TERMODINÁMICA

sistema aislado mecánicamente es un sistema que se restringe mecánicamente para evitar las deformaciones, de modo que no puede realizar ningún trabajo en su entorno. Sin embargo, puede intercambiar calor a través de los límites del sistema.

Para un sistema simple, el aislamiento mecánico es equivalente a un estado de volumen constante y cualquier proceso que ocurra en un sistema tan simple se dice que es isocórico . ^[1]

Lo opuesto a un sistema aislado mecánicamente es un sistema abierto mecánicamente, ^{[ cita requerida ]} que permite la transferencia de energía mecánica. Para un sistema simple, un límite abierto mecánicamente es uno que puede moverse bajo diferencias de presión entre los dos lados del límite. En el equilibrio mecánico , las presiones en ambos lados de un límite abierto mecánicamente son iguales, pero solo un límite aislado mecánicamente puede soportar las diferencias de presión.

La fusión , o fusión , es un proceso físico que resulta en la transición de fase de una sustancia de un sólido a un líquido . Esto ocurre cuando la energía interna del sólido aumenta, generalmente por la aplicación de calor o presión , lo que aumenta la temperatura de la sustancia hasta el punto de fusión . En el punto de fusión, el ordenamiento de los iones o moléculas en el sólido se descompone en un estado menos ordenado, y el sólido se funde para convertirse en un líquido.

Las sustancias en estado fundido generalmente tienen una viscosidadreducida a medida que aumenta la temperatura. Una excepción a este principio es el elemento azufre , cuya viscosidad aumenta hasta un punto debido a la polimerización y luego disminuye con temperaturas más altas en su estado fundido. ^[1]

Algunos compuestos orgánicos se funden a través de las mesofases , estados de orden parcial entre sólido y líquido.

Los cubitos de hielo que se derriten ilustran el proceso de fusión.

La fusión como una transición de fase de primer orden [ editar ]

Desde el punto de vista de la termodinámica, en el punto de fusión, el cambio en la energía libre de Gibbs ∆G de las sustancias es cero, pero hay cambios distintos a cero en la entalpía ( H ) y la entropía ( S ), conocidas respectivamente como entalpía de fusión (o calor latente de fusión) y la entropía de fusión . Por lo tanto, la fusión se clasifica como una transición de fase de primer orden . La fusión ocurre cuando la energía libre de Gibbs del líquido se vuelve más baja que el sólido para ese material. La temperatura a la que ocurre esto depende de la presión ambiente.

El helio a baja temperatura es la única excepción conocida a la regla general. ^[2] El helio-3 tiene una entalpía negativa de fusión a temperaturas por debajo de 0.3 K. El helio-4 también tiene una entalpía de fusión muy ligeramente negativa por debajo de 0.8 K. Esto significa que, a presiones constantes apropiadas, el calor debe eliminarse de estas sustancias Para derretirlos. ^[3]

Criterios de fusión [ editar ]

Entre los criterios teóricos para la fusión, los criterios de Lindemann ^[4] y Born ^[5] son los más utilizados como base para analizar las condiciones de fusión. El criterio de Lindemann indica que la fusión se produce debido a la inestabilidad de la vibración, por ejemplo, los cristales se funden cuando la amplitud promedio de las vibraciones térmicas de los átomos es relativamente alta en comparación con las distancias interatómicas, por ejemplo < δu ²> ^1/2 > δ _L R _s , donde δu es el Desplazamiento atómico, el parámetro de Lindemann δ _L ≈ 0.20 ... 0.25 y R _sEs la mitad de la distancia interatómica. ^[6] : 177 El criterio de fusión de Lindemann está respaldado por datos experimentales tanto para materiales cristalinos como para transiciones de vidrio-líquido en materiales amorfos. El criterio de Born se basa en la catástrofe de rigidez causada por el módulo de corte elástico que se desvanece, por ejemplo, cuando el cristal ya no tiene la rigidez suficiente para soportar mecánicamente la carga. ^[7]

Supercooling [ editar ]

Artículo principal: Supercooling

Bajo un conjunto estándar de condiciones, el punto de fusión de una sustancia es una propiedad característica. El punto de fusión es a menudo igual al punto de congelación . Sin embargo, en condiciones cuidadosamente creadas, puede producirse un sobrecalentamiento o un sobrecalentamiento más allá del punto de fusión o de congelación. El agua en una superficie de vidrio muy limpia a menudo se enfriará varios grados por debajo del punto de congelación sin congelarse. Las emulsiones finas de agua pura se han enfriado a -38 grados Celsius sin nucleación para formar hielo . ^{[ cita requerida ]}La nucleación ocurre debido a las fluctuaciones en las propiedades del material. Si el material se mantiene quieto, a menudo no hay nada (como una vibración física) para desencadenar este cambio, y puede producirse un sobreenfriamiento (o un sobrecalentamiento). Termodinámicamente, el líquido sobreenfriado está en el estado metaestable con respecto a la fase cristalina y es probable que cristalice de repente.

