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¿Qué ha ocurrido? Pues que el líquido ha experimentado un cambio de fase debido a la temperatura exterior. En este artículo aprenderemos todo sobre los cambios de fase y aprenderemos a utilizar los diagramas de fase para comprender cuándo se producirán estos cambios.
- Este artículo trata el tema del diagrama de fases del agua
- En primer lugar, definiremos qué es una fase y un cambio de fase y conoceremos los distintos tipos.
- A continuación, definiremos qué es un diagrama de fases
- A continuación, veremos el diagrama de fases del agua y aprenderemos a interpretarlo
- Después, utilizaremos ese diagrama de fases para responder a algunos problemas prácticos
- Por último, resumiremos por qué son tan importantes los diagramas de fases
Cambios de fase
Una fase se refiere a uno de los tres estados diferentes de la materia: sólido, líquido y gaseoso
Un cambio de fase es el proceso por el que una especie gana o pierde energía suficiente para cambiar de una fase a otra.
Fig. 1: Los distintos estados de la materia
- En un sólido, las partículas están muy juntas y sólo pueden vibrar.
- En un líquido, las partículas están algo más separadas y pueden intercambiarse.
- En un gas, las partículas están muy separadas y pueden moverse libremente.
La temperatura es una medida de la energía cinética (energía del movimiento), de modo que cuanto más caliente está algo, más rápido se mueven sus partículas. Por ello, cuando una especie se encuentra a una determinada cantidad de energía/calor, cambiará de fase.
Los cambios de fase provocados por la ganancia de calor son:
- Fusión (sólido --> líquido).
- Ebullición (líquido --> gas).
- Sublimación (sólido --> gas).
Básicamente, la especie ha ganado suficiente energía, por lo que sus partículas pueden moverse más libremente y, por tanto, liberarse o debilitar las interacciones entre ellas.
Los cambios de fase provocados por la pérdida de calor son
- Congelación (líquido --> sólido).
- Condensación (gas --> líquido).
- Deposición (gas --> sólido).
Cuando colocamos una especie en un entorno más frío que ella, el entorno "absorberá" la energía calorífica de la especie, haciendo que ésta se enfríe.
Cuando una especie se enfría, sus partículas se mueven más despacio, por lo que las interacciones entre partículas se hacen más fuertes y las propias partículas se acercan entre sí.
Definición de diagrama de fases
Un diagrama de fases es un gráfico que muestra las distintas fases en las que se encuentra una sustancia a distintas temperaturas y presiones.
En un diagrama de fases, la presión se muestra en el eje y y la temperatura en el eje x. Siguiendo el diagrama, podemos ver cómo los cambios de presión y temperatura afectan al estado de la materia de una sustancia.
Aunque normalmente pensamos que los cambios de fase se deben a la temperatura, un cambio de presión también puede provocar un cambio de fase. Cuando aumenta la presión, las partículas se comprimen más entre sí. Por ello, un aumento de la presión es similar a una disminución de la temperatura en términos de cambio de fase (es decir, cuando la presión de un líquido aumenta lo suficiente, se convertirá en un sólido, de forma similar a como un líquido se congela si está a una temperatura lo suficientemente baja).
Cómo leer un diagrama de fases del agua
Ahora que sabemos lo que es un diagrama de fases, veamos el del agua.
Éste es el aspecto básico del diagrama de fases del agua:
Fig. 2: Diagrama de fases básico del agua
Aquí hay algunos puntos clave que debemos conocer:
- El punto triple
- El punto triple es donde pueden existir las tres fases en equilibrio
- Dependiendo de cómo se modifique la presión/temperatura, aquí puede producirse cualquier cambio de fase
- Elpunto crítico
- En este punto, ya no podemos distinguir entre la fase líquida y la gaseosa
- Consideramos que la sustancia es un fluido supercrítico tanto en este punto como más allá del mismo
- La curva de sublimación/deposición
- La curva de la parte inferior izquierda entre el gas y el sólido hasta el punto triple
- Nos muestra las diferentes temperaturas/presiones a las que un gas puede pasar a sólido y viceversa
- La curva de ebullición/condensación
- La curva del punto triple al punto crítico
- Nos muestra las diferentes temperaturas/presiones a las que un líquido puede convertirse en gas y viceversa.
