2.2: Fases y estados físicos de la materia

Template:DeVoeMathJax

Una fase es una región del sistema en la que cada propiedad intensiva (como temperatura y presión) tiene en cada instante el mismo valor en todas partes (una fase uniforme u homogénea), o bien un valor que varía continuamente de un punto a otro. Siempre que este libro electrónico mencione una fase, es una fase uniforme a menos que se indique lo contrario. Dos fases diferentes se encuentran en una superficie de interfaz, donde las propiedades intensivas tienen una discontinuidad o cambio en una pequeña distancia.

Algunas propiedades intensivas (por ejemplo, índice de refracción y polarizabilidad) pueden tener características direccionales. Una fase uniforme puede ser isotrópica, exhibiendo los mismos valores de estas propiedades en todas las direcciones, o anisotrópica, como en el caso de algunos sólidos y cristales líquidos. Un vacío es una fase uniforme de densidad cero.

Supongamos que tenemos que lidiar con una región no uniforme en la que las propiedades intensivas varían continuamente en el espacio a lo largo de una o más direcciones, por ejemplo, una columna alta de gas en un campo gravitacional cuya densidad disminuye al aumentar la altitud. Hay dos formas en las que podemos tratar dicha región continua no uniforme: ya sea como una sola fase no uniforme, o bien como un número infinito de fases uniformes, cada una de tamaño infinitesimal en una o más dimensiones.

2.2.1 Estados físicos de la materia

Estamos acostumbrados a etiquetar fases por estado físico o estado de agregación. Es común decir que una fase es un sólido si es relativamente rígida, un líquido si se deforma fácilmente y es relativamente incompresible, y un gas si se deforma fácilmente y se comprime fácilmente. Dado que estas descripciones de respuestas a fuerzas externas difieren solo en grado, son inadecuadas para clasificar casos intermedios.

La forma en que\(Z\) varía con\(p\) a diferentes temperaturas se muestra para el caso del dióxido de carbono en la Fig. 2.3 (a).

Una temperatura a la que la pendiente inicial es cero se llama la temperatura de Boyle, que para CO\(_2\) es\(710\K\). Ambos\(B\) y\(B_p\) deben ser cero a la temperatura de Boyle. A temperaturas más bajas\(B\) y\(B_p\) son negativas, y a temperaturas más altas son positivas; ver Fig. 2.3 (b). Este tipo de dependencia de la temperatura es típica de otros gases. Experimentalmente, y también de acuerdo con la teoría mecánica estadística,\(B\) y\(B_p\) para un gas puede ser cero solo a una sola temperatura de Boyle.

El hecho de que a cualquier temperatura distinta de la temperatura de Boyle sea distinta de cero\(B\) es significativo ya que significa que en el límite como\(p\) se acerca a cero a constante\(T\) y el gas se aproxima al comportamiento ideal-gas, la diferencia entre el volumen molar real\(V\m\) y el volumen molar de gas ideal\(RT/p\) no se aproxima a cero. En cambio,\(V\m - RT/p\) se acerca al valor distinto de cero\(B\) (véase la Ecuación 2.2.8). Sin embargo, la relación de los volúmenes molares reales e ideales,\(V\m/(RT/p)\), se aproxima a la unidad en este límite.

Las ecuaciones viriales de mezclas de gases se discutirán en la Sec. 9.3.4.

2.2.6 Sólidos

Una fase sólida responde a una pequeña tensión aplicada al sufrir una pequeña deformación elástica. Cuando se elimina la tensión, el sólido vuelve a su forma inicial y las propiedades vuelven a las del sólido no estresado. Bajo estas condiciones de pequeño esfuerzo, el sólido tiene una ecuación de estado tal como lo hace un fluido, en la que\(p\) se encuentra la presión de un fluido que rodea al sólido (la presión hidrostática) como se explica en la Sec. 2.3.4. El estrés es una variable independiente adicional. Por ejemplo, la longitud de un resorte metálico que se deforma elásticamente es una función única de la temperatura, la presión del aire circundante y la fuerza de estiramiento.

Sin embargo, si la tensión aplicada al sólido supera su límite elástico, la respuesta es la deformación plástica. Esta deformación persiste cuando se elimina la tensión, y el sólido átono ya no tiene sus propiedades originales. La deformación plástica es una especie de histéresis, y es causada por un comportamiento microscópico tal como el deslizamiento de los planos cristalinos entre sí en un cristal sometido a esfuerzo cortante, y reordenamientos conformacionales alrededor de enlaces simples en una fibra macromolecular estirada. Las propiedades de un sólido bajo deformación plástica dependen de su historia pasada y no son funciones únicas de un conjunto de variables independientes; no existe una ecuación de estado.