Diagrama de Fase del Agua

Cambios de fase

Fig. 1: Los distintos estados de la materia

• En un sólido, las partículas están muy juntas y sólo pueden vibrar.
• En un líquido, las partículas están algo más separadas y pueden intercambiarse.
• En un gas, las partículas están muy separadas y pueden moverse libremente.

La temperatura es una medida de la energía cinética (energía del movimiento), de modo que cuanto más caliente está algo, más rápido se mueven sus partículas. Por ello, cuando una especie se encuentra a una determinada cantidad de energía/calor, cambiará de fase.

Los cambios de fase provocados por la ganancia de calor son:

• Fusión (sólido --> líquido).
• Ebullición (líquido --> gas).
• Sublimación (sólido --> gas).

Básicamente, la especie ha ganado suficiente energía, por lo que sus partículas pueden moverse más libremente y, por tanto, liberarse o debilitar las interacciones entre ellas.

Los cambios de fase provocados por la pérdida de calor son

• Congelación (líquido --> sólido).
• Condensación (gas --> líquido).
• Deposición (gas --> sólido).

Cuando colocamos una especie en un entorno más frío que ella, el entorno "absorberá" la energía calorífica de la especie, haciendo que ésta se enfríe.

Cuando una especie se enfría, sus partículas se mueven más despacio, por lo que las interacciones entre partículas se hacen más fuertes y las propias partículas se acercan entre sí.

Definición de diagrama de fases

En un diagrama de fases, la presión se muestra en el eje y y la temperatura en el eje x. Siguiendo el diagrama, podemos ver cómo los cambios de presión y temperatura afectan al estado de la materia de una sustancia.

Aunque normalmente pensamos que los cambios de fase se deben a la temperatura, un cambio de presión también puede provocar un cambio de fase. Cuando aumenta la presión, las partículas se comprimen más entre sí. Por ello, un aumento de la presión es similar a una disminución de la temperatura en términos de cambio de fase (es decir, cuando la presión de un líquido aumenta lo suficiente, se convertirá en un sólido, de forma similar a como un líquido se congela si está a una temperatura lo suficientemente baja).

Cómo leer un diagrama de fases del agua

Ahora que sabemos lo que es un diagrama de fases, veamos el del agua.

Éste es el aspecto básico del diagrama de fases del agua:

Fig. 2: Diagrama de fases básico del agua

Aquí hay algunos puntos clave que debemos conocer:

• El punto triple
  • El punto triple es donde pueden existir las tres fases en equilibrio
  • Dependiendo de cómo se modifique la presión/temperatura, aquí puede producirse cualquier cambio de fase
• Elpunto crítico
  • En este punto, ya no podemos distinguir entre la fase líquida y la gaseosa
  • Consideramos que la sustancia es un fluido supercrítico tanto en este punto como más allá del mismo
• La curva de sublimación/deposición
  • La curva de la parte inferior izquierda entre el gas y el sólido hasta el punto triple
  • Nos muestra las diferentes temperaturas/presiones a las que un gas puede pasar a sólido y viceversa
• La curva de ebullición/condensación
  • La curva del punto triple al punto crítico
  • Nos muestra las diferentes temperaturas/presiones a las que un líquido puede convertirse en gas y viceversa.
• La curva de fusión/congelación
  • La curva desde el punto triple hacia arriba entre las fases sólida y líquida
  • Nos muestra las diferentes temperaturas/presiones a las que un sólido puede convertirse en líquido y viceversa.

Preguntas prácticas sobre el diagrama de fases del agua

Ahora que hemos aprendido a leer un diagrama de fases, ¡vamos a practicar algunos problemas!

Importancia de un diagrama de fases

Los diagramas de fases son una herramienta de referencia muy importante. Nos muestra la relación entre temperatura, presión y fase. Por ejemplo, ¿alguna vez has cocinado/horneado algo y te has dado cuenta de que había instrucciones para altitudes elevadas? Esto se debe a que a grandes altitudes, la presión es menor, por lo que las distintas especies, como el agua, van a comportarse de forma diferente.

También nos ayuda a comprender en qué estado se encontrarán determinadas especies a diferentes temperaturas y presiones, lo que puede ser muy útil para experimentar.