Fundamentos de Termodinámica: Estados de la Materia y Cambios de Fase
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Estados de Saturación y Transiciones de Fase
Temperatura de Saturación
Es la temperatura a la que una sustancia pura experimenta un cambio de estado (fase) a una presión determinada.
Vapor Saturado
Es el vapor que se encuentra a la temperatura de saturación correspondiente a su presión.
Vapor Sobrecalentado
Es el vapor cuya temperatura es superior a la temperatura de saturación para una presión dada.
Líquido Subenfriado
Es el líquido que se encuentra a una temperatura inferior a la temperatura de saturación para una presión dada.
Efecto de la Presión en la Temperatura de Saturación
La temperatura de saturación de una sustancia depende directamente de la presión a la que se encuentre el vapor. De esta forma, a mayor presión, mayor será la temperatura de saturación, y a menor presión, menor será la temperatura de saturación.
Evaporación y Factores que Afectan su Ritmo
La evaporación es el proceso por el cual las moléculas de un líquido, debido a choques energéticos, adquieren suficiente energía para escapar de la superficie y pasar al estado gaseoso.
Factores que influyen en la rapidez de la evaporación:
- Superficie de Contacto: A mayor superficie expuesta, mayor será la rapidez de evaporación (ejemplo: la ropa mojada se seca más rápido extendida).
- Temperatura: A mayor temperatura, la energía interna de las moléculas es mayor, lo que incrementa la frecuencia y energía de los choques, acelerando la evaporación.
- Humedad Relativa: A mayor humedad relativa del aire, el agua se evaporará más lentamente, ya que el aire ya contiene una mayor cantidad de vapor de agua, dificultando la incorporación de nuevas moléculas.
Efecto Refrigerante de la Evaporación
Las moléculas que pasan del estado líquido al estado de vapor absorben energía (calor latente de vaporización) del entorno, produciendo un enfriamiento.
Ejemplo Práctico: El Botijo
El botijo está fabricado con arcilla, un material poroso. El agua se filtra a través de estos poros y moja la superficie exterior. Al evaporarse esta agua de la superficie, absorbe calor del botijo y del agua que contiene, produciendo un efecto refrigerante y manteniendo el líquido interior fresco.
Condensación: Métodos para el Cambio de Fase
La condensación es el proceso inverso a la evaporación, donde un vapor se convierte en líquido. Se puede lograr de varias maneras:
- Bajando la temperatura: Al disminuir la temperatura del vapor, las moléculas pierden energía cinética y se agrupan para formar líquido.
- Comprimiendo el vapor: Al aumentar la presión sobre el vapor, se fuerza a las moléculas a acercarse, lo que puede llevar a la condensación.
- Combinando ambos métodos: La forma más eficiente de condensar un vapor es bajando su temperatura y aumentando su presión simultáneamente.
Conceptos Críticos en Termodinámica
Temperatura Crítica (Tc)
Es la temperatura máxima a la cual un gas puede ser licuado (condensado) únicamente por la aplicación de presión, sin importar cuán alta sea esta. Por encima de esta temperatura, la sustancia se considera un fluido supercrítico.
Presión Crítica (Pc)
Es la presión de vapor saturado que corresponde a la temperatura crítica.
Propiedades Termodinámicas Fundamentales
Entalpía (H)
Es una propiedad termodinámica que representa la cantidad total de energía térmica (calor) contenida en una sustancia, medida desde un punto de referencia arbitrario. Se expresa comúnmente en unidades de energía por unidad de masa, como kilocalorías por kilogramo (kcal/kg) o kilojulios por kilogramo (kJ/kg).
Entropía (S)
Es una propiedad termodinámica que mide el grado de desorden o aleatoriedad de un sistema, o la energía no disponible para realizar trabajo. Se expresa en unidades de energía por unidad de masa y temperatura, como kilocalorías por kilogramo y Kelvin (kcal/(kg·K)) o kilojulios por kilogramo y Kelvin (kJ/(kg·K)).
Fundamentos de Termodinámica: Estados de la Materia y Cambios de Fase
Estados de Saturación y Transiciones de Fase
Temperatura de Saturación
Es la temperatura a la que una sustancia pura experimenta un cambio de estado (fase) a una presión determinada.
Vapor Saturado
Es el vapor que se encuentra a la temperatura de saturación correspondiente a su presión.
Vapor Sobrecalentado
Es el vapor cuya temperatura es superior a la temperatura de saturación para una presión dada.
Líquido Subenfriado
Es el líquido que se encuentra a una temperatura inferior a la temperatura de saturación para una presión dada.
Efecto de la Presión en la Temperatura de Saturación
La temperatura de saturación de una sustancia depende directamente de la presión a la que se encuentre el vapor. De esta forma, a mayor presión, mayor será la temperatura de saturación, y a menor presión, menor será la temperatura de saturación.
Evaporación y Factores que Afectan su Ritmo
La evaporación es el proceso por el cual las moléculas de un líquido, debido a choques energéticos, adquieren suficiente energía para escapar de la superficie y pasar al estado gaseoso.
Factores que influyen en la rapidez de la evaporación:
- Superficie de Contacto: A mayor superficie expuesta, mayor será la rapidez de evaporación (ejemplo: la ropa mojada se seca más rápido extendida).
- Temperatura: A mayor temperatura, la energía interna de las moléculas es mayor, lo que incrementa la frecuencia y energía de los choques, acelerando la evaporación.
- Humedad Relativa: A mayor humedad relativa del aire, el agua se evaporará más lentamente, ya que el aire ya contiene una mayor cantidad de vapor de agua, dificultando la incorporación de nuevas moléculas.
Efecto Refrigerante de la Evaporación
Las moléculas que pasan del estado líquido al estado de vapor absorben energía (calor latente de vaporización) del entorno, produciendo un enfriamiento.
Ejemplo Práctico: El Botijo
El botijo está fabricado con arcilla, un material poroso. El agua se filtra a través de estos poros y moja la superficie exterior. Al evaporarse esta agua de la superficie, absorbe calor del botijo y del agua que contiene, produciendo un efecto refrigerante y manteniendo el líquido interior fresco.
Condensación: Métodos para el Cambio de Fase
La condensación es el proceso inverso a la evaporación, donde un vapor se convierte en líquido. Se puede lograr de varias maneras:
- Bajando la temperatura: Al disminuir la temperatura del vapor, las moléculas pierden energía cinética y se agrupan para formar líquido.
- Comprimiendo el vapor: Al aumentar la presión sobre el vapor, se fuerza a las moléculas a acercarse, lo que puede llevar a la condensación.
- Combinando ambos métodos: La forma más eficiente de condensar un vapor es bajando su temperatura y aumentando su presión simultáneamente.
Conceptos Críticos en Termodinámica
Temperatura Crítica (Tc)
Es la temperatura máxima a la cual un gas puede ser licuado (condensado) únicamente por la aplicación de presión, sin importar cuán alta sea esta. Por encima de esta temperatura, la sustancia se considera un fluido supercrítico.
Presión Crítica (Pc)
Es la presión de vapor saturado que corresponde a la temperatura crítica.
Propiedades Termodinámicas Fundamentales
Entalpía (H)
Es una propiedad termodinámica que representa la cantidad total de energía térmica (calor) contenida en una sustancia, medida desde un punto de referencia arbitrario. Se expresa comúnmente en unidades de energía por unidad de masa, como kilocalorías por kilogramo (kcal/kg) o kilojulios por kilogramo (kJ/kg).
Entropía (S)
Es una propiedad termodinámica que mide el grado de desorden o aleatoriedad de un sistema, o la energía no disponible para realizar trabajo. Se expresa en unidades de energía por unidad de masa y temperatura, como kilocalorías por kilogramo y Kelvin (kcal/(kg·K)) o kilojulios por kilogramo y Kelvin (kJ/(kg·K)).