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Enthalpy of Sublimation

1850

Germain Hess

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

La entalpía de sublimación, [latex]Delta H_{text{sub}}[/latex], es el calor necesario para convertir un mol de una sustancia de sólido a gas a una temperatura y 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).

El cambio de entalpía para el camino directo es la entalpía de sublimación, [latex]\Delta H_{\text{sub}}[/latex]. El cambio de entalpía para el camino de dos pasos es la suma de la entalpía de fusión ([latex]\Delta H_{\text{fus}}[/latex], para la transición sólido-líquido) y la entalpía de vaporización ([latex]\Delta H_{\text{vap}}[/latex], para la transición líquido-gas). Dado que los estados inicial y final son idénticos para ambas vías, la Ley de Hess dicta que sus cambios totales de entalpía deben ser iguales. Este principio es increíblemente útil porque permite calcular un cambio de entalpía desconocido a partir de valores conocidos. Por ejemplo, si las entalpías de fusión y vaporización son experimentalmente más fáciles de medir que la entalpía de sublimación, esta última puede calcularse con precisión. Estos datos son cruciales para ingenieros químicos y físicos a la hora de diseñar procesos y modelizar fenómenos físicos en los que la sublimación es un factor clave, como en la deposición de materiales, la criogenia y la astrofísica.

Química, Criogenia, Energía, Entalpía, Tratamiento térmico, Ciencias de los materiales, Diagrama de fases, Optimización de procesos, Termodinámica

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)
the first law of thermodynamics (conservation of energy)

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
thermodynamic database development for materials science

Patentes:

Ideas para posibles innovaciones

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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].

1841

1845

1850

1839-01-01

1842

1847

1850

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.

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)