Diagrama de fases del agua frente a otras sustancias: diferencias y significado

Publicado el 7 septiembre, 2020

¿Qué es un diagrama de fases?

Imagina que has sido transportado al futuro y es tu trabajo determinar si el Planeta Z podría tener agua líquida en su superficie. Tienes una herramienta científica conocida como diagrama de fases para ayudarte a resolver esto. Un diagrama de fases muestra el estado en el que se encuentra una sustancia a diferentes presiones y temperaturas.

Los diagramas de fase están relacionados con los cambios de fase. Puede que no estés familiarizado con el término científico cambio de fase en este momento, pero probablemente hayas presenciado bastantes cambios de fase en tu vida. ¿Alguna vez has notado charcos helados? ¿O rocío sobre las hojas de las plantas? ¿O al vapor que sale de una olla mientras hierve el agua? Bueno, todos esos son cambios de fase, o el cambio de un estado a otro. En este contexto, la palabra “estado” se refiere a la forma de una sustancia: sólida, líquida o gaseosa.

Dediquemos un momento a hablar sobre los cambios de fase y a dar algunos ejemplos. Cuando un sólido se convierte en líquido, se produce la fusión . Piense en un cubo de hielo derritiéndose en un vaso. Por el contrario, cuando un líquido se convierte en sólido, se produce una congelación . Eso es lo que pasó con esos charcos congelados.

Cuando un líquido se convierte en gas, se produce la vaporización . Es por eso que ves que el vapor de agua sale de tu olla mientras hierves los fideos. Mucha de esa agua sale de la olla como vapor de agua, un gas. Lo contrario de esto es la condensación . Esto es cuando un gas se convierte en líquido. Piense en el rocío de las hojas. El gas en el aire se enfrió y parte se convirtió en líquido o rocío.

Este último cambio de fase probablemente sea menos familiar: cuando un sólido se convierte en gas o sublimación . Si alguna vez ha visto hielo seco o dióxido de carbono sólido, probablemente lo haya visto convertirse directamente en gas. Cuando un gas se convierte directamente en sólido, se produce una deposición . Puede notar esto cuando conduce a través de la niebla a temperaturas bajo cero y el hielo se acumula en el parabrisas.

Entonces, ¿qué tiene esto que ver con encontrar agua líquida en el Planeta Z? No te preocupes, estoy llegando. Volvamos a esos cambios de fase.

Todos estos cambios de fase ocurren a ciertas temperaturas y presiones. Por ejemplo, el agua hierve a 212 grados F (o 100 grados C) a una presión de 1 atmósfera. Pero digamos que quieres hervir agua en el fondo de un pozo profundo que tiene una presión de 3 atmósferas. Debido a esta diferencia de presión, el punto de ebullición del agua sería más alto que al nivel del mar.

Pero, ¿y si quisieras hervir agua en la cima de una montaña alta donde hay menos presión? ¡Sí, lo adivinaste! Es más fácil hervir el agua cuando hay menos presión, lo que significa que el punto de ebullición es más bajo.

De modo que puede ver que los puntos de ebullición cambian dependiendo de factores como la presión. Esto también es válido para los otros cambios de fase.

Por lo tanto, es posible que se pregunte: ‘¿Cómo diablos la gente mantiene todas estas presiones, temperaturas y cambios de fase en orden?’ Bueno, para eso son exactamente los diagramas de fase. Este diagrama de fases te ayudará a determinar si hay agua líquida en el Planeta Z:


Diagrama de fases del agua
diagrama de fases para el agua

Diagrama de fases del agua

Dado que necesita averiguar si el agua puede existir en su forma líquida en el Planeta Z, comencemos por examinar el diagrama de fases del agua.

El eje x está etiquetado como ‘T’ para la temperatura y el eje y está etiquetado como ‘P’ para la presión.

Notarás que el gráfico está separado en tres partes: las fases sólida, líquida y gaseosa de la sustancia. Cada línea que separa las diferentes fases es donde están en equilibrio. Por ejemplo, en la línea que separa el agua líquida y el agua sólida, o hielo, el agua es parcialmente líquida y parcialmente sólida. Ambas fases existen en este punto. Cuando no estás en la línea, solo existe una fase.

Cuando cruzas la línea, ha habido un cambio de fase. Por ejemplo, cuando se cruza de sólido a líquido, se ha producido una fusión. O cuando pasas de un gas a un líquido, se ha producido condensación, ¡pero creo que ya entiendes la idea!

Antes de comparar el agua con otras sustancias, echemos un vistazo más de cerca a un par de puntos del gráfico. Primero, eche un vistazo al punto triple . Este es el punto donde el agua está en equilibrio entre sólido, líquido y gas. En otras palabras, las tres fases ocurren en este punto.


