Cambio de fase
Una fase es una forma elegante de describir en qué estado de la materia se encuentra algo. Los estados o fases que ocurren todos los días son sólido, líquido y gaseoso. En los sólidos, los átomos y las moléculas tienen menos energía que los líquidos, los átomos y las moléculas están más juntos, lo que permite una forma y un tamaño definidos. Las moléculas líquidas contienen más energía que los sólidos pero menos que los gases, lo que les da más fluidez de movimiento. Por lo general, toman la forma de sus recipientes, ya que no tienen una forma propia definida. Los gases tienen más energía por molécula o átomo que los líquidos. No tienen una forma definida, no importa el recipiente. Entonces, ¿qué es un cambio de fase? Un cambio de fase es el proceso en el que una sustancia gana o pierde energía de modo que las moléculas o los átomos se acercan o se alejan. Cuando un sólido gana suficiente energía, se convierte en líquido. Cuando un líquido gana suficiente energía, se convierte en gas. Cuando un gas pierde energía, se convierte en líquido. Cuando el líquido pierde energía, se vuelve sólido. Hay momentos en que un sólido gana tanta energía que se salta la fase líquida y salta directamente a gas y viceversa. Es importante señalar que el cambio de fase es un cambio físico , no químico. La sustancia todavía tiene las mismas características químicas.
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Como se ve en la imagen de arriba, la temperatura (calor), así como la presión, determinan en qué fase, ya sea sólida, líquida o gaseosa, estará una sustancia. El punto triple es el punto donde una sustancia pura será un sólido. , líquido y vapor al mismo tiempo o el punto donde coexistirán todas las fases. Cada sustancia tendrá un punto triple único. El punto crítico es el final de la curva de fase y donde las fases se vuelven indistinguibles entre sí. En otras palabras, el límite entre líquido y vapor desaparece. La presión y la temperatura alcanzan un nivel crítico. La sustancia es ahora un líquido supercrítico . La importancia de un diagrama de fases es que con algo de práctica, la fase de cualquier sustancia puede predecirse dado un cierto conjunto de parámetros. En el punto de fusión y ebullición de una sustancia, la temperatura y la presión no cambian, pero el estado de la materia sí. A medida que se agrega energía a un sistema, es absorbida por las moléculas de la sustancia, en lugar del sistema en sí, lo que provoca el cambio de fase. Una fase que no es tan común como la otra es el plasma. El plasma es más común en las estrellas, ya que está sobrecalentado, pero también está presente en los rayos y los letreros de neón. Es una sustancia de iones positivos y electrones libres que han sido arrancados de sus átomos. Dado que el plasma es responsable de una gran parte del universo visible, sus propiedades son de gran interés para los científicos. Se puede crear plasma, pero se deben agregar grandes cantidades de energía al sistema.
Ejemplos de cambio de fase
Los sólidos se caracterizan por su forma definida, entre otras cosas. Cuando las moléculas de un sólido tienen un aumento de la energía térmica o una disminución de la presión, cambian a un estado líquido. Esto, apropiadamente, se llama licuación o fusión . El galio es un metal sólido a temperatura ambiente. Cuando se sostiene en la palma de una mano, la energía térmica de la persona se transfiere a los átomos del metal galio. Lentamente, a medida que continúa la transferencia, el galio sólido se derrite o se licua en un líquido azul plateado.
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Los líquidos son mucho más fluidos. Las moléculas de un líquido tienen más energía que las de un sólido. A medida que absorben más energía, las moléculas se mueven con más vigor. Cuando alcanzan un cierto nivel de energía, las fuerzas que mantienen unido el líquido se debilitan y las moléculas escapan a la fase gaseosa. A esto se le llama hervir . Al hervir un líquido se desprende vapor o vapor. El metanol es el alcohol más simple. Su punto de ebullición es de 148,5 grados Fahrenheit. Eso significa que bajo presión normal, cuando las moléculas tienen suficiente energía, las fuerzas moleculares se superarán y se desprenderá un olor distintivo a medida que el líquido se convierte en vapor. Yendo en la dirección opuesta, el gas se enfriará y formará un líquido, que luego se enfría más para convertirse en un sólido. Cuando un gas se enfría y se convierte en líquido, este proceso se denomina condensación. Cuando un líquido pierde energía o gana presión, se convierte en sólido, esto se conoce como congelación. Cualquier sustancia que sea sólida a temperatura ambiente ya está técnicamente congelada, esta sustancia tiene un punto de congelación en algún lugar por encima de los 22 grados Celsius (75 Fahrenheit). A veces, el cambio de energía es tan rápido o tan grande que se puede omitir una fase. La deposición es un cambio de fase cuando un gas se convierte en sólido, saltándose la fase líquida. La sublimación es el cambio opuesto, el de un sólido que se convierte directamente en gas.
Cambio de fase de deposición
En un proceso industrial llamado deposición de vapor químico por combustión, un recubrimiento sólido se vaporiza, se transfiere a otra área y se deposita sobre una superficie objetivo, creando un recubrimiento superfino. La fase líquida se omite por completo. Otro ejemplo de deposición es el recubrimiento de hollín en las paredes de las chimeneas. Cuando un fuego quema objetos a base de carbono, las partículas de gas se depositan en el interior de la chimenea en forma de hollín. No hay estado líquido dentro de la chimenea porque hace demasiado calor. Cuando el vapor de carbono golpea el costado de la chimenea, el ladrillo absorbe la energía del gas y las fases del gas en un sólido.
