CONCEPTOS FÍSICOS

CONCEPTOS FUNDAMENTALES

estructuras disipativas constituyen la aparición de estructuras coherentes, autoorganizadas en sistemas alejados del equilibrio. Se trata de un concepto de Ilya Prigogine, que recibió el Premio Nobel de Química «por una gran contribución a la acertada extensión de la teoría termodinámica a sistemas alejados del equilibrio, que sólo pueden existir en conjunción con su entorno».

El término estructura disipativa busca representar la asociación de las ideas de orden y disipación. El nuevo hecho fundamental es que la disipación de energía y de materia, que suele asociarse a la noción de pérdida y evolución hacia el desorden, se convierte, lejos del equilibrio, en fuente de orden.

Inestabilidad de Bénard[editar]

El ejemplo clásico utilizado por Prigogine para las estructuras disipativas es la «inestabilidad de Bénard». Se trata de una capa horizontal de líquido que tiene una diferencia de temperatura entre la superficie superior e inferior producto de que esta última es calentada. Existe por tanto un gradiente de temperatura, al estar la base más caliente que la superficie, que produce la conducción de calor de abajo hacia arriba. La inestabilidad se produce cuando el gradiente sobrepasa cierto límite. En este caso el transporte de calor por conducción –colisión entre partículas— se ve aumentado por un transporte por convección, en el que las moléculas participan de un movimiento colectivo. Se forman vórtices que distribuyen la capa líquida en «celdas» de agua. Si se analiza la probabilidad de que un fenómeno como la «inestabilidad de Bénard» se produzca espontáneamente, se llega a la conclusión de que dicho fenómeno es prácticamente imposible.

Lejos del equilibrio[editar]

Lejos del equilibrio, la materia se comporta de forma diferente a las regiones cercanas al equilibrio. Las nociones de no linealidad, fluctuación, bifurcación y autoorganización son fundamentales: es el dominio de las estructuras disipativas, las que se encuentran en el origen de los estudios de sistemas complejos.

En un lenguaje vulgar, una estructura disipativa, sería la encargada de permitir alcanzar un cierto orden (muchas veces asociado al mero orden biológico) a expensas de un aporte continuo de energía externa al sistema. De ahí, que se le asocia al no equilibrio, pues origina condiciones que no son alcanzables espontáneamente, pero a las que sí se llegan, y mantienen en equilibrio, si cíclicamente se le incorpora energía. Se dice que tales sistemas concluyen en un «equilibrio estacionario».

Ilya Prigogine en uno de sus más célebres libros, de título ¿Tan sólo una ilusión?, que consta de una antología de diez ensayos (elaborados entre 1972 y 1982) en los que el autor habla con especial ahínco sobre este nuevo estado de la materia: las estructuras disipativas, asegurando que con estos novedosos conceptos se abre un «nuevo diálogo entre el hombre y la naturaleza».

Una expansión libre de un gas se puede lograr moviendo el pistón hacia fuera más rápido que los átomos del gas.

Está expansión libre es quasi-estática (pero aún irreversible)

La expansión libre es un proceso irreversible en el cual un gas se propaga en un recipiente vacío y aislado. También se le conoce como expansión de Joule.

Los gases reales experimentan un cambio de temperatura durante la expansión libre. Para un gas ideal, la temperatura no cambia, y las condiciones antes y después de la expansión libre adiabática satisface

${\displaystyle (P_{i})(V_{i})=(P_{f})(V_{f})}$, donde P es la presión, V es el volumen, y i y f refiere a los estados iniciales y finales. Dado que el gas se expande, V_f > V_i , lo que implica que la presión cae (P_f < P_i).

Durante expansión libre, ningún trabajo es realizado por el gas. El gas pasa a través de los estados que no están en equilibrio termodinámico antes de llegar a su estado final, lo que implica que no se pueden definir parámetros termodinámicos como valores del gas en su conjunto. Por ejemplo, la presión cambia localmente de punto a punto, y el volumen ocupado por el gas (el cual está formado de partículas) no es una cantidad bien definida.

