¿Por qué, exactamente, la temperatura permanece constante durante un cambio de estado de la materia?

Question

Mi contraargumento:

Las fuerzas intermoleculares entre moléculas están o se rompen. No hay un punto intermedio. Por lo tanto, el cambio de intacto a roto es instantáneo.

La energía térmica aplicada aumenta el movimiento de las partículas en una sustancia, lo que a su vez aumenta su temperatura. Cuando el movimiento alcanza un punto crítico, la fuerza intermolecular es superada, y se produce un cambio de estado.

La explicación de que "la energía se utiliza para romper los enlaces, y no para aumentar la temperatura" no tiene sentido para mí. Para romper el enlace, se necesita intensificar el movimiento de las moléculas, lo que aumentaría la temperatura del agua. Por eso creo que no debería haber un período de temperatura constante.

Mi pregunta: ¿A dónde va esa energía? No está aumentando la temperatura; entonces, ¿qué está haciendo?

Answer 1

Para que ocurra un cambio de fase de sólido a líquido, o de líquido a gas, el calor añadido necesita hacer que las moléculas se separen más entre sí, en oposición a las fuerzas de atracción intermoleculares, lo que a su vez significa que aumenta la energía potencial interna de la sustancia. Así, el calor añadido aumenta la energía potencial interna y no la energía cinética interna (y por lo tanto no la temperatura)

La energía potencial gravitatoria (EPG) es análoga a aumentar la separación vertical entre un objeto y la superficie de la tierra al levantarlo para que descanse a una cierta altura $h$ sobre la superficie. El trabajo (energía) aportado por el agente que levanta el objeto aumenta la EPG del objeto sin aumentar la energía cinética del objeto.

Espero que esto ayude.

Answer 2

Para romper el enlace, el movimiento de las moléculas debe intensificarse, lo que aumentaría la temperatura del agua. Por eso pienso que no debería haber un periodo de temperatura constante.

En realidad, la temperatura no se trata realmente de la "intensidad del movimiento" de las partículas en un sistema. Esta es la razón detrás de tu confusión.

Piensa en cómo medimos la temperatura: usamos un termómetro. El termómetro no puede detectar directamente el movimiento de partículas en el sistema con el que está en contacto. Lo que el termómetro hace es ceder calor al sistema, o absorber calor del sistema. Cuando finalmente se alcanza el equilibrio, donde las tasas de flujo de calor del termómetro al sistema y del sistema al termómetro son iguales, entonces la cantidad de energía térmica restante en el termómetro nos permite inferir la temperatura.

Cuando dos sistemas (o dos fases dentro de un sistema) están en equilibrio térmico entre sí, los definimos como teniendo la misma temperatura (independientemente de lo que realmente esté ocurriendo a nivel microscópico dentro de cada sistema). Cuando un sistema tiene tendencia a perder calor hacia el otro, el primero, por definición, tiene una temperatura más alta que el segundo. Solo porque la temperatura se define de esta manera, es que un termómetro tiene la capacidad de medir la temperatura de manera confiable.

El agua que está en su punto de ebullición está en equilibrio con el agua que acaba de hervir. Si el agua sigue hirviendo, el calor que hace que eso ocurra no proviene del vapor, sino del elemento calefactor. Si retiras una tetera de la estufa, tienes una situación en la que el agua líquida no perderá calor hacia el vapor, ni el vapor perderá calor hacia el agua líquida. El agua no continuará hirviendo, ya que ya no hay entrada de energía para romper enlaces. El vapor tampoco se condensará espontáneamente en agua, porque hacerlo liberaría energía y no hay a dónde ir esa energía. Así que la proporción del agua en el sistema que es líquida, y la proporción que es gaseosa, permanecerá constante a menos que el sistema esté interactuando de alguna manera con su entorno. Internamente, el sistema está en equilibrio. Esto demuestra que el agua líquida y el vapor tienen la misma temperatura, aunque el vapor tiene más energía por molécula que el agua líquida.

De manera similar, cualquier transición de fase de primer orden (es decir, una transición de fase discontinua que implica un calor latente) es una transición de fase a temperatura constante.

Answer 3

El cambio de intacto a roto es instantáneo, pero para cada enlace. Los cambios de fase en un material a granel llevan tiempo. Mientras sucede, es la energía potencial y no la energía cinética la que está cambiando.

Para cualquier región donde la temperatura comienza a subir $\delta T$, esa energía se transfiere a un vecindario que aún no se ha transformado. Al menos para el cambio de fase cerca del equilibrio.

Answer 4

Para romper el vínculo, el movimiento de las moléculas debe ser intensificado...

Esto es incorrecto en el sentido que has indicado.

Con cada sistema ligado está asociada una energía de enlace, la cual, cuando se suministra de forma adecuada al sistema, desliga el sistema. Por ejemplo, un satélite orbitando la Tierra está unido por energía gravitacional. Para desligar el satélite se necesitaría añadir una cantidad significativa de energía para sacarlo de la órbita. Sin embargo, esto no implica que el satélite deba moverse más rápido (implying higher temperature by analogy) una vez que se rompe el vínculo.

Answer 5

Tampoco me gustan las explicaciones a un nivel energético amplio. Explican cómo funciona el registro contable, pero no realmente por qué es la forma correcta de llevar el registro contable.

Así que consideremos las cosas a nivel molecular. ¿Alguna vez has intentado tirar un trozo suelto de cinta a la basura, pero se pegó un poco a tu mano y solo llegó a la mitad de la papelera? La ruptura de los enlaces durante un cambio de fase es como eso. Las moléculas están oscilando rápidamente en un pozo de potencial profundo. De vez en cuando, una se sacude lo suficiente como para escapar del pozo de potencial, pero pierde velocidad en el camino, por lo que se mueve más despacio cuando golpea a otra molécula del líquido circundante. Mientras tanto, las moléculas restantes, en lugar de rebotar contra su vecino que se mueve rápido cuando se acercan, reciben un tirón en la dirección en la que se estaban moviendo que tiene el efecto de suavizar su rebote causado por la atracción de sus vecinos. Así que las moléculas de ambos lados ahora se están moviendo más lentamente. Este proceso también puede ocurrir en reversa, y en el punto de fusión ambas son básicamente igualmente probables. Así que añadir calor simplemente hace que más moléculas se desprendan, en comparación con el número que se vuelve a unir. Solo después de que la fusión esté completa y básicamente ya no haya reacción, la velocidad promedio aumenta.

Debo decir que esta explicación está inspirada en la descripción de Feynman de la hipótesis atómica:

que todas las cosas están hechas de átomos - pequeñas partículas que se mueven en un movimiento perpetuo, atrayéndose mutuamente cuando están a una pequeña distancia de separación, pero repeliéndose al ser comprimidas unas contra otras.