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Las propiedades físicas de los materiales y sistemas a menudo se pueden clasificar como intensivas o extensivas , según cómo cambia la propiedad cuando cambia el tamaño (o extensión) del sistema. Según la IUPAC , una cantidad intensiva es aquella cuya magnitud es independiente del tamaño del sistema [1], mientras que una cantidad extensiva es aquella cuya magnitud es aditiva para los subsistemas. [2]

Una propiedad intensiva no depende del tamaño del sistema o de la cantidad de material en el sistema. No se distribuye necesariamente de forma homogénea en el espacio; puede variar de un lugar a otro en un cuerpo de materia y radiación. Los ejemplos de propiedades intensivas incluyen temperatura , T ; índice de refracción , n ; densidad , ρ ; y dureza de un objeto, η .

Por el contrario, propiedades extensivas como la masa , el volumen y la entropía de los sistemas son aditivas para los subsistemas. [3]

Aunque a menudo es conveniente definir cantidades físicas para hacerlas intensivas o extensivas, no necesariamente entran en esas clasificaciones. Por ejemplo, la raíz cuadrada de la masa no es ni intensiva ni extensiva. [4]

Los términos cantidades intensivas y extensivas fueron introducidos en la física por el escritor alemán Georg Helm en 1898 y por el físico y químico estadounidense Richard C. Tolman en 1917. [4] [5]

Propiedades intensivas [ editar ]

Una propiedad intensiva es una cantidad física cuyo valor no depende de la cantidad de sustancia para la que se mide. Por ejemplo, la temperatura de un sistema en equilibrio térmico es la misma que la temperatura de cualquier parte del mismo. Si el sistema está dividido por una pared permeable al calor oa la materia, la temperatura de cada subsistema es idéntica; si un sistema está dividido por una pared impermeable al calor y la materia, entonces los subsistemas pueden tener diferentes temperaturas. Lo mismo ocurre con la densidadde un sistema homogéneo; si el sistema se divide por la mitad, las propiedades extensivas, como la masa y el volumen, se dividen cada una por la mitad, y la propiedad intensiva, la densidad, permanece igual en cada subsistema. Además, el punto de ebullición de una sustancia es otro ejemplo de propiedad intensiva. Por ejemplo, el punto de ebullición del agua es de 100 ° C a una presión de una atmósfera , lo que sigue siendo cierto independientemente de la cantidad.

La distinción entre propiedades intensivas y extensivas tiene algunos usos teóricos. Por ejemplo, en termodinámica, el estado de un sistema compresible simple está completamente especificado por dos propiedades intensivas independientes, junto con una propiedad extensiva, como la masa. Otras propiedades intensivas se derivan de esas dos variables intensivas.

Ejemplos [ editar ]

Ejemplos de propiedades intensivas incluyen: [3] [5] [4]

  • potencial químico , μ
  • color [6]
  • concentración , c
  • densidad , ρ (o gravedad específica )
  • permeabilidad magnética , μ
  • punto de fusión y punto de ebullición [7]
  • molalidad , m o b
  • presión , p
  • índice de refracción
  • Conductancia específica (o conductividad eléctrica)
  • capacidad calorífica específica , c p
  • energía interna específica , u
  • rotación específica , [ α ]
  • volumen específico , v
  • potencial de reducción estándar , [7] E °
  • tensión superficial
  • temperatura , T
  • conductividad térmica
  • viscosidad

Consulte la Lista de propiedades de los materiales para obtener una lista más exhaustiva específicamente relacionada con los materiales.

Amplias propiedades [ editar ]

Una propiedad extensiva es una cantidad física cuyo valor es proporcional al tamaño del sistema que describe, oa la cantidad de materia en el sistema. Por ejemplo, la masa de una muestra es una cantidad extensa; depende de la cantidad de sustancia. La cantidad intensiva relacionada es la densidad que es independiente de la cantidad. La densidad del agua es de aproximadamente 1g / mL si se considera una gota de agua o una piscina, pero la masa es diferente en los dos casos.

Dividir una propiedad extensiva por otra propiedad extensiva generalmente da un valor intensivo; por ejemplo: masa (extensiva) dividida por volumen (extensiva) da densidad (intensiva).

Ejemplos [ editar ]

Ejemplos de propiedades extensivas incluyen: [3] [5] [4]

  • cantidad de sustancia , n
  • energía , E
  • entalpía , H
  • entropía , S
  • Energía de Gibbs , G
  • capacidad calorífica , C p
  • Energía de Helmholtz , A o F
  • energía interna , U
  • masa , m
  • volumen , V

Cantidades conjugadas [ editar ]

En termodinámica, algunas cantidades extensivas miden cantidades que se conservan en un proceso termodinámico de transferencia. Se transfieren a través de una pared entre dos sistemas termodinámicos o subsistemas. Por ejemplo, las especies de materia pueden transferirse a través de una membrana semipermeable. Asimismo, se puede pensar que el volumen se transfiere en un proceso en el que hay un movimiento de la pared entre dos sistemas, aumentando el volumen de uno y disminuyendo el del otro en cantidades iguales.

