[Termodinámica i] estados de agregación el tamiz

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{ 2010 08 26 }

[Termodinámica I] Estados de agregación

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En el último artículo del bloque [Termodinámica I] hablamos acerca delconcepto de equilibrio térmico y de las consecuencias del desequilibrio. Enlos ejemplos que allí manejamos, como espero que recuerdes aún, elsistema de mayor temperatura transfería energía en forma de calor al demenor temperatura, hasta que ambas se igualaban, ya que uno disminuíasu temperatura al perder energía y el otro la aumentaba.

Sin embargo, esto no tiene por qué ser necesariamente así: existen otrosmodos en los que un cuerpo puede “almacenar” la energía térmica querecibe sin aumentar su temperatura. Y, del mismo modo, es posible perderenergía térmica sin disminuir la temperatura. Ya sé que esto puede sonarun poco raro al principio, pero si has estudiado algo de Física en algúnmomento –si no es así no te preocupes, porque no suponemos que asísea al explicar nada–, recuerda la diferencia entre energía cinética yenergía potencial, y tal vez se te ilumine la bombilla antes siquiera de queempecemos a bucear en el asunto que nos ocupará hoy: los estados deagregación.

Pero, antes de nada, la solución al desafío del artículo anterior del bloque:

Solución al Desafío 3 – Dadivitas

Aunque podría ponerme a escribir aquí los cálculos de cada paso, Unaiha creado un gráfico en el que se puede ver muy claramente la energíapromedio de cada grupo de dadivitas en cada paso, de modo quepuedes comprobar si has calculado bien o no de forma visual, mejorque con cualquier explicación. En el gráfico se ve cada paso, y elresultado final y número de pasos:

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[Termodinámica I] Estados de agregación | El Tamiz 1

http://eltamiz.com/2010/08/26/termodinamica-i-estados-de-agregacion/

Aunque pueden extraerse un buen puñado de conclusiones interesantesmirando el gráfico, una de las más evidentes es que el cambio es tantomás rápido cuanto mayor es la diferencia de “temperatura”. Recuerdaesto para algún bloque posterior, en el que atacaremos ese problemanuméricamente.

Estados de agregaciónEn los primeros dos artículos del bloque hemos hablado acerca de laspartículas que componen un cuerpo –moléculas, átomos sueltos, lo quefuera– con mayor o menor energía cinética. Sin embargo, no hemoshablado aún de cómo esas partículas se unen unas a otras. La relaciónentre ellas, en un cuerpo determinado, es lo que determina el estado deagregación de ese cuerpo, a veces también fase. Tradicionalmente sedefinieron tres estados de agregación o fases: sólido, líquido y gas.Posteriormente se añadió uno más allá del gas (luego veremos en quésentido “más allá”), denominado plasma. De estos cuatro estadosfundamentales hablaremos hoy, pero antes detengámonos un instante paracomprender qué determina estas divisiones.

¡Ojo! Las divisiones están en tu cabeza

A los seres humanos nos encanta dar nombres a las cosas, yclasificarlas de acuerdo a criterios más o menos arbitrarios. Esto esmuy útil, siempre que no olvidemos que los nombres y las divisionesestán en nuestra cabeza: la Naturaleza no se divide en estasclasificaciones tan limpias y rígidas. Cuando hablamos de sólido ylíquido, por ejemplo, se trata realmente de dos comportamientosideales; los cuerpos reales se comportan de una manera que puedeparecerse más a uno, o al otro, o estar más o menos entre ellos. Lomismo pasa con líquido y gas e incluso con el plasma.



Digo esto porque las simplificaciones de este tipo sólo son útiles sisomos conscientes de ellas y no caemos en dogmatismos. Está bienclasificar los estados de agregación de una forma más o menossencilla, pero no olvides que al hacer ciencia solemos mirar el Universoa través de una retícula para poder manejarlo conceptualmente, pero laretícula está en nuestra mente, no en el Universo1.

Dicho mal y pronto, dado que todos los cuerpos materiales están formadospor cargas eléctricas, es inevitable que entre ellas aparezcan interacciones:las moléculas de una mesa, los átomos de un trozo de oro o las moléculasde CO2 de la atmósfera no se ignoran unos a otros, sino que ejercenfuerzas electromagnéticas unos sobre otros. Aunque no sea necesariopara entender este bloque, si quieres aprender más sobre ello puedes leer[Electricidad I] para ampliar esta esquelética explicación.

