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Enthalpy of Sublimation

1850
  • Germain Hess
Científico midiendo la sublimación en un laboratorio antiguo, estudio de termodinámica.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

The enthalpy of sublimation, [latex]\Delta H_{\text{sub}}[/latex], is the heat required to convert one mole of a substance from solid to gas at a given temperature and presiónSegún la ley de Hess, dado que la entalpía es una función de estado, este cambio de energía es la suma de la entalpía de fusión ([latex]Delta H_{text{fus}}[/latex]) y la entalpía de vaporización ([latex]Delta H_{text{vap}}[/latex]).

La relación [latex]\Delta H_{\text{sub}} = \Delta H_{{text{fus}} + \Delta H_{\text{vap}}[/latex] es una aplicación directa de la Ley de Hess de Sumación de Calor Constante, un principio fundamental en termoquímica. Esta ley establece que el cambio total de entalpía durante un proceso químico o físico es el mismo independientemente de la vía tomada, siempre que los estados inicial y final sean los mismos. En este contexto, el estado inicial es la fase sólida y el estado final es la fase gaseosa. Se pueden imaginar dos caminos para pasar del sólido al gas: un camino directo de un solo paso (sublimación) o un camino de dos pasos (fusión del sólido para convertirlo en líquido y, a continuación, vaporización del líquido para convertirlo en gas).

The enthalpy change for the direct path is the enthalpy of sublimation, [latex]\Delta H_{\text{sub}}[/latex]. The enthalpy change for the two-step path is the sum of the enthalpy of fusion ([latex]\Delta H_{\text{fus}}[/latex], for the solid-to-liquid transition) and the enthalpy of vaporization ([latex]\Delta H_{\text{vap}}[/latex], for the liquid-to-gas transition). Since the initial and final states are identical for both pathways, Hess’s Law dictates that their total enthalpy changes must be equal. This principle is incredibly useful because it allows for the calculation of an unknown enthalpy change from known values. For instance, if the enthalpies of fusion and vaporization are experimentally easier to measure than the enthalpy of sublimation, the latter can be calculated accurately. This data is crucial for chemical engineers and physicists in designing processes and modeling physical phenomena where sublimation is a key factor, such as in material deposition, criogenia, y astrofísica.

UNESCO Nomenclature: 2210
- Termodinámica

Tipo

Derecho físico

Ruptura

Fundacional

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Trabajos de Antoine Lavoisier y Pierre-Simon Laplace sobre calorimetría y cambios de calor en las reacciones químicas.
  • the development of the concept of enthalpy (heat content)
  • el primera ley de termodinámica (conservación de la energía)

Aplicaciones

  • calculating energy requirements for industrial freeze-drying processes
  • modeling the ablation of heat shields on spacecraft during atmospheric reentry
  • predicting the behavior of comets as they approach the sun
  • designing chemical purification apparatus based on sublimation
  • termodinámica desarrollo de bases de datos para la ciencia de los materiales

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

  • developing novel refrigerants that use the sublimation-deposition cycle for high-efficiency cooling
  • Creación de amortiguadores de temperatura autorregulables para cargas sensibles utilizando materiales con una entalpía de sublimación específica.
  • designing atmospheric captura de carbono systems that freeze co2 and then sublime it for collection
  • Formulación de materiales energéticos para la propulsión de cohetes que se subliman antes de la combustión para una mejor mezcla.
  • engineering phase-change materials for almacenamiento de energía térmica that utilize the solid-gas transition
  • Fabricación de envases biodegradables que se desintegran mediante sublimación controlada.
  • Desarrollar supresores de incendios avanzados que se subliman en un gas inerte, sofocando las llamas sin dejar residuos.
  • Creación de nieve artificial para pistas de esquí cubiertas con tasas de sublimación personalizadas para una mejor textura
  • Diseño de drones sublimadores para vigilancia encubierta que no dejan rastro físico después de su misión.
  • Herramientas de crioablación médica que utilizan sublimación para la eliminación precisa de tejido.
Relacionado con: entalpía de sublimación, ley de Hess, termoquímica, transición de fase, entalpía de fusión, entalpía de vaporización, función de estado, termodinámica, calor de sublimación, energía.

