Más cosas sobre las transiciones de fase

Seguramente hayas observado cómo el agua cambia de estado: los cubitos de hielo derritiéndose en tu vaso, el agua convirtiéndose en vapor cuando la hierves, el vapor convirtiéndose en hielo dentro del congelador. Los cambios de estado: fusión o derretimiento, solidificación o congelación, evaporación, condensación, sublimación y deposición son las transiciones de fase. No es solo el agua la que pasa por estas transiciones. Si se dan las condiciones adecuadas, ¡toda materia es capaz de cambiar de estado! Pensemos en mantequilla derritiéndose sobre una tostada caliente, en la lava convirtiéndose en roca sólida o en los depósitos de hollín en el interior de una chimenea.

Gran cantidad de objetos hechos de plástico, metal y vidrio se fabrican haciéndolos pasar por las transiciones de fase. Para fabricar dichos objetos, hay que saber cuándo va a ocurrir una transición de fase y hay que ser capaz de controlarla. ¿Cómo? El estado de una sustancia depende de la cantidad de energía que contiene. Si queremos que una sustancia cambie de estado, hay que añadir o quitar energía. Una manera de hacerlo es cambiando la temperatura de la sustancia.

Tomemos como ejemplo una vela. Cuando la vela está encendida, aumenta su temperatura. La energía en forma de calor se transfiere del pabilo ardiendo a la cera más cercana. Este calor se transforma en energía de movimiento dentro de las partículas de la cera. Las partículas obtienen energía cinética y empiezan a moverse cada vez más rápido con lo que se rompen las uniones entre ellas y las partículas se alejan cada vez más.

La cera se derrite. Cuando soplas una vela, la llama se apaga y la temperatura desciende. El calor sale de la cera. Las partículas pierden su energía cinética y reducen su velocidad. Esto facilita que las partículas permanezcan juntas y formen estructuras fijas.

La cera se vuelve a convertir en un sólido. Al añadir o quitar calor, la temperatura sube o baja hasta que llega al punto en el que tiene lugar la transción de fase. Durante la transición de fase, se usa la energía para cambiar el estado de la sustancia, más que para cambiar su temperatura. La temperatura sigue igual y la sustancia se encuentra en dos estados distintos a la vez, hasta que se complete la transición de fase. Hay dos puntos concretos en los que tienen lugar las transiciones de fase.

Uno es cuando la sustancia existe tanto en estado sólido como líquido, lo que ocurre durante la fusión o la solidificación. Se trata del punto de fusión. El otro punto es cuando una sustancia pasa del estado líquido al gaseoso, durante la ebullición o la condensación. Este es el punto de ebullición. Toda sustancia necesita una cantidad distinta de energía para cambiar de un estado a otro, de ahí que las diferentes sustancias tengan diferentes puntos de fusión y diferentes puntos de ebullición.

Otra manera de hacer cambiar la cantidad de energía en una sustancia es cambiando la presión. Con una presión alta las partículas se comprimen y se ven obligadas a permanecer unidas. Romper la estructura o separar las partículas, requiere más energía. Para la mayoría de las sustancias cuanto más alta sea la presión, más altos serán el punto de fusión y el de ebullición. La única excepción es el agua: con una presión alta el hielo se derrite a temperaturas más bajas en vez de a temperaturas más altas.

Con la presión baja, resulta fácil separar las partículas entre sí, lo que significa que se necesita menos energía para que una sustancia se derrita o evapore, por lo que los puntos de fusión y ebullición son más bajos. Es decir, ajustando la temperatura y la presión se puede cambiar la energía de una sustancia y controlar las transiciones de fase - ¡de muchas sustancias, no solo del agua!