5.4: Sistemas abiertos versus sistemas cerrados

En nuestra discusión, el contenedor de vapor de agua (gas) es nuestro sistema: la parte del universo que estamos observando. Está separado del resto del universo (sus alrededores) por las paredes del contenedor (su límite). ^[12] Cuando eliminamos energía del sistema o le agregamos energía, esa energía va o viene del entorno. Nuestro sistema no es un sistema aislado. Si así fuera, ni la energía ni la materia se moverían entre el sistema y los alrededores. En la práctica es difícil construir un sistema perfectamente aislado (aunque una taza de café aislada o de espuma de poliestireno con tapa puesta no es una mala aproximación). También podemos distinguir entre sistemas abiertos y cerrados: en un sistema abierto tanto la materia como la energía pueden entrar o salir (podemos hacer un seguimiento de ambos) mientras que en un sistema cerrado la cantidad de materia es constante y solo la energía puede entrar o salir. Siempre que miramos un sistema, nuestra primera tarea es decidir si el sistema está aislado, abierto o cerrado. Todos los sistemas biológicos están abiertos (tanto la energía como la materia se están intercambiando con el entorno). A falta de tal intercambio, eventualmente moriría un sistema biológico. ^[13]

Consideremos un vaso de precipitados de agua sin tapa como nuestro sistema abierto. A medida que aumenta la temperatura, algunas de las moléculas de agua tienen suficiente energía para escapar del cuerpo del agua. El agua líquida se evapora (cambia a un gas). Cualquier gas que pueda disolverse en el agua líquida, como el oxígeno (\(\mathrm{O}_{2}\)) o el nitrógeno (\(\mathrm{N}_{2}\)), también se mueven de la fase líquida a la gaseosa. En el punto de ebullición, toda la energía que se suministra al sistema se está utilizando para superar las fuerzas intermoleculares, como lo fue en el punto de fusión. Sin embargo, esta vez las moléculas están completamente separadas entre sí, aunque aún chocan periódicamente. Así, la energía se utiliza para superar las fuerzas atractivas y las moléculas individuales vuelan hacia la fase gaseosa donde las distancias entre ellas se vuelven tan grandes que las fuerzas de atracción son insignificantes. ^[14] A medida que el líquido hierve, su temperatura no sube hasta que todo se ha transformado de líquido a vapor. A medida que las moléculas de gas vuelan, llevan consigo parte de la energía del sistema.

Preguntas

Preguntas para responder

• Comience con un cubito de hielo en un vaso de precipitados y termine con vapor de agua. Dibuja una gráfica de la entrada de energía frente a la temperatura del sistema. ¿Tu gráfica es una línea recta?
• ¿Qué pasaría con la masa del vaso de precipitados y el agua durante este proceso?
• ¿Se puede reproducir la simetría hexagonal del hielo usando un kit modelo? ¿Qué propiedad de los enlaces de hidrógeno hace que la estructura sea tan abierta?
• A medida que sube la temperatura en el agua líquida, ¿qué crees que le pasa a la densidad? Dibuje una gráfica de densidad versus temperatura para una masa de agua comenzando en\(-10 { }^{\circ}\mathrm{C}\), hasta\(50 { }^{\circ}\mathrm{C}\).
• ¿Qué sucede cuando la temperatura ha subido de tal manera que las moléculas tienen suficiente energía para superar todos los atractivos entre las moléculas separadas? Concéntrese no en los enlaces covalentes sino en las atracciones entre moléculas separadas.

Preguntas para responder, continuación

• Durante la evaporación y la ebullición, ¿las moléculas de agua vuelven alguna vez al líquido?
• Estimar la temperatura a la que se rompen los enlaces dentro de una molécula de agua. ¿Cómo se compara esa temperatura con el punto de ebullición del agua? ¿Por qué no tienen la misma temperatura?
• ¿En qué se diferenciarían un sistema abierto y uno cerrado si los calentara de\(30\) a\(110^{\circ}\mathrm{C}\)?

Preguntas para reflexionar

• ¿Los procesos de ebullición y evaporación son fundamentalmente diferentes?
• ¿Bajo qué condiciones no ocurre la evaporación? ¿Qué está pasando a nivel molecular?
• ¿Qué hay en los espacios en medio de los agujeros hexagonales en Ice Ih?
• ¿Cuáles serían las consecuencias para un sistema biológico cerrado o aislado?

Preguntas para más tarde

• A medida que calientas una solución de agua, predice si las moléculas de agua o las moléculas de gas disuelto se moverán preferentemente de la fase líquida a la gaseosa (¿o todas se moverán a la misma velocidad?). ¿Qué factores crees que son los responsables de “retener” las moléculas de gas en el agua?
• ¿Qué crees que pasa con la densidad del gas (en un sistema cerrado) a medida que aumentas la temperatura?
• ¿Qué pasaría si capturara el gas en un contenedor?
• ¿Qué pasaría si tomaras ese gas en el contenedor y lo comprimieras (hicieras que el volumen del contenedor fuera mucho más pequeño)?