Cambios de Estado

LA TEORÍA CINÉTICA Y LOS CAMBIOS DE ESTADO

La teoría cinética indica que la materia, sea cual sea su estado, está formada por partículas tan diminutas que no se pueden observar a simple vista y que, además, se encuentran en continuo movimiento. Ese estado de movimiento depende de la temperatura, siendo mayor conforme más alto es el valor de dicha temperatura.

Esta teoría explica porqué una misma sustancia se puede encontrar en los 3 estados: sólido, líquido y gas: depende sólo de la manera de agruparse y ordenarse las partículas en cada estado.

LA TEMPERATURA DE LOS CUERPOS Y LA TEORÍA CINÉTICA

La energía cinética es la energía que tiene un cuerpo en movimiento. Al calentar un cuerpo, sus partículas se mueven más deprisa con lo cual aumentan su energía cinética. Si se lo enfría, ocurre lo contrario: disminuye la energía cinética de las partículas. Dicho de otro modo; cuando calentamos un cuerpo, sus partículas se mueven a mayor velocidad con lo cual aumentan su energía cinética. Si lo enfriamos ocurre lo contrario: disminuye la energía cinética de las partículas. La energía cinética es la energía que tiene un cuerpo en movimiento.

La temperatura es la medida de la energía térmica (energía cinética media de todas las partículas que forman un cuerpo) de una sustancia. Se mide con un termómetro. Existen diferentes escalas termométricas, las escalas más empleadas para medir esta magnitud son la Escala Celsius (llamada comúnmente centígrada) y la Escala Kelvin. En la escala Celsius se asigna el valor 0 (0 ºC) a la temperatura de congelación del agua y el valor 100 (100 ºC) a la temperatura de ebullición del agua. El intervalo entre estas dos temperaturas se divide en 100 partes iguales, cada una de las cuales corresponde a 1 grado. En la escala Kelvin se asignó el 0 a aquella temperatura a la cual las partículas no se mueven (temperatura más baja posible). Esta temperatura equivale a -273 ºC de la escala Celsius.

Para convertir ambas temperaturas, tenemos que tener en cuenta que:  

                                                  T (K) = t (ºC) + 273

 CAMBIOS DE ESTADO

Un cambio de estado es el paso de un estado de agregación a otro en una sustancia como consecuencia de una modificación de la temperatura (o de presión). 

Cuando un cuerpo, por acción del calor o del frío pasa de un estado a otro, ha cambiado de estado. En el caso del agua, si se calienta un trozo de hielo (sólido) se derrite, se transforma en agua (líquido) y si se calienta agua se evapora, se transforma en vapor (gaseoso). El resto de las sustancias también puede cambiar de estado si se modifican las condiciones en que se encuentran (presión, temperatura). Durante el proceso de cambio de estado, la temperatura se mantiene constante.

SÓLIDO A LÍQUIDO: Si se calienta un sólido, se transforma en líquido. Este proceso recibe el nombre de fusión.

LIQUIDO A SÓLIDO: Si se enfría un líquido, llega un momento en que se transforma en sólido. Este proceso recibe el nombre de solidificación.

La solidificación se produce a la misma temperatura que la fusión.

LIQUIDO A GASEOSO: Si se calienta un líquido, se transforma en gas. Este proceso recibe el nombre de vaporización.

GASEOSO A LÍQUIDO: Si se enfría un gas, llega un momento en que se transforma en líquido. Este proceso recibe el nombre de condensación o licuefacción. La condensación se produce a la misma temperatura que la ebullición.

GASEOSO A SÓLIDO: Determinadas sustancias, pueden pasar directamente del estado gaseoso al estado sólido. Este cambio recibe el nombre de sublimación.

SÓLIDO A GASEOSO: Estas sustancias, pueden también pasar directamente del estado sólido al estado gaseoso. Este cambio recibe el nombre de volatilización.

FUSIÓN: La temperatura que debe alcanzar una sustancia sólida para fundirse se denomina punto de fusión. Cada sustancia posee un punto de fusión característico. Por ejemplo, el punto de fusión del agua pura es

 0 °C a la presión atmosférica normal. Durante todo el proceso de fusión, la temperatura permanece constante porque todo el calor que se entrega, se emplea en el trabajo de transformación de sólido a líquido.