Contexto histórico

Demostración del calentamiento Joule en un laboratorio antiguo con aparatos eléctricos.

Calefacción Joule y energía eléctrica

El calentamiento Joule, o calentamiento óhmico, es el fenómeno en el que se produce calor por el paso de una corriente eléctrica a través de un conductor. La tasa de generación de calor, o potencia disipada ([latex]P[/latex]), viene dada por la primera ley de Joule, [latex]P = VI[/latex]. Combinando esto con la ley de Ohm, la potencia puede expresarse como [latex]P = I^2 R[/latex] o [latex]P = \frac{V^2}{R}[/latex].
Aparato de laboratorio para medir la energía interna y la entalpía de un gas perfecto en termodinámica.

Energía interna y entalpía de un gas perfecto

Para un gas perfecto, la energía interna ([latex]U[/latex]) y la entalpía ([latex]H[/latex]) son sólo funciones de la temperatura. Sus cambios vienen dados por [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] y [latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex], donde [latex]c_v[/latex] y [latex]c_p[/latex] son los calores específicos a volumen y presión constantes, respectivamente, y se suponen constantes.
Investigador probando las propiedades viscoelásticas de un polímero sintético en un laboratorio.

Viscoelasticidad

La viscoelasticidad es la propiedad de los materiales que presentan características viscosas y elásticas al deformarse. Los materiales viscosos, como la miel, resisten el flujo cortante y la deformación linealmente con el tiempo cuando se les aplica una tensión. Los materiales elásticos, como una banda elástica, se deforman al estirarse y vuelven rápidamente a su estado original una vez que se elimina la tensión. Los materiales viscoelásticos tienen elementos de ambos.

Enthalpy of Sublimation

Ingenieros diseñando un motor térmico eficiente en un laboratorio, ilustrando las aplicaciones de la termodinámica.

Segunda ley de la termodinámica

La Segunda Ley introduce el concepto de entropía y define la dirección de los procesos espontáneos. Puede expresarse de varias maneras, pero una consecuencia clave es que la entropía total de un sistema aislado nunca puede disminuir con el tiempo. Esta ley explica la «flecha del tiempo» y por qué los procesos son irreversibles, como el calor que fluye espontáneamente de un cuerpo caliente a uno frío.
Escena de laboratorio que ilustra experimentos termodinámicos sobre el modelo de gas perfecto.

El modelo del gas perfecto

Un gas perfecto es un modelo teórico de un gas en el que se desprecian las fuerzas intermoleculares y se supone que las capacidades caloríficas específicas ([latex]C_P[/latex] y [latex]C_V[/latex]) son constantes con respecto a la temperatura. Esto simplifica considerablemente los cálculos termodinámicos. Es un caso específico del gas ideal, en el que los calores específicos pueden variar con la temperatura, lo que lo convierte en un modelo más restringido.
Escena de laboratorio del siglo XIX con Ludwig Boltzmann estudiando la ley del gas ideal en termodinámica estadística.

Ley de los gases ideales (forma estadística)

La formulación de mecánica estadística de la ley de los gases ideales expresa la relación en términos de las propiedades microscópicas del gas. Relaciona la presión ([latex]P[/latex]) y el volumen ([latex]V[/latex]) con el número total de partículas ([latex]N[/latex]) y la temperatura absoluta ([latex]T[/latex]) a través de la constante de Boltzmann ([latex]k_B[/latex]): [latex]PV = Nk_BT[/latex].
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Instalación de paneles solares para demostrar el efecto fotovoltaico en la física del estado sólido.

El efecto fotovoltaico

El efecto fotovoltaico es la generación de voltaje y corriente eléctrica en un material al exponerlo a la luz. Es un fenómeno físico-químico. Una aplicación común es la célula solar, que utiliza este efecto para convertir la luz solar directamente en electricidad. El efecto se basa en que los fotones de luz excitan a los electrones a un estado de mayor energía.
Laboratorio del siglo XIX con instrumentos termodinámicos y ecuaciones de relación de Mayer.