Por otro lado, algunas cantidades extensivas miden cantidades que no se conservan en un proceso termodinámico de transferencia entre un sistema y su entorno. En un proceso termodinámico en el que una cantidad de energía se transfiere desde el entorno hacia o desde un sistema en forma de calor, una cantidad correspondiente de entropía en el sistema aumenta o disminuye respectivamente, pero, en general, no en la misma cantidad que en el alrededores. Asimismo, un cambio en la cantidad de polarización eléctrica en un sistema no necesariamente se corresponde con un cambio correspondiente en la polarización eléctrica en el entorno.

En un sistema termodinámico, las transferencias de grandes cantidades están asociadas con cambios en las respectivas cantidades intensivas específicas. Por ejemplo, una transferencia de volumen está asociada con un cambio de presión. Un cambio de entropía está asociado con un cambio de temperatura. Un cambio en la cantidad de polarización eléctrica está asociado con un cambio de campo eléctrico. Las cantidades extensivas transferidas y sus respectivas cantidades intensivas asociadas tienen dimensiones que se multiplican para dar las dimensiones de la energía. Los dos miembros de dichos pares específicos respectivos se conjugan mutuamente. Cualquiera de los dos, pero no ambos, de un par conjugado puede configurarse como una variable de estado independiente de un sistema termodinámico. Las configuraciones conjugadas están asociadas por transformaciones de Legendre .

Propiedades compuestas [ editar ]

La relación de dos propiedades extensivas del mismo objeto o sistema es una propiedad intensiva. Por ejemplo, la relación entre la masa y el volumen de un objeto, que son dos propiedades extensivas, es la densidad, que es una propiedad intensiva. [8]

De manera más general, las propiedades pueden combinarse para dar nuevas propiedades, que pueden denominarse propiedades derivadas o compuestas. Por ejemplo, las cantidades base [9] masa y volumen se pueden combinar para dar la cantidad derivada [10] densidad. Estas propiedades compuestas a veces también pueden clasificarse como intensivas o extensivas. Suponga que una propiedad compuesta es una función de un conjunto de propiedades intensivas y un conjunto de propiedades extensivas , que se pueden mostrar como . Si el tamaño del sistema cambia por algún factor de escala , solo cambiarán las propiedades extensivas, ya que las propiedades intensivas son independientes del tamaño del sistema. El sistema escalado, entonces, se puede representar como .

Propiedades intensivas son independientes del tamaño del sistema, por lo que la propiedad F es una propiedad intensiva, si para todos los valores del factor de escala, ,

(Esto equivale a decir que las propiedades intensivas compuestas son funciones homogéneas de grado 0 con respecto a ).

De ello se deduce, por ejemplo, que la relación de dos propiedades extensivas es una propiedad intensiva. Como ejemplo, consideremos un sistema que tiene una masa determinada, y el volumen, . La densidad, es igual a la masa (extensa) dividida por el volumen (extensa): . Si el sistema se escala por el factor , entonces la masa y el volumen se convierten en y , y la densidad se convierte en ; los dos se cancelan, por lo que esto podría escribirse matemáticamente como , que es análogo a la ecuación anterior.

La propiedad es una propiedad extensa si para todos ,

(Esto equivale a decir que las propiedades compuestas extensivas son funciones homogéneas de grado 1 con respecto a .) Se sigue del teorema de la función homogénea de Euler que

donde la derivada parcial se toma con todos los parámetros constantes excepto . [11] Esta última ecuación se puede utilizar para derivar relaciones termodinámicas.

Propiedades específicas [ editar ]

Una propiedad específica es la propiedad intensiva que se obtiene al dividir una propiedad extensiva de un sistema por su masa. Por ejemplo, la capacidad calorífica es una propiedad extensa de un sistema. Dividir la capacidad calorífica , por la masa del sistema, da la capacidad calorífica específica , que es una propiedad intensiva. Cuando la propiedad extensiva está representada por una letra mayúscula, el símbolo de la propiedad intensiva correspondiente suele estar representado por una letra minúscula. En la siguiente tabla se dan ejemplos comunes. [3]

* El volumen específico es el recíproco de la densidad .

Si se puede determinar la cantidad de sustancia en moles , entonces cada una de estas propiedades termodinámicas se puede expresar sobre una base molar, y su nombre puede calificarse con el adjetivo molar , dando lugar a términos como volumen molar, energía interna molar, entalpía molar, y entropía molar. El símbolo para cantidades molares se puede indicar agregando un subíndice "m" a la propiedad extensiva correspondiente. Por ejemplo, la entalpía molar es . [3] La energía libre de Gibbs molar se conoce comúnmente como potencial químico , simbolizado por , particularmente cuando se habla de una energía libre de Gibbs molar parcial para un componente en una mezcla.