El caso es que a veces estas interacciones entre partículas son muyintensas y atractivas, de modo que –por ejemplo– los iones de sodio ycloro que forman un cristal de sal común se van “pegando” unos a otros,formando una red de enlaces que los mantiene fuertemente unidos enposiciones más o menos fijas. Es algo así como lo que sucedería sicogieras un buen puñado de imanes en forma de cubitos de hielo: sequedarían todos pegados unos a otros permanentemente en posicionesdifíciles de desplazar, como una especie de cubo de Rubik. Esta situacióndetermina el estado sólido.

Observa que digo “posiciones más o menos fijas”: incluso en el más rígidoe ideal de los cristales, las partículas que lo forman se pueden moveralrededor de esas posiciones de equilibrio. La rapidez con que así vibranes precisamente, como dijimos al definir la temperatura, lo que la determinaen el caso de un sólido. Lo que hace que ese cuerpo sea un sólido es elhecho de que esos movimientos no son capaces de vencer las enormesfuerzas que mantienen unas partículas “pegadas” a las demás.

Como ejemplo estúpido y con todas las limitaciones habituales, imagina elsólido como un conjunto de personas muy tímidas pero afectivas: formanlazos sociales muy fuertes pero sólo con unas cuantas personas cercanas,que llenan todas sus necesidades emocionales. En una fiesta con personasasí, la gente formaría grupos de conversación de los que no se moverían.Eso sí, los grupos no están cerrados, sino que hay un solapamiento quehace que los grupos estén en posiciones fijas unos respecto a otros, conun par de personas en común entre cada par de grupos.

Sin embargo, a veces estas interacciones son débiles y no son capaces defrenar el movimiento de las partículas, como sucede en el caso del agua: elestado líquido. Entre sus moléculas hay fuerzas de atracción, pero sontenues comparadas con los movimientos moleculares. Lo que sucedeentonces es que las moléculas de H2O no tienen posiciones de equilibrio, yno están unidas unas a otras permanentemente, sino que se mueven concierta libertad. Eso sí, sigue habiendo la suficiente atracción entre ellascomo para que estén unidas, pero no de forma permanente: se van“pegando” ligeramente a las moléculas que tienen al lado en un momentodeterminado, pero pueden seguir moviéndose y ser atraídas por la



siguiente molécula cercana.

De este modo, un líquido puede fluir, es decir, sus partículas constituyentespueden desplazarse unas sobre otras y alterar la forma del cuerpo demanera muy rápida, ya que no existen posiciones fijas como en el caso delsólido. En el ejemplo absurdo de arriba, el líquido sería el equivalente de unconjunto de personas muy sociables pero que no forman lazos socialespermanentes ni muy sólidos: en una fiesta siempre están hablando conalgunas personas, pero van cambiando de grupo de conversación todo eltiempo.

Es importante que entiendas algo en lo que no se hace el suficienteénfasis, a menudo, en los libros de texto: lo que determina que algo sea unsólido o un líquido no es únicamente la intensidad de esas atracciones(fuertes para el sólido, débiles para el líquido). Es la comparación entre laintensidad de las atracciones y el movimiento de las partículas.

Imagina una sustancia cuyas fuerzas de atracción entre moléculas sonbrutalmente grandes. ¿Se tratará entonces de un sólido? ¡Nonecesariamente! Si las moléculas están moviéndose a velocidadestremendas, no hay fuerza de atracción que valga, y no será un sólido. Lomismo puede pasar con una sustancia con fuerzas de atracción débiles: sí,puede que sean débiles, pero si las partículas que la forman apenas semueven, pueden ser suficientes para “amarrarlas” en posiciones más omenos fijas y formar un sólido.

De modo que recuerda: no es la velocidad de movimiento –es decir, latemperatura–, ni es la intensidad de las atracciones entre partículas –quedependen, al final, de la estructura química de la sustancia–, sino de cómose comparan ambas. De quién gane dependerá el estado del cuerpo… y nosólo para formar un sólido o un líquido, sino también los demás estados.

Por ejemplo, es posible que esas fuerzas de atracción, comparadas con elmovimiento propio de las partículas, sean nulas o casi inapreciables. Enese caso no hay nada que mantenga las moléculas o átomos unidos unosa otros de ninguna manera, y cada uno se mueve a su aire, sólo notando lapresencia de los otros si choca con alguno de ellos. Se trata entonces delestado gaseoso; en este caso, además de poder fluir libremente, dadoque no hay nada que mantenga a las partículas unidas unas a otras,también puede cambiar el volumen, ya que las partículas pueden estar másjuntas o más separadas unas de otras sin problemas.

