Los cambios de estado y sus gráficas de calentamiento

2.4. Los cambios de estado y sus gráficas de calentamiento

Tema 2: La materia y sus estados | Física y Química 2º ESO

1. ¿Qué son los cambios de estado?

Como ya sabemos, una misma sustancia puede encontrarse en estado sólido, líquido o gaseoso dependiendo de las condiciones de temperatura. Cuando modificamos la temperatura de un cuerpo, sus partículas absorben o desprenden energía, lo que provoca una transformación física conocida como cambio de estado.

Es muy importante recordar que durante un cambio de estado la sustancia sigue siendo exactamente la misma químicamente (por ejemplo, hielo, agua líquida y vapor siguen siendo moléculas de $H_2O$), lo único que cambia es la distancia entre sus partículas y la forma en que se ordenan o mueven.

🗺️ Clasificación de los cambios de estado

🔥 Cambios Progresivos (Absorben calor)

• Fusión: De sólido a líquido (ej. el hielo se derrite).
• Vaporización: De líquido a gas (ej. hervir agua o evaporación).
• Sublimación progresiva: De sólido a gas directamente (ej. el yodo o el hielo seco).

❄️ Cambios Regresivos (Desprenden calor)

• Solidificación: De líquido a sólido (ej. el agua congela en el congelador).
• Condensación (o Licuefacción): De gas a líquido (ej. gotitas en el vaho de un cristal).
• Sublimación regresiva (o Deposición): De gas a sólido (ej. la escarcha en invierno).

2. ¿Qué ocurre a nivel microscópico durante un cambio de estado?

Para entender por qué una sustancia cambia de estado, debemos aplicar la Teoría Cinético-Molecular (TCM). Cuando calentamos una sustancia, suministramos energía en forma de calor que afecta directamente a sus partículas:

• En la Fusión (Sólido ➔ Líquido): Al calentar el sólido, las partículas aumentan su vibración hasta que logran romper las fuerzas rígidas que las mantenían en posiciones fijas. Empiezan a deslizarse unas sobre otras: el sólido se funde.
• En la Vaporización (Líquido ➔ Gas): Las partículas líquidas adquieren tanta velocidad y energía cinética que vencen por completo las fuerzas de atracción que las unían. Se escapan del líquido y se mueven de forma libre y caótica por el espacio: el líquido se convierte en gas.
• ¿Qué diferencia hay entre Evaporación y Ebullición?
  • La evaporación ocurre solo en la superficie del líquido, a cualquier temperatura y de forma lenta (ej. un charco que se seca).
  • La ebullición ocurre en toda la masa del líquido, a una temperatura fija y determinada (temperatura de ebullición) y de forma rápida (ej. agua burbujeando a 100 °C).

3. Las Gráficas de Calentamiento: ¿Qué sucede con la temperatura?

Cuando calentamos una sustancia sólida de forma continuada (aportando calor de manera constante en el tiempo) y medimos su temperatura a intervalos regulares, obtenemos una gráfica de calentamiento. Esta gráfica tiene una forma muy característica con tramos inclinados y tramos horizontales.

⚠️ El gran secreto de los cambios de estado:
Mientras una sustancia está cambiando de estado (por ejemplo, derritiéndose o hirviendo), la temperatura permanece completamente constante, aunque le sigamos suministrando calor. Todo el calor que absorbe en ese momento no se usa para subir la temperatura, sino para romper las fuerzas de unión entre sus partículas.

📈 Esquema de una Gráfica de Calentamiento (ej. Agua)

📖 Interpretación paso a paso de la gráfica:

• Tramo inclinado ascendente (Sólido): La temperatura sube a medida que calentamos el hielo. Las partículas vibran cada vez más rápido.
• Tramo horizontal (Fusión - 0 °C): El hielo comienza a convertirse en agua líquida. La línea es completamente plana: conviven hielo y agua a 0 °C. La temperatura no sube hasta que todo el sólido se ha fundido.
• Tramo inclinado ascendente (Líquido): Todo es ya agua líquida. Al seguir aplicando calor, la temperatura del agua sube desde los 0 °C hasta los 100 °C.
• Tramo horizontal (Ebullición - 100 °C): El agua empieza a hervir y se transforma en vapor. La línea vuelve a ser horizontal: conviven agua líquida y vapor a 100 °C. Toda la energía se emplea en separar las partículas para convertirlas en gas.
• Tramo inclinado ascendente (Gas): Una vez evaporada toda el agua, el vapor resultante sigue calentándose y su temperatura vuelve a subir.

