Informe de Propiedades Termicas Dela Materia

8/10/2019 Informe de Propiedades Termicas Dela Materia

1/14

PROPIEDADES TRMICAS DE LA MATERIA

Ecuaciones de Estado

Las condiciones en que existe un material dado se describen con cantidades

fsicas como presin, volumen, temperatura y cantidad de sustancia. Por

ejemplo, un tanque de oxgeno para soldar tiene un manmetro y una

etiqueta que indica su volumen. Podramos agregar un termmetro y pesar el

tanque para determinar su masa. Estas variables describen el estado del

material y se llaman variables de estado.

El volumen V de una sustancia suele estar determinado por su presin p,

temperatura T y cantidad de sustancia, descrita por la masa o sino por el

nmero de moles n.

Normalmente, no es posible cambiar una de estas variables sin alterar otra.

Si el tanque de oxgeno se calienta, la presin aumenta; si se calienta

demasiado, hace explosin. Esto sucede ocasionalmente con las calderas de

vapor sobrecalentadas.

En unos cuantos casos, la relacin entre p, V, T y m (o n) es tan sencilla que

podemos expresarla mediante una ecuacin de estado; si es demasiado

complicada, podemos usar grficas o tablas numricas. Aun as, la relacin

entre las variables sigue existiendo; la llamaremos ecuacin de estado

aunque no conozcamos la ecuacin real.

Ecuacin del gas ideal

Ley de Boyle Mariotte

Afirma que, a temperatura y cantidad de gas constante, la presin de un gas

es inversamente proporcional a su volumen.1. 1 =2. 2


2/14

Ley de Charles

Relaciona el volumen y la temperatura de una cierta cantidad de gas ideal,

mantenido a una presin constante, mediante una constante deproporcionalidad directa.

Ley de Gay Lussac

Al aumentar la temperatura, el volumen del gas aumenta si la presin se

mantiene constante.

Principio de Avogadro

A temperatura y presin constantes, el nmero de moles del gas es

directamente proporcional al volumen.

A partir de estas ecuaciones, deduciremos

PV = RTn

P= presin

V=volumen

R= Constante de los gases

T= temperatura

n= nmero de moles

1/ 1 =2/ 2

1/ 1 =2/ 2

1/ 1 =2/ 2

. =

.R.T

.


3/14

Ecuacin de Van der Waals

La ecuacin fue desarrollada en el siglo XIX por el fsico holands J. D. Van

der Waals; la interaccin atmica se llam interaccin de Van der Waals ensu honor.

La ecuacin de Van der Waals es:

P= presin

V=volumen

R= Constante de los gases

T= temperatura

n= nmero de moles

a = atraccin entre partculas

b= volumen de un mol de partculas

Las constantes a y b son constantes empricas, diferentes para cada gas; b

representa aproximadamente el volumen de un mol de molculas, as que el

volumen total de las molculas es nb y el volumen neto disponible para que

se muevan es V 2 nb. La constante a depende de las fuerzas de atraccin

intermoleculares, las cuales reducen la presin del gas para valores dados

de n, V y T juntando las molculas al tiempo que stas empujan las paredes

del recipiente. La reduccin de presin es proporcional al nmero de

molculas por unidad de volumen en una capa cerca de la pared (las

molculas que ejercen la presin sobre la pared) y tambin es proporcional

al nmero por unidad de volumen en la siguiente capa ms all de la pared

(que son las que atraen). As, la reduccin de presin debida a fuerzas

intermoleculares es proporcional a n2>V2.

Si n>V es un valor pequeo (es decir, cuando el gas est diluido), la distancia

media entre molculas es grande, las correcciones de la ecuacin de Van der

( +.

). ( . ) =.R.T


4/14

Waals se vuelven insignificantes y la ecuacin se reduce a la ecuacin del

gas ideal.

2. Propiedades moleculares de la materia

Hemos estudiado varias propiedades dela materia en volumen comoelasticidad, densidad, tension superficial, capacidad calorfica, etc.

