Fundamentos de Termodinámica y Propiedades de la Materia

Principios Fundamentales de la Termodinámica

Principio Cero

Cuando un sistema se aísla de sus alrededores, llega a un estado de equilibrio térmico.

Primer Principio: Conservación de la Energía

Este principio se centra en el calor y el trabajo. Para sistemas cerrados, el intercambio de energía entre el sistema y su entorno solo puede ocurrir en forma de calor y trabajo. El calor se almacena como energía cinética y potencial, mientras que el trabajo se manifiesta como energía mecánica.

La energía interna es la suma de todas las energías que poseen las moléculas de un sistema.

“El cambio de energía interna de un sistema es la suma del intercambio de calor entre el sistema y los alrededores y el trabajo realizado sobre o por el sistema”.

Segundo Principio: Entropía

“Todos los sistemas aislados tienden espontáneamente al desorden”.

Estados de la Materia y Fuerzas Intermoleculares

Fuerzas Intermoleculares

• Fuerzas de cohesión: Ocurren entre partículas de la misma sustancia.
• Fuerzas de adhesión: Se dan entre partículas de distintas sustancias.

Estados de Agregación

• Sólido: Presenta fuerzas de cohesión grandes. Las partículas ocupan posiciones fijas con movimientos vibratorios. Tienen forma y volumen constantes.
• Líquido: Sus fuerzas de cohesión son débiles. Tienen forma variable y volumen constante.
• Gaseoso: Las fuerzas de cohesión son prácticamente nulas, lo que permite a las partículas tener la máxima movilidad.

Cambios de Estado y Fases

El aumento de la presión hace disminuir la distancia entre las partículas, mientras que el aumento de la temperatura incrementa su agitación térmica y su movilidad. En un sólido, cuando aumentamos la temperatura y la agitación térmica supera las fuerzas de atracción, este pierde rigidez y pasa a estado líquido (fusión). Si continuamos aumentando la temperatura, pasará a estado gaseoso, ya sea por evaporación (en la superficie) o por ebullición (en toda la masa). El paso directo de sólido a gas se denomina sublimación.

Conceptos Clave de Fases

• Fase: Es una parte de un sistema que es homogénea, físicamente separada por superficies definidas y que tiene composición química y propiedades uniformes.
• Diagrama de fases: Permite representar los estados de agregación o fases de una sustancia en un gráfico de presión frente a temperatura.
• Polimorfismo y Alotropía: Un equilibrio sólido-sólido da lugar a polimorfismos (varias formas de cristalización). Cuando se trata de sustancias puras, este fenómeno se denomina alotropía.
• Grados de libertad: Son las condiciones de un sistema (como presión y temperatura) que se pueden modificar sin alterar el equilibrio.
• Punto triple: Es el punto en un diagrama de fases donde pueden coexistir las tres fases (sólido, líquido y gaseoso) en equilibrio.

Clasificación de Sólidos y Sistemas

Tipos de Sólidos

• Sólidos verdaderos (cristalinos): Presentan estructuras cristalinas bien definidas (iónicos, covalentes, moleculares, metálicos).
• Sólidos amorfos: No poseen ni estructura ni forma cristalina ordenada.

Sistemas Homogéneos

Un sistema es homogéneo cuando todas sus partes poseen las mismas propiedades. Si estas propiedades son constantes en todas las direcciones, se dice que el sistema es isótropo.

Propiedades Fundamentales de los Materiales

Propiedades Mecánicas

Son las que presenta un material ante la aplicación de una fuerza externa.

• Resistencia: Capacidad de soportar una fuerza sin deformarse ni romperse.
• Dureza: Resistencia que opone un material a ser rayado.
• Elasticidad: Capacidad para volver a su forma original después de haber sufrido una deformación.
• Plasticidad: Capacidad para ser deformado permanentemente al aplicar una fuerza y mantener la nueva forma después de suprimirla.
• Tenacidad: Capacidad de soportar esfuerzos y absorber energía antes de romperse.
• Fragilidad: Capacidad de romperse con escasa o nula deformación plástica.
• Ductilidad: Capacidad de un material para alargarse y deformarse en hilos antes de romperse.
• Maleabilidad: Capacidad de un material para expandirse en láminas cuando se le aplican presiones de compresión.

Propiedades Coligativas

Estas propiedades dependen exclusivamente de la cantidad de soluto disuelto en una disolución, y no de la naturaleza del soluto.

• Descenso de la presión de vapor: La presión de vapor de un disolvente disminuye al añadir un soluto no volátil. Esto ocurre porque las moléculas de soluto en la superficie dificultan la vaporización de las moléculas del disolvente.
• Aumento del punto de ebullición (aumento ebulloscópico): Al añadir un soluto no volátil a un disolvente, se produce una disminución de la presión de vapor (según la ley de Raoult), lo que provoca que se necesite una temperatura más alta para que la disolución hierva.
• Descenso del punto de congelación (descenso crioscópico): De manera similar, la disminución de la presión de vapor al añadir un soluto no volátil provoca una disminución en el punto de congelación de la disolución.