¿Qué es una gráfica de enfriamiento? ¿Cómo se interpretan las gráficas de enfriamiento?
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.
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.
Por su parte, la vaporización puede producirse de dos maneras:
- Por ebullición, cuando todas las partículas alcanzan la temperatura necesaria para que se produzca el cambio de estado, conocida como punto de ebullición y que, como en la fusión, se mantiene constante durante el cambio de estado. Es lo que ocurre, por ejemplo, cuando calentamos agua hasta que comienza a hervir.
- Por evaporación, cuando solo una parte de las partículas, generalmente superficiales, son capaces de escapar al estado gaseoso. Este tipo de vaporización tiene lugar a temperaturas inferiores a la de ebullición y es responsable, por ejemplo, de que los charcos se evaporen o se seque la ropa húmeda.
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.
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
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 :
¿Cuál es la temperatura de condensación del agua?
Solución: 100℃
¿En qué estado de agregación se encuentra el agua a 80℃ ?
Solución: Estado líquido
¿A -20℃ cuál será el estado de agregación del agua ?
Solución: Estado solido
Cómo hacer una gráfica de enfriamiento
Tendremos en cuenta que al ser una gráfica de enfriamiento será decreciente o en sentido descendente. Para realizar una gráfica podemos seguir unos pasos:
1º En el eje X se coloca el tiempo en la unidad indicada, en el eje Y , las temperaturas
2º Se marcan divisiones iguales en ambos ejes que recojan los intervalos de tiempo y temperatura
3º Marcamos la temperatura de condensación y la de congelación
4º Realizamos la gráfica, teniendo en cuenta que los tramos inclinados serán de cambio de temperatura y los tramos rectos de cambio de estado.
Puedes ver la explicación en el siguiente video:
Cómo interpretar una gráfica de enfriamiento
Puedes ver como interpretar una gráfica de enfriamiento en el siguiente video