Relación de Mayer (termodinámica)

La relación de Mayer relaciona los calores específicos de un gas perfecto con la constante específica de los gases ([latex]R_s[/latex]). La relación es [latex]c_p - c_v = R_s[/latex]. Para los calores específicos molares ([latex]C_p[/latex] y [latex]C_v[/latex]), la relación es [latex]C_p - C_v = R[/latex], donde [latex]R[/latex] es la constante universal de los gases. Esto demuestra que [latex]c_p[/latex] es siempre mayor que [latex]c_v[/latex].
Laboratorio del siglo XIX con físicos que estudian los principios de conservación de la energía.

Conservación de energía

Principio fundamental según el cual la energía total de un sistema aislado permanece constante a lo largo del tiempo. La energía no puede crearse ni destruirse, sólo transformarse de una forma a otra, por ejemplo, de energía potencial a energía cinética. En mecánica clásica, para sistemas con sólo fuerzas conservativas, la energía mecánica total [latex]E = T + V[/latex] se conserva.
Montaje de laboratorio para medir la viscosidad de los fluidos a distintas temperaturas en termodinámica.

Dependencia de la temperatura de la viscosidad

En un fluido newtoniano, la viscosidad es función de la temperatura y la presión, pero no de la velocidad de cizallamiento. En líquidos, la viscosidad disminuye significativamente al aumentar la temperatura, ya que una mayor energía térmica permite que las moléculas superen las fuerzas intermoleculares cohesivas con mayor facilidad. Por el contrario, en gases, la viscosidad aumenta con la temperatura, ya que las colisiones moleculares más frecuentes a mayor velocidad provocan una mayor transferencia de momento.
Experimento de laboratorio que demuestra la Primera Ley de la Termodinámica con un motor térmico.

Primera ley de la termodinámica

La Primera Ley es un enunciado de la conservación de la energía. Postula que el cambio en la energía interna de un sistema cerrado ([latex]\Delta U[/latex]) es igual al calor suministrado al sistema ([latex]Q[/latex]) menos el trabajo realizado por el sistema sobre su entorno ([latex]W[/latex]). La ecuación rectora es [latex]\Delta U = Q - W[/latex]. Esta ley relaciona el calor, el trabajo y la energía interna, estableciendo el calor como una forma de transferencia de energía.
Químico realizando experimentos con catalizadores en un laboratorio de época, 1850.

Catalizador en equilibrio químico

Un catalizador aumenta la velocidad de las reacciones directa e inversa por igual al proporcionar una vía de reacción alternativa con menor energía de activación. Si bien un catalizador permite que un sistema alcance el equilibrio mucho más rápido, no altera la posición del equilibrio en sí. Las concentraciones de equilibrio de reactivos y productos, así como el valor de la constante de equilibrio K, permanecen inalterados.
Químico del siglo XIX que mide el volumen de los gases para ilustrar la ley de los gases ideales en termodinámica.

Ley de los gases ideales (forma molar)

La ley de los gases ideales es la ecuación de estado de un gas ideal hipotético, que aproxima el comportamiento de muchos gases en diversas condiciones. La forma molar relaciona la presión ([latex]P[/latex]), el volumen ([latex]V[/latex]), la cantidad de sustancia en moles ([latex]n[/latex]) y la temperatura absoluta ([latex]T[/latex]) mediante la constante universal de los gases ([latex]R[/latex]): [latex]PV = nRT[/latex].
Aparatos de laboratorio para medir la presión de vapor y la temperatura en termodinámica.

Relación de Clausius-Clapeyron

La relación Clausius-Clapeyron describe la relación entre presión y temperatura para una sustancia en una transición de fase, como líquido y vapor. Para el vapor de agua, muestra que la presión de vapor de saturación aumenta exponencialmente con la temperatura. La forma aproximada es [latex]\frac{dp}{dT} = \frac{L}{T(V_v - V_l)} \approx \frac{L p}{R_v T^2}[/latex], donde L es el calor latente.

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

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