¿Qué es una gráfica de cambio de estado? ¿Cómo se hace?¿Cómo se interpreta?
Todo lo que nos rodea, el universo y la Tierra está formado por materia, que puede presentarse en tres estados: sólido, líquido y gas. Son los tres estados clásicos de agregación, aunque se han descubierto otros nuevos estados de la materia como el plasma, Bose- Einstein…
La materia puede presentarse en tres estados de agregación: el sólido, el líquido y el gaseoso. Una misma sustancia puede encontrarse en uno u otro estado en función de las condiciones de presión y temperatura a las que se encuentre sometida, por lo que mediante la variación de estas se puede conseguir el cambio de estado de agregación. Para representar estos cambios de estado se utilizan las gráficas de cambio de estado. Explicamos las gráficas de calentamiento y enfriamiento.
Cambios de estado de la materia
Los cambios de estado se pueden producir cambios en la presión y por modificación de la temperatura, mediante intercambio de calor entre el sistema material y su entorno. Este proceso puede ocurrir en dos sentidos:
- Cambios de estado progresivos: las sustancias sólidas pasan a estado líquido o gaseoso (por calentamiento).
- Cambios de estado regresivos , las sustancias gaseosas pasan a estado líquido o sólido (por enfriamiento).
Según la teoría cinético-molecular, al incrementar la temperatura de una sustancia, se produce un aumento de la energía cinética media de sus partículas, por lo que estas adquieren mayor movilidad, venciendo las fuerzas de cohesión que existen en estado sólido y, en menor medida, en estado líquido, hasta llegar a ser despreciables en estado gaseoso.
En sentido inverso, al disminuir la temperatura las partículas pierden movilidad y las partículas comienzan a agregarse unas a otras, que conducen a agrupaciones entre ellas, empiezan a atraerse unas a otras y se crean estados de agregación cada vez más ordenados.
Los cambios de estado pueden ocurrir, por tanto, de dos maneras entre cada uno de los estados físicos, denominándose, en cada caso, de la siguiente manera:
- Fusión es el cambio de estado sólido a estado líquido. El proceso inverso se conoce como solidificación.
- Vaporización es el cambio de estado líquido a estado gaseoso. El proceso inverso se llama condensación, aunque también licuación (o licuefacción).
- Sublimación El cambio directo entre el estado sólido y el estado gaseoso (sin pasar por el estado líquido) se conoce, en ambos sentidos y se puede diferenciar: sublimación progresiva (cambio de sólido a gas) y sublimación regresiva o inversa (paso de gas a sólido).
Durante los cambios de estado la temperatura no varía, ya que todo el intercambio energético está vinculado al paso de un estado a otro. En el caso de la fusión, la temperatura a la que transcurre se denomina punto de fusión (en el que coexisten en equilibrio el sólido y el líquido), que es característico de cada sustancia (o mezcla de sustancias). Para la mayoría de las sustancias, entre las que se encuentra el agua, la temperatura de solidificación (congelación) coincide con la de fusión.
Representación de los cambios de estado
Los cambios en el estado de agregación de la materia se representan gráficamente. Hay dos tipos de gráficas para representar estos procesos:
–Los cambios de estado de sólido → líquido → gas, los llamados cambios progresivos , se representan en las llamadas gráficas de calentamiento
–Los cambios de estado de gas → líquido → sólido, son cambios regresivos y se representan en las gráficas de enfriamiento.
Video explicativo sobre como se representan en gráficas los cambios de estado:
Gráficas de calentamiento
Las gráficas de calentamiento representan la temperatura de una sustancia que se está calentando a medida que pasa el tiempo. En ellas se representan los valores del tiempo en el eje de abcisas (Eje X) y la temperatura en el eje de ordenadas (Eje Y) de una sustancia en la que se está produciendo un cambio de estado.
Estas gráficas nos permiten conocer el intervalo de temperaturas en la que es estable un estado de agregación para una materia.
En estas gráficas se pueden diferenciar dos zonas características:
- Tramos rectos (líneas horizontales) son zonas donde la temperatura constante, por lo que se estará produciendo el cambio de estado (transición de dos estados)
- Tramos inclinados (líneas inclinadas) se corresponden con cambios de temperatura, con lo cual, hay un solo estado de agregación
Video explicativo de cómo hacer una gráfica de calentamiento:
Gráficas de enfriamiento
Las gráficas de enfriamiento representan la temperatura de una sustancia que se está enfriando a medida que pasa el tiempo. En ellas se representan los valores del tiempo en el eje de abcisas (Eje X) y la temperatura en el eje de ordenadas (Eje Y) de una sustancia en la que se está produciendo un cambio de estado.