Ahora haremos con mayor detalle la relacion del comportamiento delvolumeny la estructura microscopica. Empezaremos con el analisis de la estructuramolecular de la materia

Materia:

La materia es aquello de lo que estn hechos los objetos que constituyen elUniverso observable y el no observable. Si bien durante un tiempo seconsideraba que la materia tena dos propiedades que juntas lacaracterizan: que ocupa un lugar en el espacio y que tiene masa, en elcontexto de la fsica moderna se entiende por materia cualquier campo,entidad o discontinuidad que se propaga a travs del espacio-tiempo a unavelocidad inferior a la de la velocidad de la luz y a la que se pueda asociar

energa.

As todas las formas de materia tienen asociadas una cierta energa peroslo algunas formas de materia tienen masa.

Las presentan los sistemas materiales sin distincin y por tal motivo no

permiten diferenciar una sustancia de otra. Algunas de las propiedadesgenerales se les da el nombre de extensivas, pues su valor depende de lacantidad de materia, tal es el caso de la masa, el peso, volumen. Otras, las


5/14

que no dependen de la cantidad de materia sino de la sustancia de que setrate, se llaman intensivas, y es su paradigma la densidad.

La fsica estadstica o mecnica estadstica es una rama de la fsica quemediante la Teora de la probabilidad es capaz de deducir elcomportamiento de los sistemas fsicos macroscpicos a partir de ciertashiptesis sobre los elementos o partculas que los conforman.

Los sistemas macroscpicos son aquellos que tienen un nmero de partculasparecido al nmero de Avogadro, cuyo valor, de aproximadamente 10^{23},es increblemente grande, por lo que el tamao de dichos sistemas suele serfcilmente concebible por el ser humano, aunque el tamao de cada partculaconstituyente sea de escala tomica. Un ejemplo de un sistemamacroscpico seria, por ejemplo, un vaso de agua.

La importancia del uso de las tcnicas estadsticas para estudiar estossistemas radica en que, al tratarse de sistemas tan grandes es imposible,incluso para las ms avanzadas computadoras, llevar un registro del estadofsico de cada partcula y predecir el comportamiento del sistema mediantelas leyes de la mecnica, adems del hecho de que resulta impracticable elconocer tanta informacin de un sistema real.

Moleculas y Fuerzas IntermolecularesToda materia se compone de moleculas.Todas las moleculasde un compuestoquimico especfico que las hace identicas. En los gases las moleculas semueven de forma casi independiente, en los lquidos y los solidos semantienen unidos por fuerzas intermoleculares de naturaleza electrica quesurgen de las interacciones con las particulas concarga electrica queconstituyen con las moleculas.

La interaccion de dos cargas electricas puntuales se describe con unafuerza cuya magnitud es proporcional al inverso de la distancia al cuadradoentre los puntos.

Si las moleculas estan alejadas, las fuerzas intermoleculares son muypequeasy generalmente de atraccion. Al comprimirse un gas juntarse lasfuerzas de atraccion aumentan.

Sin embargo existen otras fuerzas intermoleculares que actan sobredistintas molculas o iones y que hacen que stos se atraigan o se repelan.Estas fuerzas son las que determinan las propiedades fsicas de lassustancias como, por ejemplo, el estado de agregacin, el punto de fusin y


6/14

de ebullicin, la solubilidad, la tensin superficial, la densidad, etc.

Caracteres fsicos de los gases. -Los gases o fluidos aeriformes soncuerpos de molculas perfectamente movibles que se encuentran en unestado continuo de repulsin que se designa con el nombre deexpansibilidad, de tensin o de fuerza elstica, a causa de cuyasdenominaciones toman frecuentemente el nombre de fluidos elsticos.

