CAPITULO 11 PROPIEDADES Y ESTADO DE LAS SUSTANCIAS DE TRABAJO

2.1.- ESTADOS DE LA MATERIA: Fase. Estado termodinámico. a,.

Estanos de la materia,: Los estados de "Agregación" ó estados "Físicos" ó estados "Naturales" de la materia, es decir, la forma como comunmente observamos las sus•

tancias en la naturaleza, son tres: el s61ido, el líqui

-

do y el gaseoso (a veces se suele considerar que el gas ionizado, lIado "plasma", constituye un cuarto estado de la materia (1)). Se les llama estados de

a~egaci6n

por hacer referencia

a c6mo se encuentran distribuidas las

mol~culas

en cada

caso. Así, el s61ido puede definirse como aquél en que los cuerpos uoseen volumen definido y forma

~ropia ya~'

sus átomos y molé.c ulas consti tu-tivos se hallan agrupados en una configuración geométrica rígida y

caracterí~

tica para la sustancia en cuesti6n. Por otra uarte, un

líqui~o

posee un volumen definido

pero no 'forma propia dado que su estructura microsc6pica no' es volumétrica-rígida,como en los sólidos, sino , •

tipo . película, de capas sunerpuestas que se pueden deslizar unas sobre otras.

A su vez, un gas carece de

vol~

men definido y forma propia porque sus microestructura es ca6tica, o sea de grupos de uno, dos o tres átomos o moléculas ligados

~or

unas fuerzas intermoléculares que

se mueven en todas direcciones; por lo tanto, siempre tenderán a ocupar el volumen del recipiente que los

co~

tenga, sin imnortar su tamaño. Los líquidos y gases se les acostumbra a llamar con la palabra genérica "Fluido".

28

b. Cambios de estado: Por lo general lRs sustancia!) en la •

naturaleza se

e~cuentran

en su estado de agregaci6n

m~

•

nrobable y en su conoici6n de equilibrio más estable. Raz6n nor la cual, Llara lograr un cambio de estauo se-

rá necesario suministrar o retirar ciert9. cantidad de energía.

Así:

+E LiClUido + E

lleva a líquido

(Proceso de fusi6n)

lleva a gaseoso

(Proceso de vaporizaci6n)

Gaseoso - E lleva a líquido

(Proceso de condensaci6n)

LíquidO - E lleva a s61ido

(Proceso de solidificaci6n)

S6lido

En condiciones determinadas un s61ido puede pasar direc tamente al estado gaseoso, en tal caso el proceso se

d~

nomina "Sublimaci6n". Sin embargo, la cantidad de energía asociada con un

ca~

bio dE'! estado deuende del "Estado Particular" que tenga la sustancia inicialmente y del ll:Dstado Particular" al cual se desee

El estado

lle~ar •

• ~articular

de ' agregaci6n de una sustancia es-

tá determinado, urinciualmente, por la temueratura y la ~resi6n

bajo las cuales existe. No obstante, dentro de

ciertos limites de temperatura y presi6n una sustancia puede encontrarse en más de un estado simultáneamente, y cada uno de esos estados estar constituido por más de •

una especie de materia. Incluso podría encontrarse en ...

todos los estados de agregaci6n cuanco las condiciones son muy esueciales. Veamos dos ejemplos. Si en un reciniente cerrado, como se ve en la Fig.2-1, se introduce una soluci6n ...

fsrA~O

l> é

(fiOIl+ HlO) de sal común de cocina (NaCl)

A6RE6Ii CIO/'l

en alcohol diluido (etanol

6A~E050 E$TA~o

I

, E A6/tE;'A e ION LI Qv,]> o

Fig. 2-1

•

(N~CI+EtoHfHzO) 6

EtOH yagua 6 H 2 0), a unas

determinadas condiciones de T J P dadas

temperatura y presi6n se pueden tener dos estados de

29

arreeaci6n pero constituidos cada uno de ellos por po+ciones de diferentes materiales (ver Fig.2-1). Ahora, si en un recioiente similar (Fig.2-2) se coloca simpl.emente agua pura a una o temperatura de 0.01 C y ba-