Fusión de sólidos amorfos (vidrios) [ editar ]

Los vidrios son sólidos amorfos que generalmente se fabrican cuando el material fundido se enfría muy rápidamente por debajo de su temperatura de transición vítrea, sin tiempo suficiente para que se forme una red cristalina regular. Los sólidos se caracterizan por un alto grado de conectividad entre sus moléculas, y los fluidos tienen una menor conectividad de sus bloques estructurales. La fusión de un material sólido también puede considerarse como una percolación a través de conexiones rotas entre partículas, por ejemplo, enlaces de conexión. ^[8] En este enfoque de fusión de un material amorfo que ocurre cuando los enlaces rotos forman un grupo de percolación con T _g depende de cuasi-equilibrio parámetros termodinámicos de bonos por ejemplo, en entalpía ( H _d ) y la entropía ( S_d ) de formación de enlaces en un sistema dado en condiciones dadas: ^[9]

$${\ displaystyle T_ {g} = {\ frac {H_ {d}} {S_ {d} + R \ ln ({\ frac {1-f_ {c}} {f_ {c}}})}},}

donde f _c es el umbral de percolación y R es la constante de gas universal. Aunque H _d y S _d no son verdaderos parámetros termodinámicos de equilibrio y pueden depender de la velocidad de enfriamiento de una masa fundida, se pueden encontrar a partir de los datos experimentales disponibles sobre la viscosidad de los materiales amorfos .

Incluso por debajo de su punto de fusión, se pueden observar películas casi líquidas en las superficies cristalinas. El espesor de la película es dependiente de la temperatura. Este efecto es común para todos los materiales cristalinos. La fusión previa muestra sus efectos, por ejemplo, en el levantamiento de las heladas, el crecimiento de los copos de nieve y, teniendo en cuenta las interfaces de los límites de grano, tal vez incluso en el movimiento de los glaciares .

principio de energía potencial total mínima es un concepto fundamental utilizado en física e ingeniería . Dicta que a bajas temperaturas, una estructura o cuerpo se deformará o desplazará a una posición que (localmente) minimice la energía potencial total , convirtiéndose la energía potencial perdida en energía cinética(específicamente calor).

Algunos ejemplos [ editar ]

• Un protón libre y un electrón libre tenderán a combinarse para formar el estado de menor energía (el estado fundamental ) de un átomo de hidrógeno , la configuración más estable . Esto se debe a que la energía de ese estado es 13.6 voltios de electrones (eV) más baja que cuando las dos partículas están separadas por una distancia infinita . La disipación en este sistema toma la forma de emisión espontánea de radiación electromagnética , lo que aumenta la entropía del entorno.
• Una bola rodante terminará estacionaria en la parte inferior de una colina, el punto de energía potencial mínima. La razón es que a medida que se desplaza hacia abajo bajo la influencia de la gravedad , la fricciónproducida por su movimiento transfiere energía en forma de calor del entorno con un aumento de entropía.
• Una proteína se pliega al estado de energía potencial más baja . En este caso, la disipación toma la forma de vibración de átomos dentro o adyacentes a la proteína.

Mecánica estructural [ editar ]

La energía potencial total, $${\ displaystyle {\ boldsymbol {\ Pi}}}, es la suma de la energía de tensión elástica, U , almacenada en el cuerpo deformado y la energía potencial, V , asociada a las fuerzas aplicadas: ^[1]

$${\ displaystyle {\ boldsymbol {\ Pi}} = \ mathbf {U} + \ mathbf {V} \ qquad \ mathrm {(1)}}

Esta energía está en una posición estacionaria cuando una variación infinitesimal de tal posición no implica ningún cambio en la energía: ^[1]

$${\ displaystyle \ delta {\ boldsymbol {\ Pi}} = \ delta (\ mathbf {U} + \ mathbf {V}) = 0 \ qquad \ mathrm {(2)}}

El principio de energía potencial total mínima puede derivarse como un caso especial del principio de trabajo virtual para sistemas elásticos sujetos a fuerzas conservadoras .

La igualdad entre el trabajo virtual externo e interno (debido a los desplazamientos virtuales) es:

$${\ displaystyle \ int _ {S_ {t}} \ delta \ \ mathbf {u} ^ {T} \ mathbf {T} dS + \ int _ {V} \ delta \ \ mathbf {u} ^ {T} \ mathbf {f} dV = \ int _ {V} \ delta {\ boldsymbol {\ epsilon}} ^ {T} {\ boldsymbol {\ sigma}} dV \ qquad \ mathrm {(3)}}

dónde

$${\ displaystyle \ mathbf {u}} = vector de desplazamientos

$${\ displaystyle \ mathbf {T}} = vector de fuerzas distribuidas que actúan sobre la parte $${\ displaystyle S_ {t}} de la superficie

$${\ displaystyle \ mathbf {f}} = vector de las fuerzas del cuerpo

En el caso especial de cuerpos elásticos, el lado derecho de (3) puede tomarse como el cambio, $${\ displaystyle \ delta \ mathbf {U}}, de energía de deformación elástica U debida a variaciones infinitesimales de desplazamientos reales. Además, cuando las fuerzas externas son fuerzas conservadoras , el lado izquierdo de (3) puede verse como el cambio en la función de energía potencial V de las fuerzas. La función V se define como: ^[2]

$${\ displaystyle \ mathbf {V} = - \ int _ {S_ {t}} \ mathbf {u} ^ {T} \ mathbf {T} dS- \ int _ {V} \ mathbf {u} ^ {T} \ mathbf {f} dV}

donde el signo menos implica una pérdida de energía potencial a medida que la fuerza se desplaza en su dirección. Con estas dos condiciones subsidiarias, (3) se convierte en:

$${\ displaystyle - \ delta \ \ mathbf {V} = \ delta \ \ mathbf {U}}

Esto lleva a (2) como se desee. La forma variacional de (2) a menudo se usa como base para desarrollar el método de elementos finitos en mecánica estructural .