Se dividen los fluidos elsticos en dos clases, que son: los gasespermanentes, o gases propiamente dichos, y los gases no permanentes o

vapores. Los primeros son los que hasta hoy persisten en el estadoaeriforme, sea cual fuere la presin y el descenso de temperatura a que seles someta, como el oxgeno, el hidrgeno, el nitrgeno, el bixido denitrgeno y el xido de carbono. Los gases no permanentes, por el contrario,pasan con ms o menos facilidad al estado lquido, por medio de un excesode presin o del enfriamiento. Con todo, no es rigurosa esta distincin,porque muchos gases, tenidos por permanentes, han dejado de serlo enmanos de Faraday y de otros fsicos, debindose admitir que los que no se

han liquidado hasta ahora ha sido por falta de intensidad en la presin o desuficiente descenso en la temperatura. Por esto se llaman, en general, gaseslos cuerpos que slo se presentan aeriformes a la temperatura y presinordinarias, mientras que se designa por vapor el estado aeriforme quetoman, por efecto del calrico, varios cuerpos que, como el agua, el alcohol yel ter, son lquidos a las presiones y temperaturas ordinarias

Transvasacin de los gases. -Los gases pueden pasarse de una vasija

a otra lo mismo que los lquidos. Este experimento alcanza un xitocompleto con el cido carbnico, que es mucho ms denso que el aire.Se principia por llenar una campana de aquel gas, recogindole en una


7/14

cuba de agua, y luego, tomando otra campana de igual capacidad llenade aire, se coloca invertida la primera encima (fig. 90), tenindolasas inmviles durante un rato. El cido carbnico, en virtud de sumayor densidad, pasa lentamente de la campana m a la n, de la cualexpulsa al aire, de manera que muy pronto se halla la n con cido

carbnico, y la m con aire; se comprueba esta transvasacin,valindonos de la propiedad que posee el cido carbnico de apagarlos cuerpos en combustin. En efecto, antes del experimento, ardeuna vela encendida en la campana n, apagndose en la otra, mientrasque despus del experimento sucede lo contrario.

Moles y numero de avogadroHemos usado el mol como la canttidad de sustancia. Un mol de cualquierelemento o compuesto quimico puro contiene un numero definido demoleculas igual para todos los elementos y compuestos.

Ley de Avogadro

Avogadro observ que si se colocaban masas de gases iguales a su peso

molecular, a la misma temperatura y presin, todos ocupaban el mismovolumen.

En condiciones estndar de presin y temperatura (P = 1 atm y T = 273K), el volumen ocupado es de 22.4 l.

Desde Avogadro hasta nuestros das, la palabra partcula se emplea paradesignar tanto tomos como molculas.


8/14

CAPACIDADES CALORIFICAS

La capacidad calorfica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de

energa calorfica transferida a un cuerpo o sistema en un procesocualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. En una formamenos formal es la energa necesaria para aumentar una unidad detemperatura (SI: 1 K) de una determinada sustancia, (usando el SI).

Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo paraexperimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor.

Puede interpretarse como una medida de inercia trmica.Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de lasustancia, sino tambin de la cantidad de materia del cuerpo o sistema; porello, es caracterstica de un cuerpo o sistema particular.

Por ejemplo, la capacidad calorfica del agua de una piscina olmpica sermayor que la de un vaso de agua. En general, la capacidad calorfica dependeadems de la temperatura y de la presin.

CAPACIDAD CALORFICA DE GASES

Para los gases reales, la capacidad calorfica a presin constante esfuncin de la presin y de la temperatura. Sin embargo, en muchoscasos es posible despreciar la dependencia de la presin, quedando enfuncin de la temperatura nicamente. Cuando esto no es posible, haymtodos termodinmicos de clculo para encontrar esta dependenciapartiendo de unos datos de referencia.

Se comenzar por examinar algunas generalidades para los gasesideales y se hablar posteriormente de los gases reales.

GASES IDEALES

Un gas ideal es aquel que cumple la ecuacin de estado que relacionala presin, P; el volumen, V; la temperatura, T y el nmero de moles, n:


9/14


10/14

Para los gases poliatmicos como el C02, NH3, Cl2, Br2, etc., lascapacidades calorficas tambin varan con la temperatura y demanera diferente para cada gas. Puede darse una relacin aproximadade esta variacin en funcin del nmero de tomos en la molcula y deque sta sea o no lineal.