"A PO R

jo una presi6n de 4.57 mili metros de mercurio (l), J/QtJl1)O

pue -

T= O.O}OC

den coexistir los estados

p: '1. 51 mmfls

s61ido (hielo), líquido (a-

Fig. 2-2

gua liquida o

simple~ente

agua) y gaseoso (vanor de agua o simnlemente vapor), todos ellos en forma estable. Si se quisiera tener la sustancia del primer ejemplo (soluci6n de UaCl en EtOH diluido) solamente en estado liquido a la misma presi6n, tendriamos que bajar la

te~

.

peratura uara lo cual se uodria enfriar el reciuiente (retirarle

ener~ía ..J

en forma de calor).

ra lle-rar el agua

Sin embargo los esfuerzos por tmi r l2cl de

~or,l o

mis-

r'irecciones • nre~l

en

I,m

1,i

auido viscoso varian not:J bler:lentc con 18. 6irc cción en. que est~n anlicados, pero este caso cunces de estas notan.

3C

salo Lie los

al

54

2.6.- T E M P E R A T U R A (22),(23),(24),(25). a. Concepto 1ntuitivo ce temneratura: =- El sentido p

tacto es la

hum ~ no

del

p

prL~era m~era

y la más simple de

los cuernos calientes de los

cuer~os • •

frios.

oistin~ir

Por medio

del tacto Dodemos ordenar los cuernos seqÚn su grado de ''-~

calentamiento, decidiendo que A es más caliente que B y B lo .es más que C, y por lo tanto A es más caliente que C.' Pero este proceaimiento cualitativo es muy subjetivo,

"

y por lo tanto se necesita una medida objetiva, repruducible y que dé una exactitud nwnérica confiable. b. If,Ualdad de Temperatura o

~ a uilibrio Térffi ic~:

concento con un exnerimento sencillo. .....

Veámos este

3e toma un bloaue .'.

metálico A que inicialmente se siente frío 8.1 t:?cto y un si~ilar

bloque metálico

B Que iniciaLmente se siente calien

-

te; se ponen en contacto A y 5 durante un

tie~po

relati- ,

va,:nente grande, dentro de una c3.::1.R.ra ouy bien aislada. Al final de este tiempo tanto el bloque

A..

como el bloque

B nos dan la misma sensaci6n de "calentura", es decir, los sentimos igual de calientes al tacto. ' Sin e!1lbarg o, a A lo sentimos más caliente que 'inicialmente, mientras que a B lo sentimos, más frio que en su condici6n inicial. Conclusi6n: En el estado final podemos decir que A y B tienen. "Igualdad de Temperatura" 6 también, que después

..

de haberse calentado uno y enfria(lo el otro lleGaron 8.1 "Equilibrio Térmico" '(una condici6n en la cual el conjun

-

to formado por los dos cuerpos,aislados, no puede enfriar

-

se ni calentarse espontáneamente). c. Ley Cero de la Termodinámica: la igualdad de

tem~eratura

be ser el tacto.

La urueba evidencial de ~

6 el equilibrio térmico no

d~

Por lo tanto se hace indisnensable usar -

un "tercer Cuerpo" 6 "Cuerno Testigo". Esta Ley Cero Duede enunciarse de la si.c,u iente manera: Si dos cuerpos están en icualclad. de temrera tura o e!]uili

55 brio ~os

t~rmico

con un tercer

cuer~o,

iniciales están én igualdad de

brio

entonces los dos cuer tem~eratura

t~rmico.

.

-

6 equili-

,

Es decir, si A está en equilibrio térmico con C y TI también lo está con

e,

•

entonces A está en equilibrio térmi-

co con B. Es muy importante cOID"Orender completamente el conce9to de equilibrio térmico para poder aceptar la Ley ésta no es obvia como aparenta serlo.

Cer~

por1ue

Veamos con un

eje~

plo por ~u~ no es tan evidente: Dos trozos de hierro atraen uh

imán C, pero A no atrae a B ni 3 atrae a A.

