Cambios de fase. Propiedades y variables de un sistema. Parte I.

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Cuando se estudia un proceso físico o químico se debe delimitar de forma real o imaginaria una porción de la materia para observarla y estudiarla. Dicha porción de materia, que puede estar integrada por una o varias sustancias simples o compuestas, posee unas propiedades que pueden condicionar a las diferentes transformaciones que en ella sucedan y se halla en un ambiente del que puede estar separado por límites. Esta explicación nos lleva al concepto de sistema.

Un sistema se refiere a cualquier porción del universo aislado en un recipiente inerte, el cual puede ser real o imaginario. La condición de estar aislado en un recipiente permite estudiar el efecto de las diversas variables sobre el contenido del sistema.

Se denomina contorno o alrededores a la porción del universo excluida del sistema. El contenido de un sistema dado puede variar ampliamente, pudiendo ser desde una pequeña cantidad de arena (sistema real), hasta el universo entero (sistema imaginario).

Las relaciones que se dan entre el sistema y sus alrededores son de suma importancia puesto que permiten clasificar a los sistemas en tres tipos y de esta manera facilitar su estudio:

• Sistema abierto: es aquel sistema que intercambia materia y energía con sus alrededores. Ejemplos de este tipo de sistema son los seres vivos, los líquidos en la atmósfera (evaporación), entre otros.
• Sistema cerrado: es aquel sistema que se presenta cuando hay intercambio de energía entre el sistema y sus alrededores pero no de materia. Un ejemplo de ella es la evaporación parcial que experimenta un líquido colocado en un recipiente cerrado.
• Sistema aislado: es aquel sistema que se presenta cuando no hay intercambio de energía o materia con sus alrededores. Las reacciones realizadas dentro de un calorímetro adiabático son un ejemplo de este sistema.

La fase de un sistema es definida como la porción homogénea de un sistema, físicamente diferenciable, y separable mecánicamente. En función a esta definición los sistemas pueden clasificarse a su vez en dos tipos, homogéneos y heterogéneos:

• Sistema homogéneo: es aquel sistema que contiene una sola fase. Ejemplos de sistemas homogéneos son el agua, el oxígeno gaseoso, el aceite, entre otros.



   



• Sistema heterogéneo: es aquel sistema que contiene más de una fase. Ejemplo de este sistema son el agua con hielo, el líquido y el vapor, el agua y el aceite, entre otros.



      

Los sistemas a su vez poseen unas propiedades denominadas propiedades intensivas y propiedades extensivas.

Las propiedades intensivas son aquellas que son independientes de la cantidad de materia en el sistema, es decir, la densidad, la masa molar, el volumen molar, la solubilidad, el punto de fusión, el punto de ebullición, la energía molar, entre otros.

Las propiedades extensivas son aquellas que dependen de la cantidad de sustancia presente en el sistema, como la masa total, el volumen total, la temperatura, entre otras.

VARIABLES DE UN SISTEMA

Cuando se estudia un sistema siempre se indican sus propiedades. Se puede determinar el estado de un sistema a través de la descripción de sus propiedades.

Ejemplo: se tienen dos recipientes, uno con 1,5 litros de agua y otro con 15 gramos de hielo. Describa los sistemas.

Como se observa, ambos sistemas están formados por agua en diferentes estados, por lo que se señala su fórmula molecular primeramente y luego sus variables:

a) H₂ O_(l) = V:1,5 L ; T:25 °C ; P:1 atm.

b) H₂ O_(s) = V:15 g ; T:0 °C ; P:1 atm.

Esta descripción permite diferenciar a dos o más sistemas en función a su estado físico. Por ello, cada una de las cantidades que determinan y definen el estado de un sistema son llamadas variables de estado (V, T, P).

Todo sistema posee una expresión matemática que relaciona las variables de estado, la cual se denomina ecuación de estado.

La ecuación general de los gases ideales es un ejemplo de una ecuación de estado muy utilizada en química, puesto que relaciona a las variables volumen, moles, temperatura y presión (V, n, T y P):

V .P = n .R .T

En la ecuación de los gases ideales solo una variable es dependiente, ya que al fijar el valor (variables independientes) de las demás queda determinado el valor de la variable desconocida (variable dependiente).

En un sistema las variables pueden cambiar de un estado inicial a un estado final; este cambio es llamado cambio de estado. Un ejemplo de ello es la transformación física del agua sólida a agua líquida debido al cambio de la temperatura.

Ejemplo:

Estado inicial: H₂ O_(s) = V:15 g ; T:0 °C ; P:1 atm.

Estado final: H₂ O_(l) = V:15 g ; T:25 °C ; P:1 atm.

Referencias bibliográficas:

Cuerpo de redacción (1997). Mentor interactivo. Enciclopedia temática estudiantil. Editorial Océano. Barcelona, España. Pág: 200-203.