Estados de la Materia.cambios de Estado. FÍS.

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Física

Generalidades. Cuando un sólido se calienta, su temperatura se eleva proporcionalmente al calor absorbido. Sin embargo, este incremento de temperatura no continúa indefinidamente. A cierta temperatura, distinta para cada sólido, el incremento cesa y el sólido comienza a transformarse en líquido. La curva temperatura-tiempo presenta una forma semejante a la indicada en la fig. 1. En esta etapa la temperatura permanece constante, v el calor suministrado (calor latente) se invierte en el proceso de fusión o cambio de sólido a líquido. Desde el punto de vista cinético (v. CINÉTICA, TEORÍA), durante la fusión se ha consumido cierta energía en separar las moléculas del sólido (v. DILATACIóN), rompiendo finalmente los enlaces elásticos y desapareciendo la configuración cristalina, con lo que la sustancia pasa al e. líquido.

Si una vez terminado el proceso de fusión seguimos calentando el líquido, su temperatura comienza de nuevo a elevarse y con ello se incrementa la energía cinética de sus moléculas hasta alcanzar el punto de ebullición, en cuyo momento la temperatura vuelve a estacionarse y todo el calor suministrado se invierte en el tránsito de líquido a vapor o vaporización.

Estos procesos, en los que la materia cambia bruscamente sus propiedades físicas variando su configuración molecular, se expresan con el nombre de cambios de estado, o cambios de fase. Com4 la materia se presenta en tres e.: sólido, líquido y gaseoso, existen las siguientes posibilidades de transición entre ellos:

La transición de una fase a otra ocurre siempre a una temperatura fija (a una determinada presión). Por ej., si se suministra calor el hielo comienza a fundir a 0° C (a la presión atmosférica) y esta temperatura permanece constante hasta que todo el hielo se ha transformado en agua.

El cambio de e. requiere cantidades relativamente grandes de energía. El agua nos ofrece un ejemplo típico. Para elevar en 1° C la temperatura del hielo hace falta 0,5 cal.; para elevar 1° C la temperatura del agua hace falta 1 cal. En cambio, la fusión de un solo gramo de hielo requiere 80 cal. sin que varíe la temperatura. Decimos que el calor latente de fusión del hielo es de 80 cal/g. La razón es que las moléculas del sólido están rígidamente dispuestas y se requiere un esfuerzo considerable para cambiar su forma y su tamaño. Por este motivo, los glaciares persisten durante el verano, mientras a su alrededor crece la hierba verde y florecen las plantas. Se necesita mucho más calor para fundir el hielo que para calentar el aire. Por la misma razón, un montón grande de nieve tarda más en fundir que uno pequeño.

Todavía es mayor el calor de vaporización del- agua. Hacen falta 540 cal. para que un gramo de agua pase del e. líquido al e. de vapor a la temperatura de 100° C, mientras que con sólo 100 cal. un gramo de agua pasa de 0° a 100° C. Este consumo de energía en la vaporización del agua procede del aumento de energía cinética y potencial de las moléculas, que están mucho más separadas en el e. vapor que en el e. líquido, y del trabajo externo que ha de realizarse contra la presión atmosférica para que se produzca la vaporización.

Los sólidos pueden transformarse directamente en vapor sin pasar por el e. líquido. El fenómeno se llama sublimación. El yodo y el alcanfor son ejemplos de sólidos que presentan este efecto. En tiempo seco la nieve puede desaparecer sublimándose directamente en vapor de agua. Al contrario, el vapor de agua de la atmósfera en las madrugadas frías se condensa en forma de escarcha, en un proceso inverso al de sublimación (condensación).

Una fase sólida puede convertirse en otra fase también sólida, fenómeno que se denomina alotropía o polimorf ismo. Entre los ejemplos más conocidos están el azufre rómbico que pasa a monoclínico y el estaño gris que pasa a blanco.

En los líquidos puede presentarse el fenómeno de la vaporización a temperaturas inferiores al punto de ebullición. Ello es debido a que a cualquier temperatura existen siempre moléculas suficientemente energéticas para vencer la tensión superficial del líquido y escapar a la atmósfera en forma de vapor. Los líquidos que fácilmente se evaporan a la temperatura ordinaria, como el éter y el alcohol, se denominan volátiles.

Influencia de la temperatura y de la presión. La temperatura a la cual se produce un cambio de fase depende de la presión. Cuando se representan en un diagrama de presiones y temperaturas los tres e. de la materia correspondientes a una misma sustancia, se obtienen tres líneas que se cortan en un punto denominado punto triple (fig. 2). Cada una de las líneas es el lugar geométrico de los puntos p, T, correspondientes a la fusión, vaporización y sublimación de la sustancia. El punto triple representa, por tanto, la única condición posible, impuesta por la naturaleza, a la cual puede coexistir en equilibrio una mezcla de las tres fases. Por debajo del punto triple, el sólido y el vapor pueden existir, pero no el e. líquido. El diagrama del punto triple del dióxido de carbono aclara por qué esta sustancia no puede existir en el e. líquido a la presión ambiente. La presión del punto triple es muy elevada, y, por tanto, a las presiones ordinarias, el COz existe en e. sólido (hielo seco) o en el de vapor.

Para el agua el punto triple es de 0,010° C y 4,59 mm. Hg. de presión. Como este punto puede reproducirse con mayor precisión que el punto de fusión, se toma por convenio internacional para la medida de temperaturas. Si estas condiciones varían, una de las fases desaparece forzosamente. Es de destacar que en el caso del agua la curva de presión tiene pendiente negativa, debido a que al congelarse se produce un incremento de volumen y no una disminución como en la mayor parte de las sustancias. Por esta razón, la presión favorece la fusión del hielo.

La curva de vaporización, creciente con la temperatura para todas las sustancias, indica que un aumento de presión incrementa la temperatura de ebullición, mientras que una disminución de presión la reduce. Así se explica que en lugares elevados, donde la presión atmosférica es menor, el agua hierva a temperaturas más bajas que al nivel del mar. En cambio, en una caldera de vapor o en una cacerola express, la ebullición del agua tiene lugar a temperaturas superiores a las normales.

Para el cálculo cuantitativo de los efectos de la temperatura y de la presión en los cambios de fase, es muy importante la llamada ecuación de Clapeyron:

dp L dT T(Vz-V1)

que relaciona el calor latente del cambio de estado, L, con la temperatura de transición T, los volúmenes específicos VI y Vz de las fases inicial y final, respectivamente, y la pendiente dp/dT de la curva

p=f(T)

que relaciona la presión con la temperatura en la curva de equilibrio de las dos fases. La ecuación es válida para los procesos de fusión, vaporización y sublimación, así como para sus inversos y también para las transformaciones entre dos sustancias cristalinas.

En los procesos de vaporización o sublimación, siempre es V2 mayor que VI y por ello la pendiente de la curva

p=f(T)

será siempre positiva (curva creciente). En cambio, en la fusión

V2 - v,,

y, por tanto,

dpIdT = v,

es decir, la curva

p=1(T)

será prácticamente vertical y con una pendiente ligeramente positiva, si

V2 < VI

(caso ordinario), o negativa si V2 > V,

(caso del agua y del bismuto).

Existen otros cambios de fase distintos a los indicados que se verifican sin calor latente (L=0), y sin variación de densidad

(V2= Vi).

La ecuación de Clapeyron daría para ellos la fórmula indeterminada

dpIdT=0/0. Sin embargo, otras magnitudes como el coeficiente de dilatación, el de compresibilidad k, y el calor específico a presión constante, CP experimentan un cambio discontinuo. Y con ellos, la viscosidad, la conductividad térmica, las propiedades magnéticas, conductoras, etc. Las más importantes de estas transiciones son las siguientes: transiciones orden-desorden de aleunas aleaciones: transformación del helio 1 en helio II al e. líquido; cambio de una sustancia ferromagnética en paramagnética en el punto de Curie; transición del e. superconductor al e. conductor en ausencia de un campo magnético.

Estos procesos se denominan transiciones de segundo orden o transiciones lambda, porque precisamente el cambio discontinuo del calor específico a presión constante suele tener la forma de la letra griega a (fig. 3).

V. t.: CALOR; TEMPERATURA.

J. AGUILAR PERIS.

BIBL.: I. P. S., Curso de introducción a las Ciencias Físicas, Barcelona 1967; J. CATALÁ, Física general, Valencia 1966; J. AGUILAR y F. SENENT, La Física tiene la respuesta, Valencia 1962; J. PALACIOS, Termodinámica y Mecánica estadística, Madrid 1958; R. L. WEBER y M. W. WHITE, Física general moderna, Barcelona 1954; N. BOCCARA, Les Príncipes de la Thermodinamique Classique, París 1968; G. S. CHRISTIANSEN y P. H. GARRET, Structure and change, San Francisco 1960.