Triple punto
punto triple en el diagrama de fase

A continuación, revise el punto crítico. Por encima del punto crítico , existe una sustancia como fluido supercrítico. Un fluido supercrítico es un gas que está realmente comprimido, por lo que se comporta como un gas con algunas propiedades de un líquido. No se puede convertir un fluido supercrítico en líquido sin bajar la temperatura. Cada sustancia tiene un punto crítico y un punto triple únicos.


Punto crítico
punto crítico en el diagrama de fase

Bien, ¿puede el Planeta Z tener agua líquida? Bueno, primero tenemos que averiguar la temperatura y la presión en la superficie. Por nuestros instrumentos futuristas, sabemos que la temperatura es extremadamente fría y la presión es realmente baja. Entonces, si miramos el gráfico, parece que si hay agua en el Planeta Z, probablemente esté en forma sólida o de hielo.

¡Excelente trabajo en tu primera misión! Pero los diagramas de fase pueden verse un poco diferentes según la sustancia y el estilo del gráfico, por lo que es mejor que se familiarice con algunos.

Algunos usan grados Celsius, otros usan Kelvin y algunos usan atmósferas y otros usan diferentes unidades de presión. Algunos parecen realmente simples. Y algunos son muy coloridos.


Ejemplos de diagramas de fase
dos ejemplos de diagramas de fase de aspecto diferente

Comparación de diferentes diagramas de fase

También podría ser una buena idea comparar el diagrama de fase del agua con otra sustancia, porque quién sabe qué te harán buscar a continuación en el Planeta Z. Si comparas el agua con otras sustancias, notarás un par de diferencias. Comencemos comparando el agua con el dióxido de carbono, que es el gas que está exhalando en este momento.


Diagramas de fase para agua y dióxido de carbono
diagramas de fases para agua y CO2

Notarás que la línea que separa el agua sólida y el agua líquida se inclina hacia la izquierda.

Ahora mire la misma línea para el dióxido de carbono. Notarás que se inclina hacia la derecha. Entonces, ¿qué significa esta diferencia? Bueno, es una de las formas en que el diagrama de fase del agua es diferente. El agua tiene una estructura única que hace que el líquido sea más denso que el sólido. La densidad es cuánta masa hay en un cierto volumen. Tomemos un momento para ver algunos ejemplos que ha visto, pero probablemente nunca pensó mucho.

  • El hielo flota en el agua porque el hielo es menos denso que el agua líquida.
  • Si congela agua en un frasco de vidrio, lo romperá porque el hielo es menos denso y la misma cantidad de hielo ocupa más espacio que cuando era agua.

Tanto el agua como el dióxido de carbono tienen diferentes puntos críticos y también puntos triples. Veamos el diagrama de fases del carbono frente al agua.


Diagramas de fase para agua y carbono
diagramas de fase para agua y carbono

Notará que este diagrama de fase en particular tiene dos formas sólidas: grafito y diamante. También notará que la línea que separa el sólido del líquido se inclina hacia la derecha, como el dióxido de carbono. Una vez más, el agua es bastante única en el sentido de que esta línea se inclina hacia la izquierda. Finalmente, todas las sustancias tienen puntos triples y puntos críticos diferentes, por lo que el agua y el carbono tienen valores diferentes para estos puntos.

Resumen de la lección

Los científicos usan diagramas de fases para organizar mucha información en un gráfico. Es útil saber a qué temperatura y presión una sustancia será líquida, sólida o gaseosa, como vio cuando descubrió que no había agua líquida en el Planeta Z. Los científicos de la vida real usaron un diagrama de fases del agua para determinar si era agua líquida en Marte, y descubrieron que hacía demasiado frío y la presión era demasiado baja (¡como en el Planeta Z!). Tomemos un momento para revisar algunas ideas importantes.

  • Los diagramas de fase son gráficos con temperatura en un eje y presión en otro eje.
  • Se dividen en secciones que indican en qué estado se encuentra una sustancia a determinadas presiones y temperaturas.
  • El agua es bastante única porque su línea de fusión se inclina hacia la izquierda. La mayoría de las otras sustancias se inclinan hacia la derecha. Esto se debe a las propiedades únicas del agua que la hacen menos densa como sólido que como líquido.

Bueno, me acabo de enterar que te vas a otra misión. ¡Buena suerte y no olvides llevar tu diagrama de fases!

Los resultados del aprendizaje

Después de revisar esta lección, debería tener la capacidad de:

  • Explicar cómo leer diagramas de fase y su propósito.
  • Identificar las diferentes fases que pueden ocurrir.
  • Definir punto triple y punto crítico
  • Utilice un diagrama de fases para determinar si un entorno en particular puede soportar una sustancia en particular en una fase en particular
  • Recuerde por qué el agua es única según su diagrama de fases
  • Compara el diagrama de fases del agua con los del carbono y el dióxido de carbono.

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