Confusión sobre la energía interna y la temperatura durante un cambio de fase

Aprendí que para un gas ideal, la energía interna es únicamente una función de la temperatura (porque ignoramos la energía potencial de las atracciones).

Eso es correcto.

Las moléculas de un gas ideal se consideran masas puntuales sin fuerzas intermoleculares (van der Waal). En consecuencia, las masas puntuales de un gas ideal no interactúan entre sí. Como tal, no se necesita energía para que las moléculas de un gas ideal se separen unas de otras, ni se libera energía cuando las moléculas se acercan, siempre que las moléculas permanezcan separadas para que el gas continúe exhibiendo un comportamiento de gas ideal. Esto significa que la energía interna de un gas ideal consiste únicamente en energía cinética (sin energía potencial) y que cualquier energía añadida o extraída del gas produce únicamente un cambio en su energía cinética interna y un cambio correspondiente en la temperatura, de acuerdo con

$$\Delta U=mC_{v}\Delta T=\Delta KE$$

Dónde$C_{v}$es el calor específico del gas a volumen constante. Esto se aplica a cualquier proceso, no solo a un proceso de volumen constante (puede buscar la prueba).

Sin embargo, debido a que durante el cambio de fase la temperatura permanecerá constante pero la energía interna no, ¿cómo puede ser esto así? ¿No significa eso que hay dos valores U para un solo valor T?

Dado que, por definición, las moléculas de un gas ideal están tan separadas que no hay fuerzas intermoleculares ni energía potencial, un gas ideal no experimentará un cambio de fase.

Pero un gas exhibirá un comportamiento de gas ideal solo mientras la presión del gas sea lo suficientemente baja y/o la temperatura sea lo suficientemente alta para que las moléculas permanezcan separadas. Si la presión se vuelve demasiado alta y/o la temperatura demasiado baja, las moléculas se acercan más y el gas ya no se comporta como un gas ideal, ya que habrá fuerzas intermoleculares (van der Waal) entre ellas. El gas ahora tiene un componente de energía potencial interna de la energía interna del gas se debe a las fuerzas intermoleculares, junto con su componente de energía cinética, de modo que

$$U=KE+PE$$

Ahora se hace posible un cambio de fase. En ese punto, sí, la temperatura se mantendrá constante (si el cambio de fase se produce a presión constante), pero no significa que habrá "dos$U$valores para un solo$T$valor". Significa que habrá dos componentes de$U$, un componente de energía cinética y un componente de energía potencial, donde la temperatura se debe al componente KE.

Durante el cambio de fase, idealmente sólo el componente de energía potencial interna de$U$cambios, es decir

$$\Delta U=\Delta PE$$

e idealmente no hay cambio de temperatura,

$$\Delta KE=0$$

Espero que esto ayude.