Una expansión libre se consigue típicamente mediante la apertura de una llave de paso que permite que el gas se expanda en un vacío. Aunque sería difícil de lograr en la realidad, es instructivo imaginar una expansión libre causada por un pistón en movimiento más rápido que prácticamente cualquier átomo. Ningún trabajo se hace porque no hay presión sobre el pistón. Sin energía térmica que sale o entra en el pistón. Sin embargo, hay un cambio de entropía. Pero la fórmula bien conocida para el cambio de entropía,

${\displaystyle \Delta S=\int {\frac {dQ_{rev}}{T}}\,,}$

no se aplica debido a que el proceso no es un proceso termodinámico reversible. Para un gas ideal, el cambio en entropía es el mismo que para el Efecto Joule-Thomson:¹​

${\displaystyle \Delta S=\int _{i}^{f}\mathrm {d} S=\int _{V_{i}}^{V_{f}}{\frac {P\,\mathrm {d} V}{T}}=\int _{V_{i}}^{V_{f}}{\frac {nR\,\mathrm {d} V}{V}}=nR\ln {\frac {V_{f}}{V_{i}}}.}$

fase (del latín phase: partes o fase) a cada una de las zonas macroscópicas del espacio de una composición química, y sus propiedades físicas homogéneas, que forman un sistema. Los sistemas monofásicos se denominan homogéneos, y los que están formados por varias fases se denominan mezclas o sistemas heterogéneos.

Se debe distinguir entre fase y estado de agregación de la materia. Por ejemplo, el grafito y el diamante son dos formas alotrópicas del carbono; son, por lo tanto, fases distintas, pero ambas pertenecen al mismo estado de agregación (sólido). También es frecuente confundir fase y microconstituyente; por ejemplo, en un acero cada grano de perlita es un microconstituyente, pero está formado por dos fases, ferrita y cementita.

Los líquidos provenientes de diferentes reacciones suelen contener diferentes fases, es decir, dos o más líquidos que se separan tras un corto tiempo en reposo, generalmente se obtiene una fase acuosa y otra orgánica. Una fase posee características físicas y químicas relativamente homogéneas y puede constar de uno o varios compuestos. Sin embargo, cuando las propiedades de otro o más compuestos difieren en tal grado que dejan de ser compatibles, entonces hay separación de fases. Esta característica se observa, por ejemplo, al mezclar agua y aceite y dejarlos reposar unos minutos. Se observa una línea divisoria o interfase, dado que estos materiales no son compatibles y se separan en fases.

Una fase tiene las siguientes características:

1. La misma estructura o arreglo atómico a lo largo de ella;
2. casi la misma composición y propiedades a lo largo de ella, y
3. una interfaz definida entre la fase y cualquier fase circundante o adjunta.

Separación de fases[editar]

Artículo principal: Métodos de separación de fases

La separación en fases es señal clara de la falta de miscibilidad del sistema. Estas fases se pueden separar por medio de diferentes operaciones unitarias como:

• Tamización
• Levigación
• Decantación
• Filtración
• Evaporación
• Destilación
• Cristalización
• Imantación

Estas fases también se pueden miscibilizar por medio de un agente llamado emulsificante o de manera incorrecta tensoactivo, debido a que modifica la tensión superficial entre los elementos de las fases, el cual contiene en su molécula una parte miscible con una fase y otra parte miscible con la segunda. Con esto se logra que el líquido (o sólido) se mezcle y macroscópicamente aparente ser uno solo.