Por lo anterior, se cuncluye que debe esti-pularse muy bien el "Orocedimiento para medir la temneratura con el "cuer. 6 'sim"Olemente p o testü,o" 1._, J . , . ' "Term6metro" •

d. t:e -: iciAn. de ,loa. tealDeratura: Nótese que le. Ley Cero es la base fundaJnental (Ley Termométrica) "para la determinación de equi"Oos y escala$ para medir la temperatura. Experimentalmente se ha podido co:nprobar ciue para hacer una medición de temperatura se deben tener en cuenta los siguientes aspectos: 1) Escoger el cuerpo . testigo. Un termómetro queda especi ficado seleccionando una "Sustancia Termometrica"(cu• yas propiedades sean sensibles a los cambios de

..

temQ~

ratura) y una "Propiedad Termométrica' Particular" de dicha sustancia, fácil de observar y medir. 2) Ca¡ibrar el termómetro. Debe especificarse uno 6 varios "Puntos Fijos Patrón", en los cuales todos los .

termómetros deben dar la misma

lect~ra

para la tempe-

ratura T (puntd>s de ifUaldad de temperaturaoara los distintos termómetros)

3) Construir una escala de valores de Temperatura. For ejemplo, si se han fijado dos puntos patr6n,

divid~r .,

•

-

56 ene intervalo en un número igual (6 n6) de marcas, co

-

munmente llamadas

gr~dos.

e .. Escalas de Tem"1eratura y conversiones: -

••

:

I

I

Las escaILas tra-

dicionales relativ8,s de temDeratura son la Centígrada y .la Fahrenheit, mientras

qUE

las res , ectivas eGcalas ab-

solutas son la Kelvin y la Rankine (basa das inicialmente en el comportamiento de los gases y actualmente eh las •

relaciones entre propi'edades termodinámicas, por lo cual ahora reciben el nombre de Escala Termodinámica de Tempe ratura).

1.0 K

Asf:

= 1.8°R.

-

Para conversiones entre

las distintas escalas se Dueden usar las sieuientes ecuª ciones: T K -- tOe

TOn

+ 273.lb

tOF + 459.69

(2.39) (2.40)

TOR -- 1.8 TOK •

tOF -- 1.8 tOe + 32

(2.42)

llT K - 11 tOe

(2.43)

ATOR -- AtOp Not q : Es muy

im~ortante

que el lector amplie sus

conocimie~

tos sobre "Termometría", compar8ndo distintas formas de presentar el tema y conociendo los

princi~ales

ti-

nos' de termóilletrms (1ue existen en el co:nercio . Entre

,

..

estos se tienen: Termómetros de mercurio en vidrio, termómetros de bulbo metálico con vauores mom~trica,

°

gases como sustancia te~

termómetros de resistencia eléctrica, ter-

mocuplas, pir6metros opticos, y muchos otros. También debe

recordar~;e

que la Teillneratura Absoluta es

una prdlpiecao termodin:unica consideI'2.da como c:.n tilu:ui física fundCi.mental , de Climensión T.

,

57 •

Pronuestos:

Problem~s

M.

Problemas 2.1 á 2.15

D.

Problemas 1.1 á 1.7

Referencias del canítulo •

11:

-

(1)

G. pag 12

(2) (3)

L. pp. 42-44D. pp. 1-9

(13) l. pag 4-81 (14 ) L. pp. 53-54 (15) E. pp. 4-1-50

(4-)

G. pp. 12-13

(16) l. pag 483

(5)

T. pp. 362-365 L. pp. 57-58 G. pag 11 T. pp. 111-123 l. pp. 210-214 M. pp. 24-25 D. pp. 20-21 D. pp. 211-272 l. pp. 511-513 T. pp. 65-69

(11) l. pag 488

(5 ) (6) (1) (1) (8) (9) (10) (11) (12)

•

.

•

(18) T. PI' • 419-499 (19) L. pp. 54-56 (20) c. pp. 13-19 (21) J. pp. 5-9 (22) l. PI' • 601-614 (23) L. pp. 51-61 (24) M. pp. 28-32 (25) D. pp. 5-7 (25) D. pp • 23-24-