Cambios de estado y temperatura

Nivel: introductorio

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1. Temperaturas de cambio de estado

Cada sustancia se funde y hierve a temperaturas específicas que la caracterizan.

Sustancia	Punto de fusión	Punto de ebullición
Agua	0 °C	100 °C
Etanol	−114 °C	78 °C
Mercurio	−39 °C	357 °C
Hierro	1 535 °C	2 750 °C
Aluminio	660 °C	2 467 °C

1.1 Punto de fusión

Punto de fusión (T_f): temperatura a la que un sólido se transforma en líquido.

Coincide numéricamente con el punto de solidificación (proceso inverso).

Mientras se está produciendo el cambio de estado, la temperatura no varía aunque sigamos suministrando calor: toda la energía se invierte en romper la red de partículas.

1.2 Punto de ebullición

Punto de ebullición (T_e): temperatura a la que un líquido pasa a gas en todo su volumen.

Coincide numéricamente con el punto de condensación.

1.3 Vaporización: evaporación vs. ebullición

• Evaporación: vaporización solo en la superficie del líquido; ocurre a cualquier temperatura por debajo del punto de ebullición.
• Ebullición: vaporización en toda la masa del líquido (aparecen burbujas en el seno del líquido). Solo ocurre a la temperatura de ebullición.

1.4 Condensación

Un gas se transforma en líquido al ceder calor al medio. (Ejemplo: vaho en una ventana fría).

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2. Sublimaciones

Sublimación directa: un sólido pasa directamente a gas, sin pasar por líquido. Ejemplo: nieve carbónica (CO₂) → niebla en discotecas.

Sublimación inversa (deposición): un gas pasa directamente a sólido. Ejemplo: la escarcha — el vapor de agua de la atmósfera se congela sobre las superficies frías sin pasar por el estado líquido.

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3. Los tres estados de la materia

Propiedad	Sólido	Líquido	Gas
Volumen	propio, estable	propio, estable	el del recipiente
Forma	propia	la del recipiente	la del recipiente
Compresibilidad	incompresible	incompresible	compresible

Estos tres modos se conocen como estados de agregación de la materia.

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4. Efectos del calor sobre las sustancias

Al calentar o enfriar, las sustancias:

• Cambian su volumen:
  • calor → dilatación (aumenta V).
  • frío → contracción (disminuye V).
• Cambian de estado si se llega al punto de fusión / ebullición / sublimación.

4.1 Cambios progresivos (necesitan calor)

1. Dilatación del sólido (sin cambio de estado).
2. Fusión: sólido → líquido.
3. Dilatación del líquido (y disminuye su viscosidad).
4. Vaporización: líquido → gas.
5. Dilatación del gas.

En todos los cambios la masa se conserva: solo cambia el volumen y la organización de las partículas.

4.2 Cambios regresivos (liberan calor)

1. Contracción del gas.
2. Condensación / licuación: gas → líquido.
3. Contracción del líquido (y aumenta la viscosidad).
4. Solidificación: líquido → sólido.
5. Contracción del sólido.

Mapa completo de los cambios de estado.

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5. Dilatación térmica en construcciones

Dilatación térmica: aumento de longitud, superficie o volumen de un cuerpo cuando aumenta su temperatura.

Los materiales metálicos de puentes, vías de tren o estructuras de hormigón armado dilatan notablemente con el calor del verano. Para evitar deformaciones o roturas, se dejan juntas de dilatación: pequeños huecos que absorben el aumento de tamaño.

   Vía de tren (vista superior)

   ───────────||────────────||────────────
              ↑             ↑
        junta de       junta de
        dilatación    dilatación

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6. Cuestión de viscosidad

Viscosidad: propiedad de los fluidos que mide su resistencia a fluir.

• Al calentar un líquido, su viscosidad disminuye (el aceite caliente fluye mejor).
• Al enfriarlo, su viscosidad aumenta (la miel fría es muy espesa).

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7. Efectos del calor sobre la densidad

Como d = m/V y la masa no cambia:

Calor → V aumenta → d disminuye.

Por eso las sustancias suelen ser:

• más densas en estado sólido,
• intermedias en estado líquido,
• menos densas en estado gaseoso.

7.1 Excepción del agua

El agua, al solidificarse, AUMENTA su volumen.

Por eso el hielo es menos denso que el agua líquida y flota sobre ella. Esta peculiaridad es esencial para la vida acuática: en invierno, una capa de hielo flotante aísla térmicamente el agua que queda por debajo, donde sobreviven los seres vivos.

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8. Efectos del calor sobre la presión de los gases

Como los gases ocupan todo el volumen disponible, el comportamiento depende del recipiente.

Recipiente rígido (V constante)

• T ↑ → partículas más rápidas → más choques y más fuertes contra las paredes → p ↑
• T ↓ → p ↓

Por eso una bombona de gas no debe arrojarse al fuego: la presión interna podría hacerla explotar.

Recipiente flexible (p constante)

• T ↑ → el gas dilata su volumen.
• T ↓ → el gas se contrae (un globo metido en el frigorífico se desinfla).

   Recipiente RÍGIDO          Recipiente FLEXIBLE
   ┌────────────┐                    ____
   │ ······     │  T↑   →  p↑       (    )    T↑   →   V↑
   │ ······ T↑ │                    (    )
   │ ······    │                    (    )
   └────────────┘                    ‾‾‾‾

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Esquema-resumen

   Sólido ────fusión (progresivo, +Q)────► Líquido
   Sólido ◄──solidificación (regresivo,−Q)─ Líquido

   Líquido ──vaporización (progresivo,+Q)─► Gas
   Líquido ◄──condensación (regresivo,−Q)── Gas

   Sólido ───sublimación directa (+Q)────► Gas
   Sólido ◄──sublimación inversa (−Q)──── Gas