Para la caracterización de sustancias o reacciones, las tablas suelen informar de las propiedades molares referidas a un estado estándar . En ese caso, se agrega un superíndice adicional al símbolo. Ejemplos:

  • = 22.41 L / mol es el volumen molar de un gas ideal en condiciones estándar de temperatura y presión .
  • es la capacidad calorífica molar estándar de una sustancia a presión constante.
  • es la variación de entalpía estándar de una reacción (con subcasas: entalpía de formación, entalpía de combustión ...).
  • es el potencial de reducción estándar de un par redox , es decir, energía de Gibbs sobre carga, que se mide en voltios = J / C.

Limitaciones [ editar ]

La validez general de la división de las propiedades físicas en tipos extensivos e intensivos se ha abordado en el curso de la ciencia. [12] Redlich señaló que, aunque las propiedades físicas y especialmente las propiedades termodinámicas se definen más convenientemente como intensivas o extensivas, estas dos categorías no son exhaustivas y algunas propiedades físicas bien definidas no se ajustan a ninguna de las dos definiciones. [4] Redlich también proporciona ejemplos de funciones matemáticas que alteran la estricta relación de aditividad para sistemas extensos, como la raíz cuadrada o cuadrada del volumen, que pueden ocurrir en algunos contextos, aunque rara vez se utilizan. [4]

Otros sistemas, para los cuales las definiciones estándar no proporcionan una respuesta simple, son sistemas en los que los subsistemas interactúan cuando se combinan. Redlich señaló que la asignación de algunas propiedades como intensivas o extensivas puede depender de la forma en que se organizan los subsistemas. Por ejemplo, si dos celdas galvánicas idénticas están conectadas en paralelo , el voltaje del sistema es igual al voltaje de cada celda, mientras que la carga eléctrica transferida (o la corriente eléctrica ) es extensa. Sin embargo, si las mismas celdas están conectadas en serie , la carga se vuelve intensa y el voltaje extenso. [4] Las definiciones de la IUPAC no consideran tales casos. [3]

Algunas propiedades intensivas no se aplican en tamaños muy pequeños. Por ejemplo, la viscosidad es una cantidad macroscópica y no es relevante para sistemas extremadamente pequeños. Asimismo, a una escala muy pequeña el color no es independiente del tamaño, como lo muestran los puntos cuánticos , cuyo color depende del tamaño del "punto".

Referencias [ editar ]

  1. ^ IUPAC , Compendio de terminología química , 2ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida online: (2006–) " Cantidad intensiva ". doi : 10.1351 / goldbook.I03074
  2. ^ IUPAC , Compendio de terminología química , 2ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida online: (2006–) " Cantidad extensa ". doi : 10.1351 / goldbook.E02281
  3. ^ a b c d e f Cohen, ER ; et al. (2007). Libro Verde de la IUPAC (PDF) (3.a ed.). Cambridge: IUPAC y RSC Publishing. págs. 6 (20 de 250 en archivo PDF). ISBN 978-0-85404-433-7.
  4. ↑ a b c d e f g Redlich, O. (1970). "Propiedades intensivas y extensivas" (PDF) . J. Chem. Educ . 47 (2): 154-156. Código Bibliográfico : 1970JChEd..47..154R . doi : 10.1021 / ed047p154.2 .
  5. ↑ a b c Tolman, Richard C. (1917). "Las cantidades mensurables de la física". Phys. Rev . 9 (3): 237-253.[1]
  6. ^ Chang, R .; Goldsby, K. (2015). Química (12ª ed.). Educación McGraw-Hill. pag. 312. ISBN 978-0078021510.
  7. ^ a b Marrón, TE; LeMay, ÉL; Bursten, BE; Murphy, C .; Woodward; PAG.; Stoltzfus, ME (2014). Química: La ciencia central (13ª ed.). Prentice Hall. ISBN 978-0321910417.
  8. Canagaratna, Sebastian G. (1992). "Intensivo y extenso: conceptos infrautilizados". J. Chem. Educ . 69 (12): 957–963. Código bibliográfico : 1992JChEd..69..957C . doi : 10.1021 / ed069p957 .
  9. ^ IUPAC , Compendio de terminología química , 2ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida online: (2006–) " Cantidad base ". doi : 10.1351 / goldbook.B00609
  10. ^ IUPAC , Compendio de terminología química , 2ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida online: (2006–) " Cantidad derivada ". doi : 10.1351 / goldbook.D01614
  11. ^ Alberty, RA (2001). "Uso de transformadas de Legendre en termodinámica química" (PDF) . Pure Appl. Chem . 73 (8): 1349-1380. doi : 10.1351 / pac200173081349 . S2CID 98264934 .  
  12. ^ George N. Hatsopoulos, GN; Keenan, JH (1965). Principios de termodinámica general . John Wiley e hijos. págs. 19-20. ISBN 9780471359999.