En estas gráficas de calentamientos se pueden diferenciar dos zonas características:
- Tramos rectos (líneas horizontales) son zonas donde la temperatura constante, por lo que se estará produciendo el cambio de estado (transición de dos estados)
- Tramos inclinados (líneas inclinadas) se corresponden con cambios de temperatura, con lo cual, hay un solo estado de agregación
Video explicativo sobre cómo interpretar gráficas de enfriamiento:
Gráfica de calentamiento del agua
A continuación puedes ver la gráfica de calentamiento del agua y su explicación paso a paso:
Podemos explicar la gráfica de calentamiento del agua de la siguiente forma y tendremos en cuenta que no aparecen los datos del tiempo:
- Tenemos hielo a -20 ℃ y vemos el primer tramo inclinado en el que sube la temperatura por calentamiento hasta los 0℃ y el agua se mantiene en estado sólido.
- A los 0℃ tenemos una línea horizontal donde se mantiene la temperatura constante, se produce la fusión y el cambio de estado sólido- líquido. Ese sería el punto de fusión del agua que sería a los 0℃.
- Desde 0℃ a 100℃ observamos otro tramo inclinado por otro incremento de temperatura, el agua se calienta durante un tiempo, permaneciendo en estado líquido.
- A los 100 ℃ hay otro tramo horizontal , no hay incremento de temperatura (se mantiene constante durante el cambio de estado)y se produce la vaporización, que es el paso de líquido a vapor. El punto de ebullición del agua es, por tanto, de 100℃.
- El siguiente tramo vuelve a ser inclinado y partir de los 100 ℃, todo el agua ha pasado a vapor y se sigue incrementando la temperatura.
Video explicativo sobre la gráfica de calentamiento del agua
A continuación puedes ver un video con la explicación de la gráfica de calentamiento del agua
Gráfica de enfriamiento del agua
Podemos explicar la gráfica de enfriamiento del agua de la siguiente forma y tendremos en cuenta que en este caso no aparecen reflejados los datos del tiempo:
- Tenemos vapor de agua a 120 ℃ y vemos el primer tramo inclinado descendente en el que baja la temperatura por enfriamiento hasta los 100℃ y el agua se mantiene en estado gaseoso.
- A los 100℃ tenemos una línea horizontal donde se mantiene la temperatura constante, se produce la condensación y el cambio de estado gas- líquido.En ese momento el gas pasa a líquido, coincide con el punto de ebullición del agua que sería a los 100 ℃ en el priceso inverso de vaporización.
- Desde 100℃ a 0℃ observamos otro tramo inclinado por otro descenso de temperatura, el agua se enfría durante un tiempo, permaneciendo en estado líquido.
- A los 0 ℃ hay otro tramo horizontal , no hay incremento de temperatura (se mantiene constante durante el cambio de estado)y se produce la solidificación, que es el paso de líquido a sólido. El punto de ebullición del agua es, por tanto, de 100℃.
- El siguiente tramo vuelve a ser inclinado y partir de los 0 ℃, todo el agua ha pasado al estado sólido y se sigue descendiendo la temperatura hasta -20℃
A continuación puedes ver un video con la explicación de la gráfica de enfriamiento del agua.
Ejercicio: Gráfica de cambio de estado
Dada la siguiente gráfica de cambio de estado de una sustancia :
Contesta a las siguientes preguntas:
1¿ Qué representa la gráfica?
Solución: Es una gráfica de calentamiento
2.Explica los cambios de estado que tienen lugar en la gráfica
Solución: 1º fusión- paso de sólido a líquido
2º Vaporización – paso de líquido a gas
3. ¿Cuáles son los puntos de fusión y ebullición?
Solución: fusión : 125 º C
Vaporización: 240 º C
4. ¿Por qué se mantiene constante la temperatura durante la fusión?
Solución: Porque en el paso de sólido a líquido toda la energía absorbida por la sustancia se emplea en romper la estructura del sólido de manera que al vibrar se separan, produciéndose el paso de sólido a líquido.
5. ¿En qué estado se encontrará esta sustancia a 300 º C?
Solución: En estado gaseoso