En la analogía de la fiesta, el gas sería el equivalente a personas sin elmenor interés social en los demás. En la fiesta, simplemente deambularíansin destino fijo por la habitación, pensando en sus cosas e ignorando alresto salvo que se chocasen con ellos.

Finalmente, es posible que no sólo las fuerzas que atraen a moléculas oátomos unos a otros sean mucho más débiles de lo que sería necesariopara “pegarlos” entre sí dada su velocidad; es posible incluso que laviolencia del movimiento sea tanta que ni siquiera las fuerzas quemantienen la estructura del propio átomo –la atracción entre protones yelectrones, por ejemplo– sean capaces de mantenerlo unido, y los mismosátomos se rompan. Lo que se tiene entonces es un conjunto de “trozos de



átomo” cargados eléctricamente, conjuntos de protones y neutrones conelectrones a su alrededor, que se denomina plasma.

En este bloque nos centraremos, sin embargo, en los tres primerosestados de agregación; he mencionado el plasma porque la clasificación,en términos modernos, se quedaría coja sin hacerlo así. Y lo que realmentenos interesa aquí no es la propia agregación de la materia, sino sucomportamiento termodinámico. De modo que ¿qué tiene que ver elestado de agregación con la temperatura? Tal vez lo hayas comprendidoya, pero lo veremos con un ejemplo concreto — el del H2O.

Cambios de faseImagina que tenemos un trozo de hielo muy, muy frío –dicho “en fino”, amuy baja temperatura–. Si has seguido el bloque hasta ahora, sabes queeso significa que la energía cinética –y por tanto la velocidad– de suspartículas (en el caso del hielo, las moléculas de H2O) es muy pequeña.Como consecuencia, nuestro trozo de hielo es precisamente eso, un trozosólido. Nuestro hielo tiene muy poca temperatura y muy poca energía porpartícula.

Supongamos, sin embargo, que vamos calentando el hielo poniéndolo encontacto, por ejemplo, con un foco térmico: lo metemos en un hornoinmenso en el que el aire está nada más y nada menos que a 1000 K.Como consecuencia, como vimos en el anterior artículo, las partículas delgas van dando empujones tremendos a las moléculas de H2O, que vanganando energía cinética más o menos rápidamente y vibrando más y másviolentamente alrededor de sus posiciones de equilibrio… tanto que,eventualmente, empiezan a ser capaces de escapar de esas posicionesfijas.

Igual que si tiras una pelota hacia arriba más y más fuerte llega unmomento en el que es capaz de escapar de la gravedad terrestre –aunquela velocidad es tremenda y en la realidad no podrías hacerlo con tus merosmúsculos–, nuestras moléculas se “liberan” hasta cierto punto: siguenestando atraídas unos a otras, pero esa atracción ya no es suficiente paramantenerlas fijas, sino que se deslizan unas sobre otras con ciertaelegancia. Nuestro H2O es ahora un líquido, y se ha fundido, es decir, hasufrido un cambio desde el estado sólido al líquido. ¡Pero un momento!Algo más, algo importantísimo, ha sucedido aquí.

La energía cinética que necesitan las moléculas de H2O para poderescapar a las cadenas de la atracción entre ellas se corresponde con unatemperatura de unos 273 K a presión atmosférica, que es la temperatura defusión del hielo. Esto significa que, según las moléculas van alcanzandoesa energía cinética, van liberándose y son capaces de fluir. Pero alescapar pierden parte de esa energía cinética, es decir, se enfrían denuevo.

¿A presión atmosférica?



La coletilla de “a presión atmosférica” al mencionar la temperatura defusión del agua se debe a que la presión influye en el valor de esatemperatura necesaria para “romper las cadenas”. Sin embargo, dadoque no hemos hablado aún del concepto de presión, por ahora noslimitaremos a trabajar ignorando ese factor; si conoces la presión,digamos que trabajaremos suponiendo que estamos en todo momentoa presión atmosférica.

Si quieres conocer algo más sobre la influencia de la presión sobre loscambios de fase, siempre puedes leer acerca del funcionamiento deuna olla a presión, donde tratamos específicamente este asunto.