✏️ Actividades de consolidación (Apartado 2.4)

1. Identificación de cambios de estado: Indica qué nombre recibe cada uno de los siguientes cambios de estado en la naturaleza:
   • a) La formación de cubitos de hielo cuando metemos agua líquida en el congelador.
   • b) La aparición de charcos de agua en las hojas de las plantas por la mañana (rocío) al enfriarse la humedad del aire.
   • c) La desaparición de una pastilla ambientadora sólida en un armario sin dejar rastro de líquido.
   • d) El secado de la ropa mojada tendida al sol.
2. Análisis de temperatura constante: Durante el proceso de fusión de un bloque de hielo puro, un alumno observa que el termómetro marca 0 °C durante varios minutos mientras el hielo se derrite. El alumno afirma: "Como el termómetro no sube, el mechero no está transmitiendo calor al hielo". ¿Tiene razón el alumno? Explícalo utilizando la Teoría Cinético-Molecular.
3. Interpretación de gráfica: Observando una gráfica de calentamiento de una sustancia desconocida, se aprecia un tramo horizontal exactamente a los 80 °C.
   • a) ¿Qué cambio de estado se está produciendo en ese tramo horizontal?
   • b) Si la sustancia estuviera enfriándose en lugar de calentarse, ¿cómo se llamaría ese mismo cambio de estado a 80 °C?
4. Diferencia clave: Explica con tus palabras y mediante un ejemplo cotidiano la diferencia fundamental entre evaporación y ebullición.
5. Resolución de un problema gráfico: Imagina que calentamos una sustancia pura que se encuentra inicialmente en estado sólido a -20 °C. Su punto de fusión es 50 °C y su punto de ebullición es 150 °C. Describe cómo sería su gráfica de calentamiento (cuántos tramos inclinados tendría y a qué temperaturas se producirían los tramos horizontales).

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1. Identificación de cambios:
   • a) Solidificación.
   • b) Condensación.
   • c) Sublimación progresiva.
   • d) Vaporización (evaporación).
2. Razonamiento térmico: No tiene razón. El mechero sí está aportando calor constantemente, pero esa energía no se emplea en aumentar la velocidad de las partículas (por lo que la temperatura no sube), sino en vencer las fuerzas de atracción que mantienen ordenadas las partículas del sólido para transformarlas en líquido.
3. Análisis de la gráfica:
   • a) Se está produciendo la fusión (o solidificación si estuviera en sentido inverso, aunque el enunciado habla de calentamiento, por lo que es fusión o ebullición según el contexto; si son 80°C para una sustancia pura concreta, es su temperatura de cambio de estado).
   • b) Si la sustancia se estuviera enfriando a esa misma temperatura, el cambio inverso de gas a líquido sería la condensación, o de líquido a sólido sería la solidificación.
4. Evaporación frente a Ebullición: La evaporación ocurre lentamente a cualquier temperatura y solo en la superficie (ej. charcos secándose). La ebullición ocurre de forma rápida, a una temperatura fija y en toda la masa del líquido generando burbujas (ej. agua hirviendo a 100 °C en un cazo).
5. Descripción del perfil gráfico: La gráfica tendrá 3 tramos inclinados (calentamiento del sólido de -20 a 50 °C; calentamiento del líquido de 50 a 150 °C; calentamiento del gas por encima de 150 °C) y 2 tramos horizontales (el primero a 50 °C correspondiente a la fusión, y el segundo a 150 °C correspondiente a la ebullición).