Modelado de cambios en el estado: calor y energía

Fases de la materia

Anoche, después de cenar, fui a la cocina y tomé un vaso de agua helada. Justo cuando estaba a punto de llevármelo a la sala de estar, recibí una llamada telefónica. Cuando esa llamada terminó treinta minutos después, volví a ese vaso de agua helada y descubrí que ya no contenía hielo. Ahora, o algunos pequeños elfos de la cocina vinieron y robaron todo el hielo de mi vaso, o el hielo se derritió. Por mucho que me gusten algunos elfos de la cocina (quién sabe, ¡tal vez también laven los platos!), Sé lo suficiente sobre el calor y la energía para saber que la fusión es la opción más probable aquí. De hecho, usted también lo hace, incluso si todavía no se da cuenta.

Quizás recuerde que hay tres fases de materia llamadas sólido, líquido y gas. Experimentas estas fases a tu alrededor todo el tiempo. El suelo sobre el que caminas, el agua que bebes y el aire que respiras, solo por nombrar algunos ejemplos. Pero lo que es realmente genial es que la materia puede cambiar de una fase a otra con la adición o sustracción de energía. Esta transferencia de energía también se conoce como calor .

Antes de continuar, necesito dejar una cosa muy clara. Cuando la materia pasa por un cambio de fase, lo llamamos un cambio físico , porque no hay ningún cambio en la composición química de la materia. En otras palabras, no se rompen enlaces, no se reorganizan moléculas, nada de esa naturaleza. Esto es realmente importante porque los cambios físicos generalmente se pueden revertir, pero los cambios químicos no. Por ejemplo, puede volver a congelar el agua derretida en hielo, pero no puede volver a quemar un trozo de madera. ¿Tener sentido? ¡Excelente!

Derretir y congelar

Volvamos a nuestro vaso de agua para ver cómo la energía influye en las diferentes fases de la materia. Cuando está en la fase sólida del hielo, nuestra agua tiene muy poca energía, pero hay algo allí. Aunque no lo parezca, las partículas de ese hielo están vibrando muy levemente. No podemos verlo porque está sucediendo a escala molecular y tienen tan poca energía que solo vibran un poquito, pero no lo suficiente para moverse. Así que nos quedamos con un trozo de hielo sólido que no hace nada más que sentarse allí y ser hielo. Pero si agregamos algo de energía a este cubo de hielo, sucede algo asombroso. Se derrite en agua líquida. Derritiendoes solo el cambio de sólido a líquido y ocurre cuando agregamos energía (calor) a un sólido. Al agregar energía al hielo, agregamos energía a las partículas dentro de ese hielo y ahora pueden moverse un poco más.

Puedes probar esto en casa. Pon un cubo de hielo en un vaso e intenta moverlo. Todo el cubo de hielo chocará alrededor del vaso en una sola pieza. Pero si hace esto con agua líquida, fluirá alrededor del vaso como lo hace cualquier buen líquido. Las partículas en el líquido no se mantienen juntas tan firmemente como las partículas dentro de un sólido, por lo que, a diferencia de un sólido, un líquido se esparcirá para tomar la forma de su recipiente hasta la superficie del líquido.

Ahora bien, ¿qué crees que pasará si recuperamos nuestra energía para obtener agua líquida? Así es, terminaremos con hielo sólido nuevamente. Este cambio de líquido a sólido se llama congelación y puede pensar en él como lo contrario de derretirse. De hecho, aunque los puntos de fusión y congelación de las sustancias son diferentes entre sí, son los mismos para esa sustancia. Lo que quiero decir con esto es que, mientras que el agua y el mercurio se derriten a diferentes temperaturas, el agua se derrite y se congela a 0% Celsius y el mercurio se derrite y se congela a -39% Celsius. Genial, ¿eh?

Evaporación y condensación

Si en lugar de quitarle energía a nuestra agua líquida, le agregamos energía, terminaremos con un gas. Este cambio de líquido a gas se llama evaporación , pero es posible que esté más familiarizado con el término ebullición , que es como describimos el líquido durante este cambio de fase. Al agregar energía al agua, estamos energizando esas partículas de agua y ahora pueden moverse aún más que en su fase líquida, tanto que de hecho se extienden para tomar la forma de todo el recipiente. Ese recipiente puede ser un frasco, una cocina o toda la atmósfera.

Puede probar esto en casa simplemente hirviendo una olla de agua en la estufa. Una vez que el agua se caliente lo suficiente, comenzará a burbujear. Esas burbujas son agua líquida que se convierte en agua gaseosa, también llamada vapor de agua, y están tratando de escapar. Y, lo crea o no, una vez que el agua alcanza ese punto de ebullición, su temperatura no continúa aumentando sin importar cuánto aumente el calor debajo. En cambio, el agua sigue pasando de líquido a gas y se evapora en el aire.

¿Crees que podemos eliminar el calor del vapor de agua para recuperar nuestra agua líquida? ¡Apuesta! Este cambio de gas a líquido se llama condensación y también lo ha visto antes. Solo ve a sentarte afuera en un caluroso día de verano con un vaso de limonada fría y muy pronto tu vaso comenzará a sudar. Este sudor es solo vapor de agua en el aire que se condensa en el exterior de su vaso como agua líquida. El vaso es más frío que el aire circundante, por lo que cuando el agua en el aire golpea su vaso frío, la energía (o calor) se transfiere y se convierte de nuevo en agua líquida.

Y al igual que con la congelación y la fusión, puede pensar en la evaporación y la condensación como cambios de fase inversa. Eso también significa que la temperatura a la que se produce este cambio de fase es la misma en ambos lados para una sustancia determinada. En otras palabras, la temperatura a la que el agua se evapora y se condensa es la misma: 100% Celsius. Al igual que la temperatura a la que el mercurio se evapora y se condensa es la misma: la friolera de 357% Celsius.

Resumen de la lección

La materia existe en tres fases diferentes : sólida, líquida y gaseosa. Debido a que estos son cambios físicos , las propiedades químicas de la materia no se alteran, solo su estado físico. Esto significa que podemos ir y venir entre fases y lo hacemos agregando o restando calor a la sustancia. El derretimiento es cuando un sólido cambia a líquido, como cuando el hielo se derrite en agua líquida. Aquí estamos agregando energía y, por lo tanto, energizando las partículas del sólido. Se mueven más y, listo, también lo hace la materia en su nueva fase líquida. Lo contrario de esto se llama congelación.y es cuando un líquido se convierte en sólido. En este caso, estamos eliminando calor, lo que ralentiza las partículas y las devuelve a un estado más estoico. Pero también podemos agregar aún más energía a un líquido, como cuando hervimos agua, que nos da un gas. Este cambio de fase se llama evaporación . El reverso de este cambio de fase se llama condensación y ocurre cuando un gas cambia a líquido. Para este cambio de fase, eliminamos energía de la sustancia, lo que ralentiza las partículas de su fase gaseosa, más energética.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador