equilibrio térmico y cambios de estado

CAMBIOS DE ESTADO.

Paso de una sustancia de un estado a otro. Los más importantes son:

a) la evaporación

b) la condensación

c) la solidificación

d) la fusión

e) la vaporización

f) la sublimación

En un cambio de estado el cuerpo absorbe o desprende una determinada cantidad de calor por unidad de masa, denominado calor latente (de fusión, de ebullición, etc.), y durante el mismo la temperatura permanece invariable y constante para una presión externa dada.

Evaporación.

Paso de una sustancia del estado líquido al de vapor, a una temperatura inferior a la de ebullición. Tiene lugar sólo en la superficie del líquido y se produce de forma gradual.

Condensación.

Paso de una sustancia de la fase de vapor a la líquida (o la sólida); el proceso inverso es la vaporización (o la sublimación).

Solidificación.

Paso de un cuerpo del estado líquido al sólido; es el fenómeno inverso de la fusión. Para cada cuerpo tiene lugar a una temperatura determinada -punto de solidificación o de fusión- con desprendimiento de calor y, generalmente, acompañada de una disminución del volumen.

Fusión.

Paso de un cuerpo del estado sólido al líquido. Se verifica con absorción de calor, generalmente con aumento de volumen, y a una temperatura constante que depende de la naturaleza de los cuerpos y de la presión externa.

Vaporización.

Paso de una sustancia del estado líquido al gaseoso. Puede ser evaporación o ebullición según afecte sólo a la superficie o a todo el volumen. El calor de vapor es la cantidad de vapor que absorbe la unidad de masa de una sustancia al vaporizarse a una temperatura dada.

Sublimación.

Paso de un cuerpo directamente del estado sólido al de vapor o del de vapor al sólido; este último se llama también condensación. La transición sólido-vapor se produce cuando el sólido está sometido a una presión inferior a su presión de vapor, por lo que en muchos casos la cantidad de vapor en equilibrio con la fase sólida es mínima. Se llama calor de sublimación al absorbido (o desprendido) por la unidad de masa de una sustancia al sublimar.

Estado metastable.

El de un sólido, líquido o gas que permanece en un determinado estado de agregación en unas condiciones en que debería haberse producido un cambio de agregación.

La experiencia empírica indica que los cuerpos materiales adoptan diversas formas según el valor que toman las variables termodinámicas que los caracterizan.

El estado sólido se reconoce por la invariabilidad de forma y volumen; el estado líquido presenta sólo invariancia de volumen y el estado gaseoso carece de ambas. Para una misma sustancia y a presión constante, los estados sólido, líquido y gaseoso corresponden a valores crecientes de la temperatura. A temperaturas bajas, la energía cinética de las moléculas es insuficiente para superar las fuerzas de cohesión que tienden a mantenerlas unidas. Se tienen entonces los sólidos cristalinos. En éstos los movimientos de las moléculas se limitan a vibraciones en torno a determinados puntos que corresponden a los nudos de la red cristalina.

En el otro extremo del espectro, para valores muy superiores de la temperatura, la energía potencial intermolecular es prácticamente despreciable frente a la agitación molecular. El correspondiente estado de agregación es el gaseoso.

El estado intermedio corresponde a los líquidos y al estado amorfo: aunque pequeña, la velocidad de las moléculas es lo suficiente para que éstas no puedan formar un retículo cristalino.

Aumentando todavía la temperatura a partir del estado gaseoso, se llega a un punto en el que las moléculas se han disociado en sus átomos constituyentes y éstos a su vez han desaparecido para dar lugar a núcleos y electrones separados: este nuevo estado, característico de la materia estelar, se conoce con el nombre de plasma

El equilibrio térmico es aquel estado en el cual se igualan las temperaturas de dos cuerpos, las cuales, en sus condiciones iniciales presentaban diferentes temperaturas. Una vez que las temperaturas se equiparan se suspende el flujo de calor, llegando ambos cuerpos al mencionado equilibrio término.

El de equilibrio térmico es un concepto que forma parte de la termodinámica, la rama de la física que se ocupa de describir los estados de equilibrio a un nivel macroscópico.

Cuando dos sistemas se encuentran en contacto mecánico directo, o en su defecto, separados mediante una superficie que facilita la transferencia de calor, superficie diatérmica, se dirá que ambos están en contacto térmico. Mientras tanto, al cabo de un tiempo, aunque los dos sistemas que se hallan en contacto térmico se encuentren dispuestos de tal manera que no puedan mezclarse o aunque estén colocados en el interior de un espacio en el cual es imposible que intercambien calor con el exterior, indefectiblemente, alcanzarán el estado de equilibrio térmico.

A un nivel macroscópico, la situación de dos sistemas en contacto térmico podrá interpretarse porque las partículas de la superficie de interface de los dos sistemas son capaces de interactuar entre sí; lo que se verá es que las partículas del sistema que ostenta una mayor temperatura le transferirán parte de su energía a las partículas del otro sistema que observa una menor temperatura. La mencionada interacción hará que las partículas de ambos sistemas logren la misma energía y por tanto la misma temperatura.

Para poder conocer la temperatura que presenta un cuerpo o sustancia se emplea el dispositivo del termómetro. Cuando el termómetro entra en contacto térmico con el cuerpo en cuestión ambos alcanzarán el equilibrio térmico y entonces al encontrase en la misma temperatura, sabremos que la temperatura que nos indicará el termómetro en su índice será la temperatura del cuerpo que nos ocupa.