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CAMBIOS DE ESTADO. Tres estados físicos de la materia: sólido, líquido y gas Estado Físico: uno de los tipos de fase (porción homogénea de un sistema).

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Presentación del tema: "CAMBIOS DE ESTADO. Tres estados físicos de la materia: sólido, líquido y gas Estado Físico: uno de los tipos de fase (porción homogénea de un sistema)."— Transcripción de la presentación:

1 CAMBIOS DE ESTADO

2 Tres estados físicos de la materia: sólido, líquido y gas Estado Físico: uno de los tipos de fase (porción homogénea de un sistema). La interacción entre las fuerzas intermoleculares y la energía cinética de las partículas desarrolla las propiedades en cada estado (o fase) Los líquidos y los sólidos se denominan fases condensadas.

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4 2.5 mol de agua gaseosa en un cilindro con pistón con la presión mantenida a 1 atm y la temperatura variando de 130 o C a -40 o C.

5 Dentro de una fase, el cambio de calor es acompañado por un cambio en la temperatura, que está asociado con un cambio en la E c promedio (cambia la velocidad más probable de las moléculas). El calor perdido o ganado depende de n, C y T Durante un cambio de fase el cambio de calor ocurre a temperatura constante y se asocia con un cambio en la E p (cambia la distancia promedio entre las moléculas). Ambos estados físicos están presentes durante el cambio de fase. El calor perdido o ganado depende de n y H cf. En cada experiencia diaria, los cambios de fase ocurren en contenedores abiertos (por ej. al aire libre, en el congelador, etc.) y son irreversibles. Sin embargo, en un recipiente cerrado bajo condiciones controladas, los cambios de fase son reversibles y ocurren en condiciones de equilibrio termodinámico (a T y P ctes.).

6 A temperatura constante, la presión ejercida por el vapor sobre el líquido es constante. Existe un equilibrio dinámico entre las moléculas en fase líquida y aquellas en fase vapor de modo que la velocidad de evaporación es igual a la de condensación Equilibrio líquido-vapor: Presión de vapor

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8 Presión de vapor

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10 (a) un líquido en equilibrio con su vapor en un recipiente cerrrado; (b) si se lo calienta, aumenta la p; (c) al alcanzar la Tc (temperatura crítica) las dos fases se transforman en una fase homogénea. Para agua Tc = 374 °C y Pc = 218 atm Aumenta la densidad del vapor Disminuye la densidad del lquiquido Ambas densidades se igualan

11 Puntos críticos La temperatura crítica es la temperatura por encima de la cual el gas no puede ser licuado a ninguna presión La presión crítica es la necesaria para licuar el gas a la temperatura crítica Los puntos críticos aumentan con las fuerzas intermoleculares

12 La presión de vapor a la temperatura crítica T c es P c, la presión crítica y ambas identifican el punto crítico de la sustancia. Si presurizamos una sustancia que esta por arriba de su T c producimos un fluido más denso, en una sóla fase, llamado fluido supercrítico. Temperatura Presión Líquido

13 P T SÓLIDO LÍQUIDO GAS

14 tiempo Temperatura C

15 Punto de ebullición Punto de fusión Líquido Sólido Líquido y vapor en equilibrio Sólido y líquido en euilibrio Temperatura Tiempo A BB C D D E

16 Diagrama de fases del agua

17 Energía libre y cambio de fases Energía libre molar: G m = G/n, depende de la fase de la sustancia. Cuando una cantidad n de moles de sustancia pasa de la fase α (por ej. líquido) a la fase β (por ej. vapor): G = nG m (β)-nG m (α) = n{G m (β)-G m (α)} El cambio es espontáneoa T y P constantes si G < 0. Para que este cambio sea espontáneo: G m (β) < G m (α) Por lo tanto una sustancia tiene tendencia a cambiar hacia la fase que tenga menor energía libre de Gibbs.

18 Ecuación de Clapeyron P T dT dP dG m = V m dP - S m dT condición de equilibrio termodinámico : G m,α = G m,β Para un cambio infinitesimal en P y T: dG m, = dG m, V m, dP - S m, dT = V m, dP - S m, dT A(1 mol, fase )A(1 mol, fase ) (S m, - S m, )dT = (V m, -V m, )dP (dP/dT) = (S m, - S m, ) / (V m, -V m, ) (dP/dT) = S m, / V m,

19 Ecuación de Clapeyron, cont. Cambio de fase : S = H / T (dP/dT) = S m, / V m, (dP/dT) = H m, / T. V m,

20 La ecuación de Clapeyron nos da la pendiente (el valor dP/dT) de cualquier límite de fase en términos de la entalpía y el cambio de volumen de la transición. Para el equilibrio entre la fase sólida y la líquida, la entalpía transición es la de fusión, que es positiva. Para la mayoría de las sustancias, el volumen molar se incrementa levemente en la fusión, y V m,S-L > 0. Ocurre que dP/dT es muy grande y positivo. El agua, sin embargo es muy diferente ya que al ser el hielo menos denso que el agua líquida, dP/dT es muy grande y negativo. Ecuación de Clapeyron, cont. Equilibrio S-L, la pendiente (dP/dT) = H m, / T. V m, S L para el agua es negativa porque V m,L < V m,S ( hielo < agua )

21 Anómalo (agua) Líquido Presión Temperatura Presión

22 Ecuación de Clausius Clapeyron (dP/dT) = H m, / T. V m, Equilibrio Líquido - Vapor : fase, líquido; fase, vapor Lejos del punto crítico : V m, v >> V m, L y V m, L V V m, v Lejos del punto triple, podemos considerar que el vapor se comporta como un gas ideal V m, v = RT/P (dP/dT) = P H m,vap / RT 2 Equilibrio Sólido-vapor: se aplica la misma ecuación para el equilibrio S-G usando H m,sub

23 Si suponemos H vap independiente de la temperatura e integramos Integrando : (dP/dT) = P H vap / RT 2 ln P = -( H vap / RT) + C pendiente = - H vap / R Entre dos temperaturas

24 H2OH2O

25 CO 2

26 REGLA DE LAS FASES DE GIBBS. CONCEPTOS BÁSICOS. FASE: Parte homogénea de un sistema, con características físicas y químicas comunes. COMPONENTE: Cada una de las sustancias que componen el sistema químicamente independiente. GRADOS DE LIBERTAD: Número de variables independientes, externas o internas (temperatura, presión, composición, etc.) que deben especificarse para definir completamente el estado de equilibrio de un sistema. REGLA DE LAS FASES DE GIBBS El número de fases que coexisten en equilibrio en un estado dado cumple la siguiente relación: F = C – P + 2 F = nº de grados de libertad C = nº de componentes P = nº de fases

27 F = C - P + 2 C=1 (sustancia pura) F = 3 - P


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