzas entre ellos que permiten a las partículas vibrar pero no cambiar de posición con las partículas vecinas. (Estas fuerzas pueden considerarse como resortes que pueden estirarse o comprimirse, pero que no se rompen fácilmente).
El estado más energético de todos es el plasma. Aunque no hayas oído hablar mucho del plasma, en realidad es el estado más común de la materia en el universo: las estrellas están formadas por plasma, al igual que los rayos. El estado de plasma se alcanza al calentar un gas hasta el punto en que las partículas se separan, separando los electrones del resto de la partícula. Esto produce un gas ionizado que es una combinación de electrones libres con carga negativa e iones con carga positiva, conocido como plasma.