Piensa en la piedra: si fueras capaz de lanzar la piedra con la suficientevelocidad –en el caso de la Tierra, unos 11,2 km/s–, ésta podría escaparde la gravedad terrestre y perderse en el espacio. Pero cuando escapase,su velocidad sería menor que cuando la lanzaste: según sube, se vafrenando. ¿Quiere esto decir que vuelve a caer? No necesariamente, sisalió con la suficiente velocidad, pero sí significa que puedes estar segurode que la piedra va más lenta después de escapar que antes. Lo mismo lessucede a las moléculas de H2O.

¿Quiere esto decir que, al enfriarse tras escapar, las moléculas vuelven a“caer” y quedar atrapados en el hielo? Al igual que la piedra, nonecesariamente. A su alrededor hay muchas otras moléculas que les danempujones constantemente, calentándolas de nuevo, por no hablar ya delgas a 1000 K. Pero, como puedes ver, lo que no se produce según estosucede es un aumento de temperatura sobre los 273 K: una vez se alcanzaese valor, los moléculas van escapando de sus cadenas mutuas,enfriándose en el proceso y volviendo a calentarse según reciben losempujones de moléculas a 273 K –ya escapadas o no–.

Si una molécula ya escapada (ya “líquida”, aunque no tenga sentido alhablar de una sola) se calentase, por ejemplo, hasta 274 K, moviéndosemás rápido que las que tiene alrededor, aún prisioneras o no, estaría endesequilibrio térmico con ellas: enseguida les daría un empujón mayor quelas otras a ella, y acabaría otra vez a 273 K. Las moléculas, por decirloestúpidamente, son “solidarias”: hasta que todas han logrado escapar ypueden calentarse más o menos acompasadamente, ninguna sube de 273K, porque proporciona la energía que le sobra comparada con las demás alas que tiene alrededor.

Esto significa que, si mirásemos nuestro trozo de hielo y midiésemos sutemperatura, veríamos que va subiendo desde el valor minúsculo delprincipio a 100, 150, 200, 250, 270, 273 K…. y entonces el termómetrodejaría de subir. Mientras el termómetro permanece fijo a 273 K, veríamoscómo el hielo se va fundiendo. Y sólo cuando todo el hielo estuvierafundido –al menos, en condiciones ideales, pues en la realidad la cosapuede ser menos elegante–, todas las moléculas ya libres de susposiciones fijas, la temperatura volvería a subir una vez más.

Y aquí llegamos al párrafo más importante de este artículo, así que ojoavizor. Si la temperatura del H2O antes de empezar a fundirse es de 273 K,



y justo después de fundido es de 273 K, ¿quiere esto decir que lasmoléculas de H2O tienen la misma energía antes y después? La respuestaes que tienen la misma energía cinética, ya que se mueven igual derápido… pero no la misma energía total. Cada molécula ha almacenadootro tipo de energía –denominada energía potencial, aunque esto no nosimporta mucho en este bloque–, la que fue necesaria para escapar de loslazos eléctricos de las otras moléculas.

Imagina, por ejemplo, que levantas un gran peso del suelo haciendo unenorme esfuerzo. Antes de levantarlo, el peso estaba parado. Al finalvuelve a estar parado. ¿Quiere esto decir que tiene la misma energía queantes? ¡No! Ha almacenado una energía nueva, la necesaria para elevarseesa distancia en el campo gravitatorio terrestre, y esa energía es la mismaque tú has gastado con tus músculos. Además de la energía cinética hayotras, como la potencial, relacionadas con fuerzas de atracción o repulsión,y esa energía es la que han ido almacenando las moléculas de H2O segúnel hielo se fundía.

La mejor manera de ver esto, creo, es con una gráfica. En la que ves másabajo hemos representado la temperatura en el eje de abscisas–horizontal– y la energía total por partícula (¡no sólo la cinética, ojo, sinotambién la debida al estado de agregación, es decir, la potencial!) en el ejede ordenadas –vertical–. Las unidades y las cantidades no nos importandemasiado ahora mismo. Como puedes ver, cuando nuestro trozo de hieloestá muy frío, su energía por partícula es minúscula (ideal y clásicamente, 0J a 0 K). Según proporcionamos energía al trozo de hielo al ponerlo encontacto con el aire caliente de nuestro horno, su temperatura vaaumentando… hasta que alcanza 273 K, es decir, 0 °C: la temperatura defusión del hielo a presión atmosférica.



Sin embargo, aunque el trozo de hielo sigue recibiendo energía del horno,la temperatura deja ahora de aumentar: la energía cinética de las partículas,en promedio, se mantiene constante. Toda la energía que recibe el trozodel hielo, al final, se va empleando en liberar las moléculas de H2O de suslazos de sólido. Como consecuencia, cada molécula no gana energíacinética –es decir, el hielo no aumenta su temperatura– pero sí ganaenergía potencial: la misma que la pelota al subir en el aire. El resultado esalgo así:

En el extremo inferior del segmento vertical, tenemos hielo a 273 K. Segúnascendemos por ese segmento, la temperatura sigue siendo la misma,pero las moléculas van “soltándose” unas de otras y ganando así energíapotencial. En otras palabras: el hielo se va fundiendo. En la parte de abajodel segmento tenemos mucho hielo aún sin fundir y un poquitín de agua yafundida, ambos a la misma temperatura de unos 0 °C. En la mitad delsegmento hay la misma cantidad de hielo que de agua, y en la parte dearriba hay ya mucha agua líquida y muy poco hielo aún sin fundir.Finalmente, en el extremo de arriba tenemos ya, por fin, todo el H2O enforma líquida, aún a la misma temperatura.

Dado que el horno está a 1000 K, nuestra agua sigue recibiendo energíatérmica y, ahora sí, aumentando de nuevo la temperatura y, con ella, laviolencia del movimiento de las moléculas, que ahora pueden deslizarseunas sobre otras cual invitados sociables y poco afectivos en nuestrafiesta, hasta que se alcanza otro punto importante, la temperatura deebullición del agua –unos 373 K a presión atmosférica–:



Y ahora vuelve a suceder casi lo mismo de antes: las fuerzas de cohesiónno son suficientes para mantener las moléculas de H2O ni siquieradeslizándose unas sobre otras, y las escurridizas moléculas empiezan aescapar de esa atracción: el agua está hirviendo. No voy a ser aquí tandetallado como antes, porque el concepto es casi idéntico: la temperaturase mantiene constante, cada vez hay menos agua líquida y más vapor, y laenergía potencial de las moléculas aumenta aunque la cinética no lo haga.Al final del segmento tenemos ya todo nuestro H2O convertido en vapor aunos 373 K, alrededor de 100 °C:



Vaporización, ebullición y evaporación

Hay tres términos relacionados con el cambio de fase líquido-gas quese confunden a veces, de modo que merece la pena detenernos unmomento en los tres. El cambio de estado en sí se denominavaporización, que es el término más general. Aunque, como siempre,se trata de conceptos de límites borrosos, suele dividirse lavaporización en dos tipos distintos:

Cuando se trata de un proceso rápido que se produce en todo el líquido, comosucede en nuestro ejemplo de arriba, se trata de una ebullición.

Cuando se trata de un proceso más lento que se produce en la superficie decontacto entre el líquido y el aire –con lo que debe haber aire en contacto conel líquido en alguna parte–, se trata de una evaporación.

Si la ebullición fuera el único camino líquido-gas, los charcos despuésde llover se quedarían ahí para siempre, puesto que no alcanzan los373 K. Pero ¿cómo es posible que se pase de líquido a gas sinalcanzar ese punto en el que la energía cinética promedio es suficientepara largarse del líquido? La razón es precisamente ésa: que se tratade un promedio. Recuerda que cada molécula de H2O tiene unaenergía diferente, unas más que el promedio, otras menos, y se vandando energía cinética unas a otras constantemente mediante choquesentre ellas.

Cuando alguna molécula cercana a la superficie del líquido recibe, porcasualidad, un golpe “hacia fuera” con la suficiente intensidad, el



resultado será una molécula con menos energía dentro del líquido –laque le dio el empujón– y una molécula con suficiente energía paraescapar y convertirse en un “invitado asocial”, es decir, una moléculadel estado gaseoso. Evidentemente, cuanto más caliente esté ellíquido, más a menudo sucederá esto y más rápida será laevaporación, que también depende de otros factores en los que novamos a entrar en este bloque.

Pero la cosa no acaba ahí, y el H2O sigue recibiendo energía del focotérmico; ahora la temperatura vuelve a aumentar de nuevo, pues la energíacinética de las moléculas lo hace, y el vapor se calienta cada vez más:

Finalmente, nuestro vapor de agua se iría acercando cada vez más a latemperatura del horno, y una vez llegado a ese punto, dejaría de cambiar:se habría alcanzado el equilibrio térmico. Desde luego, si el horno hubieraestado lo suficientemente caliente, hubiera sido posible ir incluso más allá,hasta que empezasen a romperse las moléculas y los átomos en suscargas constituyentes, y tuviéramos un plasma… aunque, entonces, ya notendría sentido hablar de H2O, por supuesto.

