Solución:
Fondo
Generalmente, todas las transiciones de fase requieren algo de energía de entrada para que ocurra la transición. Por ejemplo, la transición de sólido a líquido o viceversa requiere lo que se llama entalpía de fusión o calor latente de fusión. Esta es la cantidad de energía necesaria para cambiar la energía interna total (es decir, la entalpía) de una sustancia a fin de producir la transición de fase. La cantidad de energía necesaria para producir la sublimación se llama, como es lógico, la entalpía de sublimación.
Por ejemplo, imagina que tuviéramos hielo de agua a $ -10 ^ circ $ C y quisiéramos convertirlo en gas. Necesitaríamos agregar energía, pero ocurriría en los siguientes pasos:
- agregue suficiente energía para cambiar la temperatura del hielo de $ -10 ^ circ $ C a $ 0 ^ circ $ C;
- agregue suficiente energía para superar el calor latente de fusión;
- agregue suficiente energía para cambiar la temperatura del hielo de $ 0 ^ circ $ C a un poco menos de $ 100 ^ circ $ C;
- agregar suficiente energía para superar el calor latente de vaporización; y finalmente
- agregue más energía para aumentar la temperatura del vapor (si se desea, siempre que el vapor esté contenido).
El proceso ocurriría en estos pasos bajo STP si agregamos la energía continuamente en un lento velocidad (es decir, suministran un poco más de energía de la que se pierde por radiación y / o conducción). Es posible sublimar el hielo en vapor, pero esto generalmente ocurre mediante ablación con luz ultravioleta (y / o fotones de mayor energía).
¿Por qué algunas sustancias se someten a sublimación y otras no?
La respuesta está en la termodinámica, específicamente en el punto triple de la sustancia. Si esto ocurre a una gran presión en comparación con STP, entonces es posible que un material se sublime. Por ejemplo, si observa la imagen del diagrama de fase a continuación, puede ver que el punto de sublimación para CO $ _ 2 $ ocurre a una temperatura y presión más bajas que su punto triple. Mientras que el agua tiene un punto triple a una presión mucho más baja que la presión atmosférica estándar, es menos probable que la sublimación ocurra en condiciones normales (y en ausencia de fotones o partículas de alta energía que puedan inducir la ablación).
Por lo tanto, si agrega continuamente energía al CO $ _ 2 $ sólido, su primera transición será a una forma gaseosa, no a una forma líquida bajo STP. Si aumenta la presión en el sistema y luego agrega energía, siempre que la presión sea lo suficientemente alta, puede producir un CO $ _ 2 $ líquido. Las propiedades químicas de la sustancia determinan sus puntos críticos y triples y estos han sido bien documentados para la mayoría de las sustancias.
ya que debe haber un estado entre sólido-gas en el que las partículas tengan mayor velocidad que los sólidos pero menor que la partícula gaseosa …
No, no debe. Si agrega suficiente energía para inducir una transición de fase y es más fácil para que la sustancia se transforme en gas que en líquido, pasará directamente a la forma gaseosa, no a través del líquido.
entonces, ¿por qué usamos este término para algunas sustancias a ciertas temperaturas y para otras no … si sabemos que la transición siempre ocurre de manera continua?
Una transición de fase es, por definición y ocurrencia, un cambio discontinuo. El problema es que, si bien puede cambiar la temperatura de una sustancia de manera semicontinua cuando está lejos de cualquier línea de transición de fase, una vez en una línea de transición de fase puede agregar energía pero no ver ningún cambio en la temperatura hasta que la sustancia sufre la transición de fase. Luego, una vez en el nuevo estado, la sustancia puede cambiar de temperatura nuevamente (suponiendo que la transición no esté limitada por otra línea de transición de fase) de manera semicontinua agregando más energía.
Puede probar esto en casa con un termómetro de cocina estándar. Comience con agua casi helada y luego levántela a una temperatura de ebullición. Asegúrese de que el termómetro no toque la olla / sartén de metal en la que se encuentra el agua. Si los elementos de la superficie de su horno proporcionan una energía aproximadamente constante a la sartén, entonces debería ver un cambio semicontinuo en la temperatura hasta poco menos de $ 100 ^ circ $ C. Si mantiene el calor lo suficientemente bajo, puede sentarse en este punto, justo por debajo de la ebullición, durante un tiempo relativamente largo. Esto se debe a que la velocidad a la que agrega energía puede estar apenas superando las pérdidas de calor por radiación y conducción en la habitación circundante. Si aumenta la temperatura, el tiempo que pasa justo por debajo de la marca de $ 100 ^ circ $ C será mucho más corto ya que su entrada de energía puede exceder ampliamente las pérdidas por radiación y conducción.
Advertencias y notas
Tenga en cuenta que las transiciones de fase se definen dentro del contexto de la termodinámica, que es, por construcción, un modelo fluido (es decir, destinado al espacio de parámetros macroscópicos), no un modelo cinético. Tenga en cuenta que los modelos cinéticos también pueden describir parámetros macroscópicos, pero lo hacen al encontrar el promedio del conjunto en el espacio de velocidades de la función de distribución para tratar una gran cantidad de partículas como si exhibieran un comportamiento de volumen similar al de un fluido.
