Para entender los cambios del estado físico es necesario hablar un poco más de dos factores muy vinculados a ellos: la temperatura y la presión.
- La temperatura es una medida de la cantidad de calor de un cuerpo. Entre más alta sea ésta, más rápido se mueven las partículas que forman el cuerpo. Los valores de temperatura a que se producen los cambios de estado varían de una sustancia a otra. Una sustancia puede ser identificada con base en la temperatura a la cual ocurre un cambio de estado.
Las temperaturas a que suceden los cambios de estado reciben los nombres de puntos de fusión, de ebullición, de condensación y de licuefacción. Más adelante explicaremos cada uno de estos.
- La presión se define como la fuerza aplicada sobre un área
determinada de un cuerpo. Si ésta se incrementa, las partículas
de la materia se acercan unas a otras, es decir, se incrementa la
fuerza de cohesión entre ellas; por ejemplo, los gases pueden
convertirse en líquidos si son sometidos a altas presiones.
- La presión atmosférica es la fuerza que ejercen los gases de la atmósfera sobre la superficie terrestre. En el nivel del mar, esta presión es capaz de elevar una columna de mercurio a 760 mm. La presión atmosférica disminuye a medida que aumenta la altura sobre el nivel del mar.
Los cambios de estado o de fase pueden provocarse si se proporciona calor a la materia, a presión constante. Esa presión constante coincide, generalmente, con la presión atmosférica. El calor suministrado a la materia eleva la temperatura de ésta hasta que se alcanza el punto de cambio de fase; en ese momento, la temperatura de la muestra deja de aumentar y la energía calorífica se utiliza para el cambio de estado. A continuación se describen los cambios de estado o fase.
- Fusión. Es el proceso por el cual un sólido pasa al estado líquido. En la Fig. 1, la línea roja de la gráfica muestra cómo cambia la temperatura de un trozo de hielo calentado a presión constante. Como puede observarse, se llega a un punto en que no hay incremento de temperatura, a pesar de que se sigue proporcionando calor. La temperatura se mantiene constante durante un periodo de 20 minutos, después del cual vuelve a aumentar porque termina el cambio de fase.
Fig. 1 Fusión/solidificación.
-
Ebullición. Si se continúa calentando un líquido, éste pasará al estado gaseoso en un proceso conocido como ebullición. En la Fig. 2 se muestra que la temperatura no varía mientras el líquido hierve. Es importante notar que esta gráfica es similar a la del proceso de fusión.
- Condensación o licuefacción. Consiste en el paso del
estado gaseoso al líquido. En el extremo superior derecho de
la gráfica Fig. 2, la sustancia es un gas. Cuando ocurre el cambio
de fase, la temperatura del cuerpo se mantiene estable durante tres
minutos; el vapor se está condensando. Por tanto, la gráfica
Fig. 2 muestra el proceso de ebullición de izquierda a derecha,
y el de condensación de derecha a izquierda.
- Solidificación. Es la conversión de un líquido
en sólido mediante enfriamiento. Por ejemplo, el agua es líquida
entre 0°C y 100°C; cuando alcanza el punto de congelación,
la temperatura se mantiene estable por dos minutos. Conviene señalar
que el punto de fusión coincide con el de congelación.
- Sublimación. Consiste en el paso de la fase sólida
a la gaseosa sin pasar por el estado líquido. Ejemplos de sólidos
que subliman son el hielo seco (dióxido de carbono sólido),
el naftaleno y el yodo. El gas de las sustancias que se subliman regresa
al estado sólido por medio de una deposición.
- Evaporación. Se define como el cambio de la fase líquida a la gaseosa que ocurre constantemente en la superficie de un líquido; por tanto, no se alcanza el punto de ebullición. Las moléculas externas del líquido, en contacto con el aire, escapan por el arrastre del viento y el calor del Sol y otra fuente de energía. Ello explica que la ropa tendida se seque a la temperatura ambiente.
Los cambios de estado se aprovechan, por ejemplo, en la industria metalúrgica o de transformación de metales. En esta industria, los metales se funden en los altos hornos, pasan de sólidos a líquidos, para vaciarlos en moldes especiales, donde adquieren la forma deseada.
En la naturaleza, ocurren cambios de estado constantes durante el llamado ciclo del agua: el agua de ríos, mares y lagos se evapora por el calor del Sol; el vapor pasa a la atmósfera, donde se enfría y condensa formando las nubes; luego se precipita en forma de agua (lluvia) o se solidifica y cae en forma de nieve o granizo.
Fig. 2 Ebullición / licuefacción.