Para poder estudiar los procesos físicos o químicos, los investigadores suelen crear sistemas aislados donde es posible someter a la materia a observación controlando diferentes variables que pueden influir en su comportamiento.
Un sistema es cualquier porción del universo aislada en un recipiente inerte para estudiar las variables sobre el contenido del sistema. De acuerdo a las relaciones que se establecen entre un sistema y sus alrededores los sistemas se pueden clasificar en:
- Sistema Abierto: es aquel sistema que intercambia materia y energía con sus alrededores. Un ejemplo de sistema abierto es un líquido colocado en un recipiente abierto a la atmósfera.
- Sistema cerrado: es un sistema que puede recibir o ceder energía, pero no puede intercambiar materia. Un ejemplo de sistema cerrado puede ser un recipiente cerrado al cual se le aplican variaciones de temperatura. El ganará o perderá energía, pero su masa permanecerá constante.
- Sistema aislado: en este tipo de sistema no existe intercambio de energía con sus alrededores. Como ejemplo de este sistemas se encuentran los sistemas al vacío donde se producen reacciones aisladas del medio que las rodea.
Elementos de un sistema: Componentes, fases y entorno.
- Componentes: en un sistema puede estar presente uno o más componentes. Por ejemplo; un sistema conformado por un componente sería un vaso con aceite. Si se coloca en el mismo recipiente, vinagre, el sistema estará conformado por 2 componentes: aceite y vinagre. Los componentes pueden encontrarse en estado gaseoso, líquido o sólido, en el ejemplo ambos componentes se presentan en estado líquido y conforman 2 fases.
- Las fases son porciones homogéneas de un sistema que pueden diferenciarse físicamente y separarse mecánicamente.
- El entorno de un sistema se refiere a todo aquello que le rodea y que tiene influencia sobre el comportamiento de sus componentes.
Cuando se estudia un sistema se describen sus propiedades o variables de estado. Por ejemplo: si se tienen dos recipientes, uno que contiene 2 litros de agua líquida (l) y otro que contiene 10 g de hielo (s). Se indicarán las variables que permiten que el estado de la materia se mantenga:
Cambios de Estado y Energía asociada:
Los cambios de estado de un elemento o sustancia son posibles gracias a la fusión que es el paso de una sustancia sólida a estado líquido. Esto se logra cuando el calor vence, en parte, a las fuerzas de atracción que mantienen unidas las moléculas del sólido, la energía calórica aumenta la velocidad de las moléculas de un sólido haciendo que éstas pierdan su orden inicial.
- La solidificación o congelación: es el proceso inverso de la fusión donde se desprende el calor que permite que la sustancia se solidifique, es decir, donde las moléculas de la sustancia pierden su movimiento encontrándose en un estado de orden casi total y donde el movimiento entre las moléculas es la vibración.
- La Evaporización: es el proceso que permite que una sustancia en estado líquido se convierta en gas.
- La Condensación: es el proceso inverso a la vaporización ya que el gas pasa al estado líquido.
- La sublimación: es el paso del estado sólido al estado gaseoso.
Todos estos procesos traen como consecuencia la transferencia de energía dando lugar a reacciones exotérmicas las cuales liberan calor o reacciones endotérmicas las cuales requieren de calor.
Cambios de Estado
En un sistema es posible mantener diferentes condiciones constantes entre ellas la presión y así observar el comportamiento de una sustancia al aplicar una temperatura determinada. Los ensayos de este tipo han permitido conocer el punto de fusión (p.f.) y el punto de ebullición (p.e.)
El punto de fusión: es la temperatura en que una sustancia puede coexistir en equilibrio en los estados sólido y líquido a una presión constante de 750 mmHg. En el punto de fusión la sustancia puede absorber calor adicional pero la temperatura no aumenta, ya que toda la energía añadida se usa para vencer las fuerzas de atracción que mantienen a las moléculas en sus posiciones fijas en el estado sólido.
El punto de ebullición: es la temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido es igual a la presión atmosférica. Esa temperatura siempre es la misma para un líquido en particular.
Los sistemas permiten conocer el comportamiento de una sustancia cuando se aplican variaciones de temperatura, estos ensayos son de importancia ya que permiten conocer propiedades útiles de diferentes sustancias las cuales pueden ser utilizadas como refrigerantes por ejemplo.
A continuación se presenta un sistema cerrado para el estudio del agua, para generar una curva de calentamiento:
Si se calienta una cantidad determinada de hielo en un recipiente inicialmente a -20ºC hasta transformarlo totalmente en vapor y se mide la temperatura cada cierto tiempo se obtiene la siguiente gráfica denominada curva de calentamiento:
Una curva similar a la anterior puede obtenerse cuando se sustrae el calor del vapor de agua hasta llevarlo al estado sólido, la curva obtenida se denomina curva de enfriamiento:
Diagrama de Fases: Este diagrama permite ilustrar las relaciones de presión- temperatura entre las fases sólida, líquida y gaseosa de una sustancia. Cada sustancia tiene su diagrama de fases característico y se determina experimentalmente. Se representa a continuación el diagrama de fases del agua:
En el diagrama un área representa una fase, una línea representa dos fases en equilibrio y un punto representa una intersección donde las tres fases están en equilibrio. El punto se denomina punto triple y tiene un valor determinado a una temperatura dada.
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