También podríamos haber hecho nuestro experimento al revés, y la gráficahubiera sido la misma –sólo que la hubiéramos recorrido hacia la izquierday abajo–. Como consecuencia, hay un buen puñado de nombres quedescriben los posibles cambios de fase en un sentido y el otro; no megusta dar listas de nombres a diestro y siniestro, pero aprender a vecestambién requiere memorizar nombres. Al menos, en la mayoría de loscasos se trata de palabras bastante comunes que utilizamos a menudo.



Antes de nada, los cambios de fase que hemos descrito en el experimentofueron todos hacia estados de mayor energía, es decir, cambiosprogresivos. Si hubiéramos hecho el experimento al revés, enfriando vaporde agua, condensándolo, etc., hubiéramos producido cambios regresivos.Además, para determinadas sustancias y condiciones, es posible inclusopasar directamente del estado sólido al gaseoso –como le sucede al “hieloseco” de CO2–, con lo que ahí aparece un nuevo par de cambios de fasedirecto-inverso.

La mejor manera de visualizar y memorizar esto es, para variar, con undiagrama, así que aquí tienes uno que hecho como he podido conInkscape. He intentado poner más arriba las fases más energéticas, y másabajo las menos energéticas, como una especie de “escalera”:

Consecuencias energéticas de los cambios de faseSi has comprendido la descripción del proceso que sufrió nuestro bloquede hielo, no eres víctima ya de una de las falsas concepciones máscomunes al hablar de los estados de agregación del agua; a saber, que sitienes agua líquida y la enfrías hasta 0 °C, se congela, es decir, pasa alestado sólido. No señor: descender hasta 0 °C –a presión atmosfércia,



blah blah blah– es una condición necesaria para empezar a producir elcambio de estado, no es suficiente. A esa temperatura, como hemos vistoen el ejemplo, es posible tener agua líquida, hielo o una mezcla de ambos.

Para producir el cambio de estado es necesario, además de llegar a latemperatura adecuada, seguir transfiriendo energía en uno u otro sentido:si el cambio es progresivo (sólido → líquido), hará falta proporcionar másenergía a la sustancia, y al revés si es regresivo. De hecho, aunque en estebloque introductorio no utilicemos números, la cantidad de energíainvolucrada en los cambios de estado es sorprendentemente grande,muchas veces mayor que lo requerido para cambios de temperatura demuchas decenas de grados.

Esto es algo que hemos notado todos: cerca de un lago, un río o el mar,donde se produce constantemente la vaporización del agua –en este caso,como evaporación, no ebullición–, hace fresquito. La razón esprecisamente la que hemos mencionado antes: para escapar del líquido ypasar a gas, las moléculas de H2O necesitan energía, que obtienen… detodo lo que tienen cerca, a través de los “empujones” habituales. Comoconsecuencia, tanto el agua como el aire circundante pierden energía enforma de calor, que se emplea en producir el cambio de estado.

Pero recuerda que, aunque la temperatura sea más fresca que antes, esono quiere decir que haya menos energía en esa parte del sistema: laenergía no es “evidente” pues no es cinética, pero está almacenada en lalibertad de las moléculas, es decir, su elevada energía potencial. Esaenergía puede hacerse evidente en otro momento si producimos el cambiocontrario, condensando de nuevo el vapor de agua y desprendiendo esaenergía al entorno.

La energía de los cambios de estado no sólo es algo que hemos notado,es algo que nuestra especie ha evolucionado para emplear como unsistema de termorregulación. Aunque el sudor cumple varias funciones, unade ellas es bien simple si has entendido el artículo: nos cubre con una capade líquido más o menos caliente. Ese líquido se va evaporando y, paraello, absorbe energía de las sustancias circundantes, con lo que nos enfría.

También puedes haber notado lo contrario: cuando un día es lluvioso y elaire está muy húmedo, suele pasar, por ejemplo, que dentro de losautobuses con mucha gente dentro se condensa bastante agua sobre elinterior de los cristales. Como consecuencia, al ser un cambio regresivo,se desprende energía que calienta el interior del autobús, y hace más calordentro del que cabría esperar dada la temperatura exterior.