- La curva de fusión/congelación
- La curva desde el punto triple hacia arriba entre las fases sólida y líquida
- Nos muestra las diferentes temperaturas/presiones a las que un sólido puede convertirse en líquido y viceversa.
El diagrama de fases completo del agua
El diagrama que acabamos de ver trata el agua sólida como una sola fase, aunque esto sólo es correcto en parte. El agua tiene unas 13 formas diferentes de agua sólida. En cada "fase" la disposición de las moléculas de agua es diferente, por lo que tienen propiedades ligeramente distintas.
A continuación se muestra un diagrama de fases del agua que muestra estas diferentes formas de hielo:
Fig. 3: Diagrama de fases del agua que muestra las distintas fases del hielo
Preguntas prácticas sobre el diagrama de fases del agua
Ahora que hemos aprendido a leer un diagrama de fases, ¡vamos a practicar algunos problemas!
Utilizando el diagrama de fases que aparece a continuación, responde a las siguientes preguntas:
A) A 10 atm y 50 °C, ¿en qué fase se encuentra el agua?
B) A una presión inferior a 4,58 torr, ¿qué fases pueden existir?
C) Una muestra de agua existe a 8 atm y -10 °C, si se eleva la temperatura a 80 °C, ¿qué tipo de cambio de fase se producirá?
D) Verdadero o falso: La fusión puede comenzar a una temperatura superior a 0 °C (es decir, ¿puede el hielo alcanzar una temperatura superior a 0 °C antes de fundirse?)
Fig. 4: Utiliza este diagrama de fases para responder a las preguntas anteriores
A) A 50 °C, el agua será un líquido o un gas, dependiendo de la presión. Como la presión es de 10 atm, el agua está en estado líquido.
B) 4,58 torr (y 0 °C) es el punto triple, por debajo de éste, sólo pueden darse los estados sólido y gaseoso sin importar la temperatura
C) A 8 atm y -10 °C, la muestra es un sólido. Como esta muestra está a una presión superior al punto triple, el sólido se convertirá en líquido al calentarlo (es decir, se producirá la fusión).
D) Observando la curva entre los estados sólido y líquido, vemos que apunta hacia la izquierda, lo que significa que un sólido se fundirá a temperaturas más bajas cuando se aplique una presión más alta. Esto significa que, independientemente de la presión, el hielo no puede existir más allá de 0 °C, y empezará a fundirse. Por tanto, la respuesta es falsa.
Importancia de un diagrama de fases
Los diagramas de fases son una herramienta de referencia muy importante. Nos muestra la relación entre temperatura, presión y fase. Por ejemplo, ¿alguna vez has cocinado/horneado algo y te has dado cuenta de que había instrucciones para altitudes elevadas? Esto se debe a que a grandes altitudes, la presión es menor, por lo que las distintas especies, como el agua, van a comportarse de forma diferente.
También nos ayuda a comprender en qué estado se encontrarán determinadas especies a diferentes temperaturas y presiones, lo que puede ser muy útil para experimentar.
Diagrama de fases del agua - Puntos clave
- Una fase se refiere a uno de los tres estados diferentes de la materia: sólido, líquido y gaseoso
- Un cambio de fase es el proceso por el que una especie gana o pierde energía suficiente para pasar de una fase a otra
- Un diagrama de fases es un gráfico que muestra las distintas fases en las que se encontrará una sustancia a distintas temperaturas y presiones
- El punto triple es aquel en el que las tres fases pueden existir en equilibrio
- El punto crítico es aquel en el que ya no podemos distinguir entre la fase líquida y la gaseosa
- Consideramos que la sustancia es un fluido supercrítico tanto en este punto como pasado él
Referencias
Fig.2-El diagrama de fases básico del agua (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/11/Sublimination.jpg/640px-Sublimination.jpg) por Barley, J con licencia CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)
Fig.3-Diagrama de fases del agua mostrando las diferentes fases del hielo (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/08/Phase_diagram_of_water.svg/640px-Phase_diagram_of_water.svg.png) por Cmglee (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Cmglee) licenciado por CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)
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