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Cambio de fase de condensación
Lo opuesto a la vaporización es la condensación. El rocío que se forma en la hierba en las mañanas frías es un buen ejemplo de condensación. El vapor de agua del aire pierde energía cuando entra en contacto con la hierba más fría. Las moléculas de agua se acercan debido a esa pérdida de energía y las fuerzas intramoleculares toman el control, creando pequeñas gotas de agua en el suelo expuesto. El mismo proceso ocurre con las latas de refrescos frías y las botellas de cerveza. La condensación también puede ocurrir cuando se lleva una bolsa de agua caliente a una casa fresca. El vapor de agua que se ha acumulado dentro de la botella de agua golpea el plástico más frío y transfiere su energía a la botella. Luego se forman gotas de agua en el interior de la botella.
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Cambio de fase de evaporación
La evaporación puede ocurrir de dos formas. Uno, un líquido puede llegar a ebullición, expulsando moléculas a un ritmo rápido, creando vapor a través de la vaporización. Otra forma se llama simplemente evaporación. Esto sucede lentamente, a medida que las moléculas se acercan a la superficie con suficiente energía y el momento direccional correcto, rompen los enlaces intramoleculares y la tensión superficial del líquido, escapando a la atmósfera. Si un líquido se deja sin cubrir, eventualmente «desaparecerá». En realidad, se ha evaporado lentamente con el tiempo, y todo el líquido se convierte en gas. Las piscinas necesitan constantemente que se les agregue agua debido a la simple evaporación. La ropa se seca en la línea a medida que el agua se escapa a la atmósfera.
Cambio de fase de sublimación
Prueba este experimento en casa. Llene las bandejas de cubitos de hielo y colóquelas en el congelador para que se congelen. En seis meses, verifique cómo les está yendo. Los cubitos de hielo serán mucho más pequeños de lo que se puso originalmente en el congelador. Esto se debe a la sublimación, un proceso en el que un sólido salta la etapa líquida y pasa directamente a un gas. El hielo seco también hace esto. Debido a que el punto de ebullición del dióxido de carbono es tan bajo, cuando se saca a temperatura ambiente, el sólido se sublima, convirtiéndose en vapor de dióxido de carbono, saltándose el estado líquido por completo.
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Cambios de fase del agua
Una de las sustancias más importantes para la sostenibilidad de la vida es el agua. El agua se presenta en forma sólida (hielo), líquida (agua) y gaseosa (vapor de agua) en la naturaleza. El ciclo del agua es una parte importante de todos los ecosistemas. El agua se acumula en océanos y lagos, donde se evapora en vapor de agua y se escapa a la atmósfera. Allí, se condensa en polvo para crear nubes. El agua también puede pasar por el proceso de deposición, pasando de vapor a sólido, formando cirros. Estas son nubes delgadas y tenues en lo alto de la atmósfera. Cuando las nubes se vuelven demasiado pesadas con gotas de agua, se producen precipitaciones, generalmente en forma de lluvia o nieve, dependiendo de la temperatura. El vapor de agua también puede condensarse en el suelo en forma de rocío cuando la tierra está más fría que el aire. En el invierno, en algunos lugares, los lagos y ríos se congelan, formando una capa de hielo sobre el agua líquida. Debido a que los cristales de hielo son menos densos que el agua líquida, el hielo flota hacia la superficie, lo que permite que la vida marina y de agua dulce continúe bajo la superficie congelada. Cuando el clima se calienta, también lo hace el agua, derritiendo el hielo. La escorrentía de primavera alimenta lagos y ríos en altitudes más bajas, provocando crecimiento y renovación a medida que avanza.
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Resumen de la lección
El cambio de fase ocurre cuando se agregan o eliminan energía y presión de un sistema. Las fases que se encuentran con mayor frecuencia en la naturaleza son sólida, líquida y gas / vapor.
¿Cuál es la Diferencia entre Evaporación y Ebullición?
- La evaporación es el proceso de cambio de líquido a vapor, también llamado ebullición . Esto sucede en el punto de ebullición de un líquido.
- La condensación ocurre cuando un gas / vapor pierde energía o gana presión para pasar a un estado líquido.
- La sublimación ocurre cuando se forma un gas a partir de un sólido, saltándose el estado líquido.
- La deposición es el proceso opuesto a la sublimación y es cuando el gas pasa a ser sólido, saltándose la fase líquida.
- La congelación es un proceso en el que un líquido pierde energía o gana suficiente presión para convertirse en sólido.
- La fusión ocurre cuando un sólido gana energía o pierde presión para convertirse en fluido o líquido.
A veces, la presión y la energía de un sistema son tan altas que se forma un fluido supercrítico . Cuando desaparece el límite entre un líquido y un vapor, el vapor y el líquido son indistinguibles. Este punto se llama punto crítico. Otro punto importante en un diagrama de fases es el punto triple . Cuando un sistema alcanza una determinada temperatura y presión, las tres fases pueden coexistir juntas.
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