Esta especie de “almacenamiento invisible” de energía es utilísimo alaplicar la Termodinámica para inventar cosas como neveras o airesacondicionados, y de ahí que muchas de nuestras máquinas térmicasmanejen sustancias que, además de cambiar de temperatura, cambian deestado muchas veces durante el funcionamiento de la máquina. Y es elfundamento de la utilidad de esa maravilla tecnológica que es el botijo .

Ideas clave



Para seguir recorriendo el bloque con garantías, los siguientes conceptosdeberían haberte quedado bien claritos:

Las partículas que componen las sustancias se pueden enlazar endistinto grado, produciendo los diferentes estados de agregación ofases.

Lo que determina en qué estado se encuentra una sustancia es larelación entre la intensidad de las atracciones entre partículas y laviolencia del movimiento de éstas.

Suelen considerarse, como comportamientos ideales, cuatro fasesque, por orden energético ascendente, son: sólido, líquido, gas yplasma.

En un sólido las partículas ocupan posiciones más o menos fijas,con lo que la sustancia no puede cambiar de forma ni de volumen.

En un líquido las partículas pueden deslizarse unas sobre otras, conlo que la sustancia puede cambiar de forma, pero no de volumen.

En un gas las partículas no tienen apenas relación unas con otras,con lo que la sustancia puede cambiar tanto de forma como devolumen.

En un plasma los propios átomos se disgregan en sus cargasconstituyentes, con lo que la sustancia se comporta como un gascuyas partículas están cargadas eléctricamente.

Los cambios de fase pueden ser progresivos –si aumenta laenergía potencial de las partículas– o regresivos –si disminuye–.

Para producir un cambio de fase hace falta, además de alcanzar elestado inicial adecuado, proporcionar o robar la energía necesariapara que se produzca, y esta energía puede tener valores muygrandes.

Hasta la próxima…Existen muchas maneras de comprobar empíricamente lo que hemosdiscutido hoy, de modo que la mejor manera de terminar el artículo de hoyes con un experimento relativamente sencillo pero informativo –yespecialmente divertido si lo realizas con un niño de ayudante, paraembarcarlo en el azaroso mundo de la investigación científica–:

Experimento 1 – Evaporación y temperatura

Material necesario: dos botellas de plástico, un trapo, uno o dostermómetros de alcohol tintado –mejor que de mercurio–.

Instrucciones: Si tienes dos termómetros, puedes hacer las dos partes



del experimento a la vez, que es lo ideal; si no, tendrás que hacer unaparte primero, apuntar el resultado y luego realizar la segunda parte. Midescripción, para ser más breve, supone que haces todo a la vez.

Llena las dos botellas de agua e introduce un termómetro en cada una;a continuación, empapa el trapo de agua y envuelve una de las dosbotellas en él. Deja las dos botellas en algún lugar en el que nadiepueda golpearlas accidentalmente y espera unos 15 minutos.

Finalmente, mide y compara la temperatura de los dos termómetros.¿Dónde está la energía perdida por una de las dos botellas comparadacon la otra?

Sí, ya lo sé, nuestra mente es parte del Universo, pero seguro que entiendes lo que quiero decir. [↩]1.

The [Termodinámica I] Estados de agregación by Pedro Gómez-Esteban, unlessotherwise expressly stated, is licensed under a Creative Commons Attribution-

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Publicado por Pedro el Thursday, August 26, 2010, a

las 12:14, y clasificado en Termodinámica.

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Comentarios

Juan Carlos Giler | 26/08/2010 at 18:03 | Permalink

Simplemente aplausos, este ha sido uno de los artículos quemas me ha gustado -y de paso, que mas haya aprendido-.

Ya entiendo porque puede existir agua líquida a temperaturasmenores a cero grados (lo que me parecía imposible).

Solo una consulta, esiempre me he preguntado en que estadoestá el fuego (ese de las hogueras o el de la cocina)… supongoque es plasma???

Vuelvo a repetir .y no me cansaré- en decir: Gracias!!!!

1.



Juan Carlos Giler | 26/08/2010 at 18:39 | Permalink

Por cierto, no se si esté correcta esta frase (de este lado delmundo, no lo está): “…así que aquí tienes uno hecho mal quebien con Inkscape…” no sería mejor: “así que aquí tienes unohecho maS que bien con Inkscape”

2.

kikito | 26/08/2010 at 18:54 | Permalink

Gran articulo, como siempre. Es de estos artículos que acabascomprendiendo muchas cosas y viendo el conjunto como un todoglobal, genial!

Por cierto, creo que hay un bug (perdón errata) en el cuadroamarillo de: Vaporización, ebullición y evaporación, el 273 K noes 373 K?

