Punto de congelación del agua, ecuación y ejemplos

¿Qué es un punto de congelación?

Las sustancias pueden existir en tres estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso. El agua es única porque es la única sustancia que existe naturalmente en los tres estados de la materia en la Tierra. Las fases se caracterizan por la cantidad de energía interna que tienen las moléculas. La energía interna de un sistema es la cantidad de interacción y energía de las moléculas dentro del sistema. Un gas existe cuando las moléculas tienen la mayor energía interna y están muy separadas. El agua en fase gaseosa existe como vapor de agua. A medida que se pierde energía interna, el agua puede volver a convertirse en agua líquida. Estas moléculas tienen menos energía interna que el agua en la fase gaseosa y no están tan dispersas. A medida que se pierde más energía interna, el agua puede congelarse y convertirse en un sólido. Un sólido existe cuando las moléculas están muy compactas y son rígidas. Cuando el agua líquida se congela se vuelve sólida.

Todos los líquidos tienen una temperatura específica a la que se convierten en sólidos. El punto de congelación es la temperatura a la que un líquido se convierte en sólido. Cuando el agua líquida se congela, se resta energía del sistema. Cada vez que una sustancia cambia de fase, la temperatura no cambia; sólo cambia la energía dentro del sistema. Este cambio de fase ocurre cuando se elimina suficiente calor para acercar las moléculas y congelarlas. A medida que baja la temperatura, los líquidos se congelarán. El punto de congelación varía según los diferentes líquidos y la masa de la sustancia. Las masas de agua más grandes tienen más masa; por lo tanto, es necesario perder más energía para convertir el líquido en sólido. Por ejemplo, para congelar un lago pequeño sería necesario perder más energía que un vaso de agua.

¿Qué temperatura se está congelando?

El agua se congelará a 0 grados Celsius, que son 32 grados Fahrenheit. Cada vez que la temperatura cae por debajo de estos, el agua líquida comenzará a convertirse en hielo. El agua se comporta de manera muy diferente a otros líquidos. Cuando el agua líquida se congela, las moléculas se dispersan, haciendo que el hielo sea menos denso que el agua líquida. Los espacios entre las moléculas crean una menor densidad y explican por qué el hielo flota. Por ejemplo, el hielo que se pone en un vaso de agua flotará hasta la superficie. Por esta razón, los icebergs también flotan en el océano.

Ecuación para el punto de congelación del agua

Para que una sustancia cambie de fase, se debe sumar o restar energía del sistema. Cuando el agua líquida se congela, se resta energía del sistema. Cada vez que una sustancia cambia de fase, la temperatura no cambia. La energía dentro del sistema cambia. Para calcular la energía necesaria para cambiar de fase se utiliza la siguiente fórmula.

$$Q=-(ml_f) $$

• Q = calor requerido para cambiar la energía del sistema (medido en julios)
• m = masa de la muestra (medida en kilogramos)
• Lf = calor latente de fusión (medido en julios/kilogramo)

El calor latente de fusión (Lf) es la cantidad de energía necesaria para cambiar una unidad de muestra de líquido a sólido. En otras palabras, es la cantidad de energía necesaria para congelar la muestra. El calor latente de fusión del agua es {eq}3,33 x 10^5 J/kg {/eq} a 0 grados Celsius.

Ejemplos del punto de congelación del agua

Para comprender mejor el punto de congelación, esta sección se centrará en algunos ejemplos de cómo resolver problemas utilizando la ecuación anterior. En los problemas siguientes aparece un signo negativo. El signo negativo indica que la sustancia está perdiendo energía para congelarse.

Ejemplo 1

¿Cuál es la energía necesaria para convertir 5 kg de agua en hielo?

Ingrese los valores dados y use un signo de interrogación para indicar para qué variable se está resolviendo:

P =?

metro = 5 kg

Lf= {eq}3,33 x 10^5 J/kg {/eq}

Conecta y resuelve:

Q = -(5,0 kg)({eq}3,33 x 10^5 J/kg {/eq})

Q = {eq}-1,7 x 10^6 J {/eq}

Ejemplo 2

Un pequeño charco de agua se congela. Si la cantidad de líquido en el charco era de 10 kg, ¿cuánta energía se necesitó para congelarlo?

Ingrese los valores dados y use un signo de interrogación para indicar para qué variable se está resolviendo:

P =?

metro= 10 kg

Lf= {eq}3,33 x 10^5 J/kg {/eq}

Conecta y resuelve:

Q = -(10,0 kg)({eq}3,33 x 10^5 J/kg {/eq})

Q = {eq}-3,3 x 10^6 J {/eq}

Resumen de la lección

El agua existe en los 3 estados de la materia (sólido, líquido y gaseoso) de forma natural en la Tierra. El agua como sólido es hielo, como líquido es agua líquida y como gas es vapor de agua. Esta lección se centra en el hielo en estado sólido. El agua se congela a 0 grados Celsius y 32 grados Fahrenheit. El punto de congelación es la temperatura a la que un líquido se convierte en sólido. Cuando el agua líquida se congela, la energía interna se elimina del sistema. Cada vez que una sustancia cambia de fase, la temperatura no cambia, solo cambia la cantidad de energía interna dentro del sistema. Este cambio de fase ocurre cuando se elimina suficiente calor para acercar las moléculas y congelarlas. Las masas de agua más grandes tardan más en congelarse que las cantidades más pequeñas. Esto se debe a que es necesario eliminar más energía de la sustancia para congelar cantidades mayores de sólido. Por ejemplo, para congelar un lago pequeño sería necesario perder más energía que un vaso de agua.

Las sustancias cambiarán de fase cuando se agregue o elimine energía del sistema. Cuando el agua líquida se congela, se resta energía del sistema. Para calcular la energía necesaria para cambiar de fase se utiliza la siguiente fórmula.

$$Q=-ml_f $$

• Q = calor requerido para cambiar la energía del sistema (medido en julios)
• m = masa de la muestra (medida en kilogramos)
• Lf = calor latente de fusión (medido en julios/kilogramo)

El calor latente de fusión (Lf) es la cantidad de energía necesaria para cambiar una unidad de muestra de líquido a sólido. En otras palabras, es la cantidad de energía necesaria para congelar la muestra. El calor latente de fusión del agua es {eq}3,33 x 10^5 J/kg {/eq} a 0 grados Celsius. Observe que hay un signo negativo delante de la ecuación, lo que indica una pérdida de energía en el sistema.