Regla de las fases[editar]

Josiah Willard Gibbs un físico y matemático estadounidense desarrollo la regla de las fases para un sistema dado y las condiciones que pueden permitirse que varíen (temperatura, presión, etc.). Dicha regla es descrita por la siguiente ecuación:

L = C - F + 2

Donde:

L: Grados de libertad

C: número de componentes químicos del sistema

F: número de fases en equilibrio

foco calórico o foco calorífico es cualquier sistema termodinámico capaz de intercambiar cualquier cantidad de calor sin que cambien sus propiedades, es decir, que si en el estado A posee unas presión, volumeny temperatura (P,V,T) determinadas, tras perder o ganar calor y alcanzar el estado B, mantendrá las mismas presión, volumen y temperatura iniciales.

Los focos calóricos no tienen restricciones a la hora de emitir calor, o sea, pueden transmitir calor de modo perfecto por conducción, convección y radiación.

Obviamente esta definición es una idealización ya que, en la práctica, no existen focos caloríficos. Ahora bien, según la escala en la que se trabaje sí que se pueden considerar ciertas cosas como focos caloríficos; por ejemplo, el Sol respecto de una persona en la Tierra puede ser tratado como un foco calórico, porque el calor que recibe la persona del Sol provoca una variación irrelevante en éste.

Frío, del latín frigĭdus, o mejor dicho ausencia de calor¹​ se define según la RAE como aquel cuerpo que tiene una temperatura muy inferior a la ordinaria del ambiente.²​ Se define como una propiedad adjetiva de un cuerpo, sin aportar una definición del sustantivo. El frío, en sí, es una temperatura baja (o la ausencia de una temperatura elevada), tratándose por lo tanto de una consecuencia del calor, y no de un fenómeno independiente.

Sensación de frío[editar]

El frío no es solo un hecho (temperatura baja), sino también una cuestión relacionada con la percepción de un individuo, y por ello subjetiva. Para el ser humano, la percepción de la temperatura se basa principalmente en la facilidad que tiene un determinado objeto para sustraer calor del individuo, es decir, que para dos objetos a una misma temperatura, una persona percibirá más frío a aquel objeto que tenga más facilidad para extraerle energía en forma de calor.

Las regiones de la Tierra con menores temperaturas son los polos, debido a que en esas áreas llegan menos rayos solares. La temperatura más baja que se ha registrado en la Tierra ha sido de -93 °C en la base Japonesa de Domo Fuji, ubicada a 3.786 metros sobre el nivel del mar siendo así la base ubicada a mayor altura en la Antártida.³​

Las temperaturas en planetas más alejados del Sol que la Tierra son mucho menores. En Neptuno, por ejemplo, se pueden llegar a alcanzar temperaturas de 55 Kelvin, unos -218 °C.⁴​

La Nebulosa Boomerang es el sitio más frío que se conoce en el universo con una temperatura estimada de 1 Kelvin, que equivale aproximadamente a -272 °C.⁵​

Sensación de frío en el ser humano[editar]

La sensación de frío varía en cada persona según la costumbre hacia las bajas temperaturas, la región donde viva, la estación, y también a veces, de que tan cerrado es el ambiente donde esté (ej: el estar en una habitación pequeña con el aire acondicionado a 18 °C en un ambiente caluroso da la sensación de frío).

Generalmente es considerado frío en el ambiente (en la mayoría de los países templados) a temperaturas menores de 10 °C, y fresco por alrededor de los 15 °C. La sensación de frío se incrementa si hay viento. Si hay bastante humedad respecto a la temperatura, se puede ver el vapor de agua en nuestra exhalación.

Enfriamiento[editar]

Artículo principal: Refrigeración

La refrigeración es el proceso por el que se logra un descenso de la temperatura, para ello se elimina calor de un sistema o exponiendo un sistema a un entorno con una temperatura menor.

Los fluidos que se utilizan para refrigerar otros cuerpos se denominan refrigerantes.

La congelación y la criogenia son procesos relacionados, con el objetivo de alcanzar temperaturas más bajas.

La aplicación más importante y cotidiana del frío es la conservación de alimentos a bajas temperaturas gracias a las condiciones de latencia en las que entran los microorganismos culpables de la destrucción de los alimentos.