Por qué la temperatura permanece constante durante un cambio de fase

  1. Educación
  2. Ciencia
  3. Física
  4. Por qué la temperatura permanece constante durante un cambio de fase

Libro Relacionado

Por Steven Holzner

Gracias a la física, sabemos que los cambios de fase ocurren cuando los materiales cambian de estado, pasando de líquido a sólido (como cuando el agua se congela), de sólido a líquido (como cuando las rocas se funden en lava), de líquido a gas (como cuando se hierve agua para el té), etc. Cuando el material en cuestión cambia a un nuevo estado – líquido, sólido o gaseoso (también se puede considerar un cuarto estado: plasma, un estado gaseoso sobrecalentado) – algo de calor entra o sale del proceso sin cambiar la temperatura.

Incluso puede tener sólidos que se convierten directamente en gas. A medida que el hielo seco (gas dióxido de carbono congelado) se calienta, se convierte en gas dióxido de carbono. Este proceso se llama sublimación.

Imagina que estás bebiendo tranquilamente tu limonada en una fiesta al aire libre. Se toma un poco de hielo para enfriar la limonada, y la mezcla en el vaso es ahora mitad hielo, mitad limonada (que se puede asumir que tiene el mismo calor específico que el agua), con una temperatura de exactamente 0 grados Celsius.

Al sostener el vaso y observar la acción, el hielo comienza a derretirse, pero el contenido del vaso no cambia de temperatura. Por qué? El calor (energía térmica) que entra en el vidrio desde el aire exterior está derritiendo el hielo, no calentando la mezcla. ¿Así que esto hace que la ecuación de la energía calorífica

inútil? En absoluto, sólo significa que la ecuación no se aplica a un cambio de fase.

Si grafica el calor añadido a un sistema en comparación con la temperatura del sistema, el gráfico generalmente se inclina hacia arriba; la adición de calor aumenta la temperatura. Sin embargo, la gráfica se nivela durante los cambios de fase, porque a nivel molecular, hacer un estado de cambio de sustancia requiere energía. Después de que todo el material haya cambiado de estado, la temperatura puede volver a subir.

Cambios de fase del agua.

Imagine que alguien ha tomado una bolsa de hielo y la ha puesto en la estufa sin pensar. Antes de que llegara a la estufa, el hielo estaba a una temperatura bajo cero (-5 grados centígrados), pero estar en la estufa está a punto de cambiar eso. Puede ver la modificación en forma de gráfico en la figura. (El calor específico del hielo es de alrededor de 2,1 x 103 J/kg-C)

que la temperatura del hielo aumentará linealmente a medida que le añada más calor, como puede ver en el gráfico.

Sin embargo, cuando el hielo alcanza los 0 grados centígrados, se calienta demasiado para mantener su estado sólido, y comienza a derretirse, sufriendo un cambio de fase. Cuando se derrite el hielo, la ruptura de la estructura del hielo cristalino requiere energía, y la energía necesaria para derretir el hielo se suministra en forma de calor. Por eso el gráfico en la figura se nivela en el centro – el hielo se está derritiendo. Usted necesita calor para hacer que el hielo cambie de fase a agua, así que aunque la estufa agregue calor, la temperatura del hielo no cambia a medida que se derrite.

Sin embargo, al ver la bolsa de hielo en la estufa, usted nota que todo el hielo finalmente se derrite en agua. Debido a que la estufa sigue agregando calor, la temperatura comienza a subir, lo cual se ve en la figura. La estufa añade más y más calor al agua, y con el tiempo, el agua empieza a burbujear. “Aha”, crees. “Otro cambio de fase”. Y tienes razón: El agua está hirviendo y se está convirtiendo en vapor. La bolsa que sostiene el hielo parece bastante resistente y se expande mientras el agua se convierte en vapor.

Se mide la temperatura del agua. Fascinante – aunque el agua hierve, convirtiéndose en vapor, la temperatura no cambia. Una vez más, es necesario añadir calor para provocar un cambio de fase, esta vez de agua a vapor. Puedes ver en la figura que a medida que añades calor, el agua hierve, pero la temperatura del agua no cambia.

¿Qué va a pasar después, cuando la bolsa se hinche a un volumen enorme? Nunca lo averiguas, porque la bolsa finalmente explota.

  • Add Your Comment