Comportamiento Térmico de las Sustancias y Cambios de Fase

Comportamiento Térmico de las Sustancias y Cambios de Fase

El calor, una forma de energía, al ser transferido a una sustancia, provoca un aumento en la agitación térmica de sus moléculas, lo que se manifiesta como un incremento en la temperatura. La magnitud de este incremento depende del calor específico de la sustancia, que es una propiedad que indica la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa en un grado Celsius. Sin embargo, durante los cambios de fase, como la fusión de un sólido o la ebullición de un líquido, la temperatura de la sustancia permanece constante a pesar de la continua absorción de calor. Esto ocurre porque la energía absorbida se utiliza en el proceso de cambio de fase, rompiendo o formando enlaces intermoleculares, en lugar de incrementar la energía cinética de las partículas.

Energía y Cambios de Estado: Fusión y Vaporización

Al calentar un sólido, sus partículas ganan energía cinética hasta que alcanzan la energía necesaria para superar las fuerzas intermoleculares que mantienen su estructura cristalina, dando lugar al proceso de fusión. Durante este cambio de estado, la temperatura de la sustancia se mantiene constante, y la energía suministrada se invierte en vencer las fuerzas de atracción entre las partículas. El calor latente de fusión es la cantidad de energía requerida para fundir una unidad de masa de una sustancia sin cambiar su temperatura. Por ejemplo, para el agua, se necesitan aproximadamente 334 kJ para convertir 1 kg de hielo en agua a 0°C. De manera similar, la vaporización es el cambio de estado de líquido a gas, y el calor latente de vaporización es la energía necesaria para llevar a cabo esta transformación. Para el agua, se requieren alrededor de 2,260 kJ para convertir 1 kg de agua en vapor a 100°C.

Representación Gráfica de los Cambios de Fase

Los diagramas de calentamiento son herramientas útiles para visualizar los cambios de fase de una sustancia. Estos gráficos representan la temperatura en función de la cantidad de calor absorbido. Al calentar hielo a partir de temperaturas bajo cero, su temperatura aumenta linealmente hasta llegar al punto de fusión, 0°C, donde se mantiene constante mientras ocurre la fusión. Una vez que todo el hielo se ha convertido en agua, la temperatura del agua aumenta hasta alcanzar el punto de ebullición, donde se estabiliza nuevamente mientras el agua se vaporiza. Estos gráficos demuestran claramente cómo la energía térmica se relaciona con los cambios de estado físico de una sustancia.

Cálculo del Calor en Procesos de Cambio de Fase

Para calcular la cantidad de calor involucrada en un proceso de cambio de fase, es necesario considerar las etapas sucesivas del proceso. Estas incluyen calentar la sustancia hasta el punto de fusión, fundirla, elevar la temperatura del líquido hasta el punto de ebullición, vaporizarlo y, si es necesario, calentar el vapor hasta una temperatura deseada. La suma del calor absorbido o liberado en cada etapa da como resultado el calor total intercambiado en el proceso. Este cálculo es crucial en aplicaciones prácticas como el diseño de sistemas de calefacción y refrigeración, así como en la comprensión teórica de la termodinámica.

Condensación y Solidificación: Procesos Exotérmicos

Los procesos de condensación y solidificación son exotérmicos, es decir, liberan energía en forma de calor. Durante la condensación, un gas pierde energía y se transforma en líquido, y durante la solidificación, un líquido pierde energía y se convierte en sólido. La cantidad de calor liberado en estos procesos es igual al calor absorbido durante los procesos endotérmicos correspondientes de fusión y vaporización. Estos principios son esenciales para el diseño de sistemas de refrigeración y calefacción y para la conservación de energía en procesos industriales.

Sublimación: Cambio Directo de Sólido a Gas

La sublimación es el cambio de estado directo de una sustancia de sólido a gas, que ocurre bajo condiciones específicas de temperatura y presión. Sustancias como el dióxido de carbono sólido (hielo seco), el yodo y el alcanfor son capaces de sublimar. El calor de sublimación es la energía requerida para que una unidad de masa de la sustancia sublimada cambie de estado sin pasar por la fase líquida. Este fenómeno es de gran interés en la química física y tiene aplicaciones prácticas en la liofilización de alimentos y en la fabricación de productos farmacéuticos y otros materiales.