SISTEMAS,
LÍMITES, ENTORNO Y CAMBIOS DE ESTADOS.
INTRODUCCIÓN.
Materia
es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio (tiene volumen),
tiene masa, está formada por partículas y es discontinua (siempre
hay espacios vacíos entre las partículas). Uno de los objetivos de
la ciencia es analizar una parte de la materia, la que nos interesa,
a los efectos de interpretarla, extraer conclusiones, elaborar leyes
científicas, etc. Por lo anterior es importante comprender el
concepto de sistema y saber aplicarlo.
Un
sistema es una parte del universo (una porción de materia) que se
separa del resto por límites claramente definidos, reales o
imaginarios, para estudiarla y comprenderla.
A lo que rodea al sistema le llamaremos entorno.
Se pueden
clasificar según intercambio de materia y energía entre sistema y
entorno en: abierto (existe intercambio de materia y energía entre
ellos); cerrado (sólo se intercambia energía) y aislado (no hay
intercambio ni de materia ni de energía). También se pueden
clasificar según cantidad de fases en: homogéneos (formados por 1
sola fase) y heterogéneos (formados por 2 o más fases). Por último:
sistemas homogéneos tenemos 2 tipos que se diferencian en la
cantidad de componentes: cuerpos puros (1 sólo componente) y
solución (formado por 2 o más componentes).
Imaginemos
un sistema formado por agua y aceite dentro de un vaso destapado. En
primer lugar lo podemos clasificar como un sistema abierto dado que
se intercambia materia y energía entre él y su entorno.
Nos damos cuenta de lo anterior debido a que: a) si a dicho vaso lo
dejamos destapado sobre una mesa y al cabo de algunos días lo vemos
seguramente notaríamos que el volumen de líquido contenido ha
disminuido (probablemente se evaporó parte del agua y pasó del
sistema al entorno) lo que significa que hubo intercambio de materia;
b) también si a diferentes intervalos de tiempo medimos la
temperatura del vaso notaríamos que la misma cambia según varíe la
temperatura ambiente: esta variación de temperatura sobre el sistema
nos está indicando que hay intercambio de energía.
En
segundo lugar el sistema anterior lo podemos clasificar como
heterogéneo dado que está formado por 2 fases.
Lo anterior se debe a que cada capa del sistema (el agua por un lado
y el aceite por el otro) es una parte del sistema en su conjunto, una
fase del mismo: el agua tiene una composición química definida y
propiedades intensivas características (hierve a determinada
temperatura, su densidad tiene determinado valor,etc.) mientras que
el aceite tiene otras propiedades y composición diferente.
EJEMPLO.
Analicemos un ejemplo
sencillo: tenemos en el freezer una botella cerrada conteniendo 500
gramos de agua (que la consideramos como pura). Si definimos al
sistema como el agua que está dentro de la botella podemos decir que
se trata de un sistema cerrado dado que sólo se intercambia energía
con el entorno y también homogéneo porque está formado por una
sola fase (y dado que tenemos 1 sólo componente también podemos
decir que es una solución).
Ahora imaginemos que tenemos
la misma cantidad de agua en un recipiente a -25°C y queremos
analizar los cambios de estados con el aumento de temperatura que
experimenta nuestro sistema que en este caso está en estado sólido.
Para ello podemos colocar al sistema sobre un soporte y a este sobre
un mechero y con ayuda de un cronométro y un termómetro registrar
los valores de temperatura y tiempo. Con los datos obtenidos podemos
construir una gráfica de temperatura en función del tiempo e
interpretar la misma. Dado que para todas las sustancias que son
puras se obtienen curvas similares, en este caso suponiendo que el
agua es pura obtendríamos una gráfica de calentamiento semejante a
la que se muestra:
CUESTIONARIO.
Buscar
información y responder las siguientes preguntas:
1)
¿En qué estado se encuentra el agua en los tramos 1, 2, 3, 4 y 5 de
la
gráfica?.
2)
¿Cuántos cambios de estados sufre el agua durante todo el proceso
de
calentamiento? Nombrarlos y marcarlos en la gráfica.
3)
El punto de fusión, Pf, es la temperatura a la cual una sustancia
pura
cambia
del estado sólido al estado líquido. Según la gráfica: ¿cuál es
el
valor de dicha temperatura? Marcarlo en la curva.
4)
El punto de ebullición, Peb, es la temperatura a la cual una
sustancia
pura
pasa del estado líquido al gaseoso. Según la gráfica: ¿cuál es
el
valor
de dicha temperatura? Marcarlo en la curva.
5)
Ambos valores, el Pf y el Peb, son propiedades intensivas
características: ¿qué significa este último concepto?
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