3.

Pedro | 26/08/2010 at 20:17 | Permalink

@kikito, corregido, ¡gracias!

@Juan Carlos, es una expresión aquí (“mal que bien”, algo asícomo “esté como esté, probablemente no muy bien”), peroacabo de cambiarlo para que sea entendible en general.Respecto a cualquier llama normal, no es un plasma, la inmensamayoría de los átomos son aún neutros, básicamente es unamezcla de gases y (dependiendo del origen) partículas sólidasque están suficientemente calientes para brillar. Cuandohablemos de radiación hablaremos del fuego seguramente

4.


Por cierto, sé que algunos wikipedistas leéis El Tamiz: eldiagrama de cambios de fase en el artículo en castellano dewikipedia (http://es.wikipedia.org/wiki/Cambio_de_estado )está mal –identifica vaporización con ebullición–, por si alguientiene tiempo y ganas de cambiarlo. Si es de ayuda, no tengo elmenor problema en enviar el png o el svg –por si queréis hacermodificaciones– del de este artículo, con la licencia que sea másconveniente, pero seguramente sea más educado intentarmodificar el que existe o al menos hablar con su autor.

5.

J | 30/08/2010 at 07:58 | Permalink

Siempre me pregunté (y nunca nadie me lo contó) por qué loscambios de fase eran no lineales. Es decir, que yo esperaba que

6.



según vas calentando es cada vez más líquido y menos sólido,pero no: a 272K es sólido y a 274K es líquido, bruscamente.Ahora, con la analogía de la velocidad de escape de la Tierra (yponiendo una gaussiana sobre ese valor) lo he entendido.

jesús zamora | 03/09/2010 at 11:53 | Permalink

Perdón por el off-topic: estamos teniendo un debate en el blogA bordo del Otto Neurath, sobre la interpretación idealista dela mecánica cuántica (si es la mente consciente la que hace que“colapsen” las funciones de onda), pero estamos dando palos deciego por falta de alguien más experto en el tema, que nospueda decir si estamos metiendo la pata. Os agradeceremos unmontón si alguno quiere entrar a ponernos los puntos sobre lasíes.

7.

Jorge Avalos | 13/01/2011 at 17:01 | Permalink

Estimadísimo, he leído los artículos en orden (voy en este) yestoy espantado por que he aprendido más que en semestresenteros de este tema en la Universidad (sin comentarios), asíque muy agradecido!!

Lo que todavía no logro visualizar es de dónde salen los‘empujones’ que calientan el aire al condensarse el agua en elejemplo del autobús. Primero que nada, qué es primero: secondensan por que las otras partículas del aire les roban laenergía? (no creo porque en esos choques las de agua tambiénrecibirían…) o es en el proceso mismo de condensarse donde selibera la energía que calienta el aire, de alguna formaempujándolas debido a que las fuerzas intermoleculares tomanel control? Saludos y gracias!

8.


Jorge, si has entendido la evaporación, es lo mismo pero alrevés: tras condensarse, las moléculas “caen” hacia energíaspotenciales menores, con lo que ganan energía cinética, esdecir, se calientan. Y como el aire de alrededor está más frío,recibe energía térmica de lo que ahora ya es líquido y secalienta a su vez.

Y, aunque sea triste por lo de la Uni, gracias por el cumplido,estas series no son tan vistosas como otras pero llevan muchotiempo, así que me alegro de que sirvan

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Daniel López | 26/05/2011 at 11:12 | Permalink10.



Erratilla: “¿Quiere esto decir que, al enfriarse tras escapar, lasmoléculas vuelven a “caer” y quedar atrapados en el átomo?”¿No será “atrapadas en el hielo”?


Gracias, Daniel, corregido

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Marcos | 04/07/2012 at 01:56 | Permalink

En el artículo referido a Energía potencial de la serie MecánicaClasica I, decís que la energía potencial está siempre asociada aun campo de fuerzas, donde los cuerpos cobran energía segúnsu posición. Si estoy interpretando bien aquel artículo, no logroentender cuál es el campo de fuerzas presente en la estructuraatómica de una sustancia pasando de un estado de agregacióna otro. Excelente el blog!!! Está tremendo. Me estoy leyendotodo porque estoy de vacaciones… jeje

12.


Marcos, la fuerza electromagnética, que es la responsable de lasfuerzas intermoleculares.

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[Termodinámica i] estados de agregación el tamiz