¿Por qué la temperatura de un sistema que no cambia durante un cambio de fase del sistema, incluso si la energía interna del sistema aumenta?

Question

No puedo entender por qué la temperatura de un sistema no cambia durante un cambio de fase del sistema, incluso si la energía interna del sistema aumenta. El problema es que nunca he entendido realmente el concepto de temperatura. Es el "promedio" de la energía de todas las partículas en un sistema? Si no, ¿qué es y qué no aumentar cuando la energía interna aumenta durante un cambio de fase?

Answer 1

Aunque las respuestas anteriores son correctas en relación con atómico, los sistemas clásicos, me gustaría dar un carácter más general y complementaria punto de vista, que puede ayudar en la mejora de la comprensión conceptual de lo que hay detrás del concepto de temperatura.

La realidad engañosa concepto que uno tiene que quitar con el fin de entender por qué la temperatura no cambia durante un primer orden de la fase de transición es la proporcionalidad entre la energía interna y la temperatura, lo cual es cierto para gases ideales, pero no tiene validez universal, incluso lejos de las transiciones de fase.

Para el clásico de los sistemas que tienen una energía cinética, es posible mostrar (como un teorema, que es el contenido de la llamada equipartition teorema) que el promedio de la energía cinética es proporcional a la temperatura del sistema. Por lo tanto, una explicación de la constanza de la temperatura de transición de fase en el plazo de un aumento de la energía potencial, mientras que la energía cinética sigue siendo el mismo, es posible (ver Bob D y Kraig respuestas).

Sin embargo, existen dos limitaciones de este punto de vista:

• se mantiene sólo para los sistemas clásicos, porque, tan pronto los efectos cuánticos entran en juego, equipartition teorema no es válido enymore y no hay proporcionalidad entre la energía cinética y temperatura, así las transiciones de fase a baja temperatura sería ununderstandable.
• Incluso para los sistemas clásicos, hay termodinámico de los sistemas donde el la energía cinética no juega un papel directo en la termodinámica descripción. Un simple ejemplo es el caso de la fase magnética las transiciones.

Por otra parte, la explicación en términos de la interacción ent cinética y la energía potencial en realidad no justificar por qué temperatura se mantiene exactamente igual y que no suceda que no es simplemente una acción diferente entre el aumento de energía potencial y cinética.

Más punto de vista general, lo que arroja un poco de luz sobre el concepto de temperatura es la siguiente.

Desde una perspectiva puramente punto de vista termodinámico, la temperatura puede ser definida como la inversa de la pendiente de la entropía de la superficie de $S$ como una función de la energía interna $E$: $$ T = \frac{1}{ \frac{\partial S}{\partial E} } $$ donde, todas las variables de $S$ diferente de la energía se han adoptado constante al tomar la derivada parcial.

Por otro lado, la termodinámica definición es consistente con la estadística de Boltzmann mecánico de la definición de la entropía como proporcional al logaritmo del número de estados microscópicos disponible para el sistema en una determinada energía: $$ S(E) = k_B \log \Omega(E) $$ Estos dos ingredientes ayudan a undertad, en general completamente de la base, ¿por qué temperatura se mantiene constante, en una transición de fase de primer orden.

Esta transición se caracteriza por el fenómeno físico de la fase de coexistencia. I. e., hay un intervalo de energías (decir $[E_1,E_2]$)donde el sistema no permanece más de un homogénea de una fase de estado, sino que se convierte en inhomogenous, con una convivencia de macroscópicas de las regiones de una sola fase en la parte inferior de energía $E_1$, y otros el modo de la segunda fase, en la parte superior de la energía $E_2$.

Como consecuencia de este hecho, la entropía en todo el intervalo de $[E_1,E_2]$ es simplemente una combinación lineal de los límites entropías: $$ S(E)=S(E_1)+ \frac{E-E_1}{E_2-E_1} \left( S(E_2)-S(E_1) \right) $$ Por lo tanto, es una consecuencia inmediata de la thermostatistical definición de temperatura derivados de la entropía, para obtener la constanza de $T$ a lo largo de la fase de coexistencia de intervalo. La intuición física se puede construir en la parte superior de esta descripción, la adición de la extensión de la entropía, es que la temperatura permanece constante debido a que el aumento lineal con la energía de la región espacial, en el que coexisten el sistema, ocupado por la fase de mayor energía.

Todo lo que no está en contradicción, sino como un complemento a la explicación en términos de energía cinética, válido para los sistemas clásicos donde la energía cinética juega un papel importante.

Answer 2

No puedo entender por qué la temperatura de un sistema no cambia durante un cambio de fase del sistema, incluso si la energía interna de la sistema aumenta.

La respuesta corta es que la energía interna aumenta sin un cambio de temperatura debido a que, durante un cambio de fase, hay un aumento en la energía potencial del sistema (el cambio en la energía interna asociada con el aumento de la distancia de separación de las moléculas en el sistema), y no un cambio en la energía cinética media de las moléculas del sistema, que se asocia con un cambio en la temperatura del sistema.

Puesto que la energía interna total $U$ de un sistema es la suma de sus microscópicas cinética y potencial de las energías, o

$$U=KE+PE$$

La energía interna puede aumentar o disminuir con el aumento o disminución de la energía potencial sin ningún cambio en la energía cinética del sistema (que sería lo indicado por un cambio en la temperatura). Esto es lo que sucede durante un cambio de fase, donde el calor agregado o quitado es el llamado calor latente, es decir, el calor que no cambia la temperatura, sino que aumenta o disminuye el potencial interno de la energía del sistema.

Espero que esto ayude.

Answer 3

Para ayudar a responder a esta pregunta, voy a empezar con un ejemplo que debería ayudar a entender lo que está sucediendo.

Considere la posibilidad de una carga positiva de la pelota y una carga negativa de la bola en una mesa pegada; pretender que los cargos de los que están encerrados en las bolas, para que no se conviertan neutral a pesar de tocar. ¿Qué sucede cuando se intenta separarlos? Se resisten! Con el fin de separarlas, debe la energía de entrada, y por lo tanto la energía interna de este sistema aumenta. Esto es fácil de ver, porque ahora las bolas tienen un potencial de energía, como ellos, quieren volver juntos. Esta es una explicación similar de por qué la energía interna puede cambiar, mientras que la temperatura se mantiene constante.

Durante un cambio de fase de líquido a un gas, las moléculas se separan, así como las bolas cargadas de arriba se repelían. Un líquido no forma menos hay fuerzas de atracción que mantienen unidos. En el agua, usted tiene moléculas polares, de modo que el principal atractivo de la fuerza es la H$^+-~$O$^-$ fuerza de atracción. En otros materiales, puede ver fuerzas de Van der Waals dominante. Independientemente de lo que la fuerza es, hay una cierta fuerza vinculante que debe superarse con el fin de cambiar el estado del material; por lo tanto el cambio en la energía interna se atribuye al aumento o disminución en la energía potencial que surge como resultado de un cambio de fase.

Por favor, tenga en cuenta que mientras yo usaba líquidos como ejemplo, esta lógica es aplicable a todos los cambios de fase.