Cambios de estado
Transformaciones de la materia entre sólido, líquido, gas, y otros estados. Ocurren al cambiar temperatura y/o presión.
Nomenclatura
Sublimación ───────────►
┌──────────────────────────┐
│ │
Sólido ◄── Fusión ── Líquido ── Vaporización ──► Gas
│ Solidificación Condensación │
│◄──────────────────────────────────────────────────────┘
└─◄── Deposición (sublimación inversa) ◄─────
| Cambio | Nombre |
|---|---|
| Sólido → Líquido | Fusión |
| Líquido → Sólido | Solidificación / Congelación |
| Líquido → Gas | Vaporización (incluye ebullición y evaporación) |
| Gas → Líquido | Condensación / Licuación |
| Sólido → Gas | Sublimación |
| Gas → Sólido | Deposición / Sublimación inversa |
| Neutro → Plasma | Ionización |
| Plasma → Neutro | Desionización / Recombinación |
Fusión y solidificación
- Punto de fusión = temperatura a la que sólido y líquido coexisten en equilibrio a una presión dada.
- Para sustancia pura, mientras dura el cambio de estado la T se mantiene constante.
- Los sólidos cristalinos tienen puntos de fusión definidos; los amorfos (vidrio, plásticos) reblandecen en un rango de T.
Datos:
- Hielo: 0 °C a 1 atm.
- Hierro: 1 538 °C.
- Tungsteno: 3 422 °C.
Vaporización
Dos modalidades:
Evaporación
- En la superficie del líquido.
- A cualquier temperatura.
- Disminuye al bajar T o humedad.
Ebullición
- En todo el líquido (forma burbujas).
- A una temperatura específica (punto de ebullición).
- A mayor presión externa → mayor punto de ebullición (olla a presión: agua hierve a ~120 °C).
- A menor presión → menor punto de ebullición (en la cima del Everest, agua hierve a ~68 °C).
Condensación
- Gas → líquido al ceder energía.
- Forma nubes, rocío, escarcha (si va directo a sólido).
- Base del ciclo del agua, destilación.
Sublimación y deposición
- Sublimación: CO₂ sólido (hielo seco), yodo, naftalina, nieve en climas muy secos (evaporación directa sin pasar por agua).
- Deposición: formación de escarcha, cristales en superficies frías.
Calor latente
Energía sin cambio de temperatura necesaria para cambiar de estado:
- Calor latente de fusión (L_f) — para fundir.
- Calor latente de vaporización (L_v) — para vaporizar.
Datos para agua (muy altos):
- L_f = 334 J/g (a 0 °C).
- L_v = 2 260 J/g (a 100 °C).
Explica por qué el sudor enfría (vaporizar agua consume mucha energía) y por qué el hielo mantiene bebidas frías.
Curva de calentamiento
Al calentar un sólido a ritmo constante:
T (°C)
100 ─────────│═══════│ (vaporización, ΔT=0)
│ │
│ │
0 ────│════│ │
│ │ │ (fusión, ΔT=0)
│ │ │
-30 ───┘ │ │ (sólido calentando)
│ │ │ (líquido calentando)
tiempo
Los “plateaus” corresponden a los cambios de estado.
Diagrama de fases
Mapa P-T de los estados. Para el agua:
- Punto triple: 0,01 °C, 611 Pa (coexisten hielo, agua, vapor).
- Punto crítico: 374 °C, 22,06 MPa.
- Por encima del punto crítico: fluido supercrítico.
Curiosidad: la línea hielo-agua inclina hacia atrás (pendiente negativa). Comprimiendo hielo a 0 °C, se funde. Esto es anomalía del agua (la mayoría de sustancias hace lo contrario).
Presión de vapor
- En un recipiente cerrado, un líquido establece un equilibrio dinámico con su vapor.
- La presión del vapor depende solo de T (y del líquido).
- Volatilidad: cuanto más alta la presión de vapor a T ambiente, más volátil.
Aplicaciones prácticas
- Destilación — separar líquidos por diferencias de punto de ebullición (alcohol, refinería).
- Liofilización (freeze-drying) — congelar y sublimar agua al vacío; preserva alimentos y fármacos.
- Cristalización — purificar sólidos.
- Refrigeración — ciclo de evaporación/condensación de refrigerantes.
- Paleoclima — isótopos del agua en burbujas de hielo registran cambios pasados.
Estados exóticos
Cambios que involucran plasma o estados cuánticos requieren condiciones especiales (altas T, muy bajas T, altos campos).