Para encontrar una ecuacin terica que describa la variacin de lacapacidad calorfica de los gases con la temperatura, habra quetener en cuenta los movimientos de traslacin, rotacin, vibracin ylos cambios electrnicos de los tomos o molculas, de tal manera quecp podra expresarse siempre en la forma:

cp= Trmino constante + funcin de la temperatura

reunindose en el trmino constante los movimientos de traslacin yrotacin y en el trmino variable con la temperatura las vibraciones ylos cambios electrnicos. As, para un gas monoatmico:

y para uno diatmico:

ecuaciones en las cuales el trmino variable con la temperatura escomplicado y de difcil manejo. As, por ejemplo, para el monxido decarbono, hasta 2000 K, la ecuacin es:

con la temperatura en K.

Debido a su complejidad, en la prctica se utilizan ecuacionessemiemipricas.


11/14

GASES REALES

El hecho de que las capacidades calorficas, a presin y a volumenconstante, sea solo funcin de la temperatura no es aplicablecompletamente a los gases reales. Sin embargo, como todos los gasesreales a bajas presiones y temperatura ambiente o superior a ellacumplen la ecuacin de estado del gas ideal, es til presentar losdatos de capacidades calorficas en ese estado y realizar lascorrecciones necesarias para no idealidad mediante los mtodostermodinmicos apropiados.

CAPACIDADES CALORFICAS DE SLIDOS

De nuevo, la capacidad calorfica de slidos depende

fundamentalmente de la temperatura. El caso general es que cpaumente con ella (el Fe alfa por ejemplo disminuye). Tiende a un valorde cero cuando la temperatura tiende a cero absolutos.

Puede calcularse a partir de grficas, ecuaciones y, como unaaproximacin, mediante la Regla de Kopp.

FASES DE LA MATERIA

Un gas ideal es el sistema ms simple que podemos analizar desde una

perspectiva molecular porque despreciamos las interacciones entre las

molculas. Sin embargo, son precisamente esas interacciones las que hacen

que la materia se condense en las fases lquida y slida en ciertas

condiciones. Por ello, no es sorprendente que el anlisis terico de la

estructura y el comportamiento de lquidos y slidos sea mucho ms

complicado que en el caso de los gases.


12/14

Diagrama de fases

Hablamos mucho de gases ideales en las ltimas secciones. Un gas ideal es el

sistema ms simple que podemos analizar desde una perspectiva molecular

porque despreciamos las interacciones entre las molculas. Sin embargo,son precisamente esas interacciones las que hacen que la materia se

condense en las fases lquida y slida en ciertas condiciones. Por ello, no es

sorprendente que el anlisis terico de la estructura y el comportamiento

de lquidos y slidos sea mucho ms complicado que en el caso de los gases.

No trataremos de llevar muy lejos una perspectiva microscpica, pero

podemos hablar en general de fases de la materia, equilibrio de fases y

transiciones de fase.

Diagrama de fases

La transicin de una fase a otra normalmente se da en condiciones de

equilibrio de fases entre las dos fases y, para una presin dada.


13/14

Diagrama de fases

Cada punto del diagrama representa un par de valores de p y T. En cada

punto, slo puede existir una fase, excepto sobre las lneas, donde pueden

Coexistir dos fases en equilibrio de fases.

Punto triple.

Es la nica condicin en que pueden coexistir las tres fases. En la seccin

usamos la temperatura de punto triple del agua para definir la escala de

temperatura Kelvin. En la tabla 18.3 se incluyen datos de punto triple para

varias sustancias.

Punto critico

Es el punto final que corresponde en la parte superior de la curva de

vaporizacin.

Este indica la ltima posibilidad en la que el estado lquido y gaseoso pueden

relacionarse manteniendo sus propiedades, si aumentamos tanto la presin y

la temperatura, pasaremos a una regin llamada, estado fluido en el cual nose puede diferenciar el estado gaseoso del lquido, esto debido a que sus

propiedades de estos estados (liquido y gaseoso) no son posibles de

diferenciar, conviven como uno solo.


14/14

Diagramas PVT.

Si usamos las grficas de presin-volumen y presin temperatura, podemos

formar un diagrama tridimensional, este no necesariamente sirve para

trabajar algunos problemas, pero si nos sirve para poder entender el

comportamiento de los estados slido, lquido y gaseoso cuando ocurre un

cambio de fase.

Documents

Informe de Propiedades Termicas Dela Materia