Las diferencias entre los modelos fluido y cinético pueden ser sutiles, pero puede pensar en ellas de la siguiente manera.
- Tratamos los fluidos como un continuo gota ocupando una unidad de volumen que puede deformarse bajo tensión, pero el elemento fluido inicial, si es incompresible, ocupará el mismo volumen.
- Para modelos cinéticos, asumir una función de distribución del modelo que describe más de cerca las partículas discretas en el sistema. En muchos casos, esta función es continua en el sentido matemático y el uso de promedios conjuntos puede producir propiedades globales similares a las de la termodinámica (por ejemplo, temperatura). Sin embargo, las interpretaciones son a menudo diferentes y las limitaciones y supuestos requeridos en los modelos cinéticos son generalmente menores que los modelos fluidos.
Continuo frente a discontinuo
Cuando uso el término discontinuo arriba, me refiero a un cambio que ocurre en una escala menor que la resolución de la observación específica. Por ejemplo, asumimos que las ondas de choque contienen un salto descontento en densidad, presión, etc. en una región llamada rampa. Generalmente, se supone que esta región es “infinitamente” delgada cuando se observa el estado asintótico del fluido / gas cinético a ambos lados de la rampa. Sin embargo, es bien sabido que la rampa tiene un espesor finito del orden de $ sim 1 mu m $ en la atmósfera de la Tierra en STP. Para la mayoría de los modelos fluidos, esta escala espacial es tan pequeña que podemos aproximarla como infinitesimal y descuidarla. Esta aproximación simplifica enormemente muchas de las ecuaciones que usaríamos para intentar modelar tales fenómenos, aunque la transición de aguas arriba a aguas abajo no es verdaderamente discontinua. Definimos la transición como discontinua porque es comparable o menor que las longitudes de escala relevantes más pequeñas consideradas para el problema en cuestión. (es decir, en este caso, la interpartícula camino libre medio).
En la naturaleza, hay pocas cosas que realmente puedan llamarse discontinuas (en realidad no conozco ninguna, pero algunas de las susurradores cuánticos en este sitio puede que conozca algunos. Por lo tanto, estoy tratando de tener cuidado con esta declaración). Sin embargo, el hecho de que algunos fenómenos cambien continuamente en las escalas más pequeñas puede no importar para la dinámica macroscópica en la que asumimos un cambio discontinuo. Como en el ejemplo de onda de choque anterior, que la región de la rampa tenga un espesor finito no hace que las relaciones de conservación utilizadas para modelar la mayoría de los choques (es decir, relaciones de Rankine-Hugoniot) sean inútiles. La suposición de que la rampa es discontinua funciona porque la transición es más rápida que las escalas (es decir, fluidas) consideradas en este problema específico. Por lo tanto, la definición de continuo frente a discontinuo depende del problema que se aborde.
Entonces, en el sentido más puro, sí, una transición de fase es cerrar a (no exacto porque las partículas son discretas) una transición continua si pudiéramos medir las cosas “infinitamente” rápido y en una escala “infinitamente” pequeña.
Nota al margen interesante: El uso de una función de distribución de modelo generalmente inserta irreversibilidad en cualquier modelo que uno evolucionaría dinámicamente desde este punto en adelante.
Referencia
La imagen del diagrama de fase se tomó de Wikipedia, cortesía de Cmglee – Trabajo propio, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29176053
Si uno ve un sólido o un líquido o un gas está determinado por las propiedades de correlación de las moléculas en la sustancia. Los sólidos (en cristales) tienen correlaciones fuertes y de largo alcance, los líquidos no tienen correlaciones de largo alcance pero sí fuertes de corto alcance, mientras que los gases tienen casi solo correlaciones intermoleculares débiles.
En la parte del diagrama de fases debajo del punto triple, cruzar la línea de coexistencia de sólido a gas significa que al agregar energía, las moléculas individuales se separan de la superficie de una manera solo débilmente no correlacionada y, por lo tanto, se comportan inmediatamente como moléculas de un gas.
Por otro lado, en la parte del diagrama de fase por encima del punto triple, cruzar la línea de coexistencia de sólido a líquido significa que al agregar energía, la superficie se rompe en muchas regiones diminutas (y no muy bien definidas) que consisten en pocas regiones altamente moléculas correlacionadas y, por lo tanto, se comportan inmediatamente como moléculas de un líquido, caracterizadas por fuertes correlaciones a corta distancia.
Para una pieza muy pequeña de sólido, la distinción entre gas y líquido no es muy pronunciada, pero para sólidos del tamaño relevante en escalas de tiempo humanas, ya estamos muy cerca del límite termodinámico (volumen infinito) donde estos efectos ocurren instantáneamente. Por tanto, la transición es casi instantánea.
Si desea saber qué sucede con más detalle que lo que obtiene de la mecánica estadística a granel, debe observar los procesos de adsorción / desorción en una superficie sólida. Consulte https://de.wikipedia.org/wiki/Adsorption: se usa principalmente para el contacto de diferentes sustancias, pero la congelación y la fusión / sublimación funcionan esencialmente de la misma manera que la adsorción y la desorción, respectivamente.
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