Al calentar el sólido, se está entregando energía calórica, que el cuerpo absorbe. La energía entregada por unidad de masa se denomina Calor de fusión.

SOLIDIFICACION: Es el estado inverso a la fusión. Se comprueba entonces que toda sustancia pura pasa a estado sólido a una determinada temperatura llamada punto de solidificación y que durante la solidificación la temperatura permanece constante.

Esta temperatura se la llama punto de solidificación y es coincidente al punto de fusión.

La cantidad de calor que entrega o cede un gramo masa de sustancia para solidificarse, se denomina calor de solidificación, por ejemplo, 1 g de agua a 0ºC, pierde 1 cal para poder solidificarse. El calor de solidificación es igual al calor de fusión

VAPORIZACION:

El pasaje de líquido a gas se puede producir de dos formas diferentes:

EVAPORACION: La evaporación se verifica en la superficie de la masa líquida (se puede observar como desaparece el líquido) A mayor superficie de contacto, mayor evaporación. Si bien no es necesario entregar energía calórica, se  puede decir que a mayor temperatura ambiente mayor evaporación: (la ropa en verano se seca más rápido). Durante la evaporación, el líquido absorbe calor ambiente. (Si colocamos alcohol sobre la palma de la mano, se evapora y notamos sensación de frío).

EBULLICION: Se verifica cuando en toda la masa líquida se producen burbujas a una determinada temperatura para un valor dado de la presión exterior. Se produce con entrega de energía calórica. La temperatura que tiene que alcanzar un líquido para comenzar su pasaje al estado gaseoso se llama punto de ebullición y Cada sustancia tiene un punto propio. El punto de ebullición del agua es 100 °C a la presión atmosférica normal. Si la presión se modifica la temperatura de ebullición también lo hace; a mayor presión mayor temperatura de ebullición; y  a menor presión menor temperatura de ebullición.

La temperatura a la que se produce el pasaje de líquido a gas es característica de cada sustancia. Es decir es una propiedad intensiva. Esta temperatura permanece constante durante el proceso de ebullición.  

Los puntos de fusión y de ebullición de las sustancias puras tienen valores constantes y cada sustancia pura tiene su propio punto de fusión y de ebullición. Por ejemplo, el agua tiene como punto de fusión 0 ºC y como punto de ebullición 100 ºC (a la presión del nivel del mar), el alcohol etílico tiene punto de fusión

 -114 ºC y punto de ebullición 78 ºC. En la siguiente tabla puedes ver algunos ejemplos:

Sustancia	P. F. (ºC)	P. E. (ºC)
Agua	0	100
Etanol	- 114	78
Sodio	98	885
Hierro	1540	2900
Mercurio	- 39	357
Oxígeno	- 219	- 183

 CONDENSACIÓN:

Cuando un vapor sufre un descenso brusco de temperatura o cuando toca una superficie fría se condensa. Por ejemplo, cuando el vapor de agua choca contra el vidrio se forman gotitas de agua, o las nubes al enfriarse bruscamente producen lluvia. En estos casos el vapor de agua se ha condensado. Es, entonces, el pasaje del estado gaseoso ó de vapor al estado líquido.  

Otras sustancias en estado gaseoso, suelen pasar al estado líquido no solo enfriándolos sino también aumentando la presión sobre los mismos (comprimiéndolos). Hay una temperatura por debajo de la cual el gas es licuado por simple compresión. Esta temperatura se denomina Temperatura crítica. Hay ciertos gases que no logran licuarse a pesar de ser expuestos a grandes presiones. Se comprobó que, en ciertos casos, debía procederse a enfriarlos hasta cierta temperatura t para luego poder comprimirlos. El oxígeno a temperatura ambiente (20º C) no es posible licuarlo por más aumento de presión que se efectúe pues lo hace a -119º C.

SUBLIMACION y VOLATILIZACION: Se producen en sustancias como el yodo, la naftalina, el ácido benzoico; a una presión determinada, y consiste en el paso del estado sólido a gaseoso directamente ó viceversa.