5.3. LOS CAMBIOS DE ESTADO

Un cambio de estado es un cambio físico que experimenta un sistema material al pasar de un estado de agregación a otro. Se dice que es un cambio físico porque no cambia la naturaleza de las partículas que forman el sistema material.

Los cambios de estado pueden tener lugar:

• Por enfriamiento (bajando la temperatura). Estos cambios se llaman cambios regresivos.

• Por calentamiento (subiendo la temperatura). Estos cambios se llaman cambios progresivos

Las características de los cambios de estado son las siguientes:

• Mientras ocurre un cambio de estado, la temperatura no varía, aunque esté enfriándose o calentándose, pues el calor invertido en el cambio de estado no se emplea en subir o bajar la temperatura, sino el provocar el cambio.

• Los cambios de estado son reversibles, es decir, si revertimos las condiciones de temperatura, la materia vuelve a su estado original.

En la tabla anterior, observa que a cada cambio progresivo le corresponde un cambio regresivo, y la temperatura a la que ocurren estos cambios es la misma. Así, tendremos las siguientes temperaturas:

• La temperatura de fusión (T_f) (que es la misma que la temperatura de congelación), es la temperatura a la que ocurre la fusión de la sustancia, si partimos de sólido y calentamos, o bien la solidificación, cuando partimos del líquido y enfriamos.

• La temperatura de ebullición (T_e) (que es la misma que la temperatura de condensación), es la temperatura a la que se produce la ebullición de la sustancia, si pasamos de líquido a gas, o la condensación de la misma, si pasamos de gas a líquido.

Veamos, para presión atmosférica (la normal que tenemos en la Tierra), algunos ejemplos de temperaturas de fusión y temperaturas de ebullición:

Tomando como referencia esta tabla, siempre que nos den una temperatura, conociendo las temperaturas de cambio de estado, podremos deducir si la materia está en estado sólido, líquido o gaseoso.

Diferencias y similitudes entre Ebullición y Evaporación

De ahora en adelante no vamos a volver a confundir estos conceptos, que tienen ciertas similitudes, pero son procesos diferentes.

En las gráficas de los cambios de estado se representa el tiempo en el eje horizontal y la temperatura en el eje vertical. Estas gráficas, obtenidas mediante la toma precisa de datos de temperatura y tiempo, presentan varios tramos, entre los que destacan: tramos inclinados, correspondientes con variaciones de temperatura con el tiempo; y tramos horizontales, correspondientes con temperaturas constantes debidas a los cambios de estado (recuerda que en los cambios de estado, la temperatura no varía).

Analicemos esta gráfica de calentamiento que corresponde al agua.

¿Tipos de cambios que suceden? Como estamos llevando a cabo un CALENTAMIENTO, los cambios se denominan CAMBIOS PROGRESIVOS.

TRAMO 1. En el primer tramo, el agua se encuentra en estado sólido. La energía suministrada se invierte en aumentar la agitación térmica de las partículas, y el sólido, por tanto, aumenta su temperatura (recta de pendiente positiva).

TRAMO 2. Se alcanza la temperatura de fusión. La energía suministrada ahora no se invierte en aumentar la agitación de las partículas, sino en separarlas y darles libertad, de manera que la temperatura se mantiene igual durante el paso de sólido a líquido.

TRAMO 3. Una vez que ya se ha fundido todo el sólido, la energía nuevamente se invierte en aumentar la temperatura, es decir, la velocidad de las partículas.

TRAMO 4. Alcanzado la temperatura de ebullición, se produce la vaporización. Ahora la energía se invierte en dar más libertad a las partículas y separarlas completamente, dando lugar al estado sólido. Como la energía no se invierte en aumentar la agitación de las partículas, la temperatura se mantiene igual durante el paso de líquido a gas.

TRAMO 5. Una vez que toda el agua está en estado gas, si seguimos calentando la masa de agua, la energía se invertirá en aumentar la agitación térmica de las partículas del vapor, aumentando la temperatura de manera indefinida.

Analicemos esta gráfica de enfriamiento que corresponde al agua.

¿Tipos de cambios que suceden? Como estamos llevando a cabo un ENFRIAMIENTO, los cambios se denominan CAMBIOS REGRESIVOS.

TRAMO 1. En el primer tramo, el agua se encuentra en estado gas. Cuando enfriamos, quitamos energía a las partículas de agua, reduciendo su movilidad y agitación, por tanto, disminuyendo su temperatura (recta de pendiente negativa).

TRAMO 2. Se alcanza la temperatura de condensación (que es la misma que la temperatura de ebullición cuando el cambio es progresivo). La energía que le quitamos a las partículas ahora no da lugar a una disminución de la agitación, sino que da lugar a un proceso de aproximación entre ellas, observándose la formación de gotitas hasta que tiene lugar la condensación completa. Durante este cambio, la temperatura se mantiene constante, pues las partículas no disminuyen su agitación, lo que disminuye es el desorden de las mismas.

TRAMO 3. Una vez condensado el líquido, si seguimos enfriando, seguimos restando energía y, por tanto, seguimos disminuyendo la agitación de las mismas, lo que se observa como una disminución de temperatura.

TRAMO 4. Se alcanza la temperatura de solidificación (que es la misma que la temperatura de fusión cuando el cambio es progresivo). La energía que le quitamos a las partículas, nuevamente, no se invierte en disminuir su agitación, sino su desorden, uniéndose unas a otras para formar la estructura sólida.

TRAMO 5. Cuando el agua está en estado sólido, si seguimos enfriando, lo único que lograremos será una disminución de la agitación térmica, lo que se observa como una disminución de la temperatura, ¿hasta cuándo? Hasta que ya no se pueda más (-273,15ºC)