Termodinamica - Cengel 7th - espanhol

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PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS
3-1 ■ SUSTANCIA PURA
N 2
Vapor
Líquido
Aire
FIGURA 3-1
El nitrógeno y el aire gaseoso son sustancias
puras.
Aire
Líquido
a) H 2 O b) Aire
FIGURA 3-2
Una mezcla de agua líquida y gaseosa es
una sustancia pura, pero una mezcla de
aire líquido y gaseoso no lo es.
FIGURA 3-3
Las moléculas en un sólido se mantienen
en sus posiciones por medio de grandes
fuerzas intermoleculares similares a
resortes.
Una sustancia que tiene una composición química fija en cualquier parte se
llama sustancia pura. El agua, el nitrógeno, el helio y el dióxido de carbono,
por ejemplo, son sustancias puras.
Una sustancia pura no tiene que estar conformada por un solo elemento
o compuesto químico. Una mezcla de varios de éstos también puede ser una
sustancia pura siempre y cuando la mezcla sea homogénea. El aire, por ejemplo,
es una mezcla de varios gases, pero con frecuencia se considera como una
sustancia pura porque tiene una composición química uniforme (Fig. 3-1). Sin
embargo, la mezcla de aceite y agua no es una sustancia pura, ya que el aceite
no es soluble en agua, por lo que se acumula en la superficie y se forman dos
regiones químicamente distintas.
Una mezcla de dos o más fases de una sustancia pura se sigue considerando
una sustancia pura siempre que la composición química de las fases sea
la misma (Fig. 3-2). Una mezcla de hielo y agua líquida, por ejemplo, es una
sustancia pura porque ambas fases tienen la misma composición química. No
obstante, una mezcla de aire líquido con otro gaseoso, no compone una sustancia
pura debido a que la composición del aire líquido es distinta de la del
gaseoso y por lo tanto la mezcla ya no es químicamente homogénea. Esto se
debe a que los diversos componentes del aire tienen distintas temperaturas de
condensación a una presión especificada.
3-2 ■ FASES DE UNA SUSTANCIA PURA
Por experiencia se sabe que las sustancias existen en fases diferentes. A temperatura
y presión ambiental el cobre es un sólido, el mercurio un líquido y el
nitrógeno un gas, pero en condiciones distintas, cada uno podría aparecer en
fases diferentes. Aunque son tres las principales —sólida, líquida y gaseosa—,
una sustancia puede tener varias fases dentro de la principal, cada una con
distinta estructura molecular. Por ejemplo, el carbono existe como grafito o
diamante en la fase sólida, el helio tiene dos fases líquidas y el hierro tres
fases sólidas. A presiones altas, el hielo existe en siete fases diferentes. Una
fase tiene una configuración molecular distinta, es homogénea en todas partes
y está separada de las demás fases por superficies frontera de fácil identificación.
Las dos fases del H 2 O en el agua helada representan un buen ejemplo de
esto.
Al estudiar dos fases o cambios de fase en termodinámica, no es necesario
poner el interés en la estructura molecular y el comportamiento de las distintas
fases, pero sí es muy útil comprender los fenómenos moleculares de cada
fase. A continuación se explica de manera breve las transformaciones de fase.
Los enlaces moleculares son más fuertes en los sólidos y más débiles en los
gases, debido en parte a que las moléculas en los primeros están más próximas
entre sí, mientras que en los gases se hallan separadas por distancias relativamente
grandes.
Las moléculas en un sólido están dispuestas en un patrón tridimensional
(red) que se repite por todo el sólido (Fig. 3-3). A causa de las pequeñas distancias
intermoleculares existentes en un sólido, las fuerzas de atracción entre
las moléculas son grandes y las mantienen en posiciones fijas (Fig. 3-4). Estas
fuerzas de atracción entre moléculas se vuelven de repulsión a medida que la
distancia intermolecular se aproxima a cero, lo cual evita que las moléculas
se apilen unas sobre otras. Aunque las moléculas en un sólido permanecen en
una posición relativamente fija, oscilan de manera continua respecto a sus posi-