Los cambios de estado
Lo que vas a aprender
- Nombrar los cambios de estado (fusión, solidificación, vaporización, condensación y sublimación) en situaciones de la vida diaria.
- Decir si en cada cambio de estado la sustancia gana o pierde calor.
- Diferenciar la evaporación de la ebullición.
- Decidir en qué estado está una sustancia a una temperatura, conociendo sus puntos de fusión y de ebullición.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
Sacas un helado del congelador y en pocos minutos empieza a gotear. Cuelgas la ropa mojada al sol y en la tarde está seca, aunque nadie la puso a hervir. Te bañas con agua tibia y el espejo del baño queda empañado. En los tres casos el agua cambia de estado: de sólido a líquido, de líquido a gas y de gas a líquido.
En esta lección vas a aprender el nombre de cada uno de esos cambios, por qué ocurren y qué pasa con la temperatura mientras ocurren. Con eso vas a poder explicar lo que ves en la cocina, en el patio y en el cielo, y preparar las lecciones que siguen, en las que vas a leer gráficas de calentamiento.
Antes de empezar necesitas recordar el modelo de partículas: en un sólido las partículas están muy juntas y ordenadas, y solo vibran; en un líquido están juntas pero se deslizan unas sobre otras; en un gas están muy separadas y se mueven en todas las direcciones.
Explicación
Calor y temperatura no son lo mismo
Para que una sustancia cambie de estado casi siempre hay que darle o quitarle calor. El calor es energía que pasa de un cuerpo más caliente a uno más frío. La temperatura, en cambio, dice qué tan caliente o frío está un cuerpo, y la mide el termómetro: cuanto más rápido se mueven sus partículas, más alta es.
No son lo mismo. Una piscina tibia y una taza de agua tibia pueden estar a la misma temperatura, pero a la piscina hay que darle muchísimo más calor para calentarla, porque tiene muchas más partículas. Y, como vas a ver enseguida, hay momentos en que un cuerpo recibe calor y su temperatura no cambia.
Los cambios que ganan calor
- Fusión: de sólido a líquido. El hielo se funde, la mantequilla se derrite en la sartén. Al recibir calor, las partículas vibran tanto que se sueltan de su lugar y empiezan a deslizarse.
- Vaporización: de líquido a gas. Las partículas que se mueven más rápido se escapan del líquido y se separan mucho unas de otras.
- Sublimación: de sólido a gas, sin pasar por líquido. Las bolitas de naftalina que se guardan en los armarios se van haciendo pequeñas sin dejar ningún charco: el sólido se convierte directamente en gas, y por eso huele. La naftalina es tóxica: se mira de lejos, no se toca ni se huele de cerca.
Los cambios que pierden calor
- Solidificación: de líquido a sólido. El agua que pones en la cubeta del congelador se vuelve hielo, la cera derretida de una vela se endurece al enfriarse.
- Condensación: de gas a líquido. El vapor de agua del aire choca con algo frío, pierde calor y forma gotitas: así se empaña el espejo del baño o aparecen gotas por fuera de un vaso con agua helada. El rocío que amanece sobre el pasto y las nubes también se forman así, con gotitas de agua condensada.
- Sublimación inversa (también llamada deposición): de gas a sólido directamente. La escarcha que aparece en las paredes de un congelador viejo se forma así, a partir del vapor de agua del aire.
Cada cambio tiene su pareja al revés: fusión y solidificación, vaporización y condensación, sublimación y sublimación inversa. Uno gana calor y el otro lo pierde.
Durante el cambio, la temperatura no cambia
Imagina un vaso con hielo picado y un termómetro adentro. Mientras queda hielo, el termómetro marca $0\ \text{°C}$, aunque el vaso esté en una cocina caliente que le pasa calor todo el tiempo. Ese calor no se usa en agitar más las partículas, sino en soltarlas de sus lugares en el sólido. Solo cuando se derrite el último pedacito, la temperatura del agua empieza a subir.
Esta es una de las ideas más importantes de la unidad: mientras una sustancia pura cambia de estado, su temperatura se mantiene fija aunque se le siga dando calor. Con el agua hirviendo pasa lo mismo: si la estufa sigue prendida, el agua hierve más fuerte, pero no se pone más caliente.
Para el agua pura los dos números de manual son estos: se funde a $0\ \text{°C}$ y, al nivel del mar, hierve a $100\ \text{°C}$. En una ciudad alta, como las de la cordillera, hierve un poco antes; eso lo vas a estudiar en la lección de la presión.
Evaporación y ebullición
Las dos son vaporización, de líquido a gas, pero no son iguales:
- La evaporación ocurre solo en la superficie del líquido y a cualquier temperatura. La ropa del tendedero, un charco en la calle o el sudor de tu piel se secan sin hervir: algunas partículas de la superficie se mueven lo bastante rápido para escaparse al aire. Con sol, con viento o con más superficie, se evapora más rápido.
- La ebullición ocurre en todo el líquido y a una temperatura fija, el punto de ebullición. Se forman burbujas de vapor dentro del líquido, suben y revientan. Mientras dura, la temperatura no cambia.
Hervir agua es peligroso: el vapor y el agua hirviendo queman. En el colegio, cualquier experiencia con agua caliente la hace el docente, y tú observas a una distancia segura.
Cada sustancia tiene sus puntos
El punto de fusión y el punto de ebullición son propiedades características: cada sustancia pura tiene los suyos, y sirven para reconocerla, como la densidad. Si conoces esos dos puntos, puedes decir en qué estado está la sustancia a una temperatura:
- por debajo del punto de fusión, es sólida;
- entre el punto de fusión y el de ebullición, es líquida;
- por encima del punto de ebullición, es gas.
Sube la temperatura desde −10 °C: el hielo gana calor, se funde a 0 °C y a 100 °C el agua hierve y se vuelve vapor. Después bájala y mira el camino al revés: el vapor pierde calor, se condensa y el agua se solidifica.
Ejemplo resuelto
El hielo que sale del congelador
Sacas un cubo de hielo del congelador, muy frío, y lo dejas en un vaso en la cocina, que está tibia. Un termómetro mide su temperatura todo el tiempo. ¿Qué le pasa al hielo y qué marca el termómetro?
Ver la solución paso a paso
Primero el hielo se calienta sin fundirse: el termómetro sube hasta $0\ \text{°C}$.
Mientras se funde, el termómetro se queda en $0\ \text{°C}$: el calor que le pasa la cocina se usa en soltar las partículas del sólido, no en subir la temperatura.
Cuando ya todo es líquido, el agua se sigue calentando hasta quedar tibia, como la cocina.
El hielo ganó calor todo el tiempo: primero se calentó, luego se fundió sin cambiar de temperatura y al final el agua se calentó.
Respuesta: Sube hasta 0 °C, se queda ahí mientras se funde y después el agua sigue calentándose. Todo el tiempo gana calor.
Ejemplo resuelto
¿Sólida, líquida o gas?
Una sustancia inventada, que llamaremos X, se funde a 50 °C y hierve a 200 °C. ¿En qué estado está a 20 °C, a 120 °C y a 250 °C?
Ver la solución paso a paso
A $20\ \text{°C}$ todavía no llega a su punto de fusión, así que es sólida.
A $120\ \text{°C}$ ya pasó el punto de fusión pero no ha llegado al de ebullición, así que es líquida.
A $250\ \text{°C}$ ya pasó su punto de ebullición, así que es gas.
Fíjate en que el agua a $120\ \text{°C}$ sería vapor, pero X es líquida: cada sustancia tiene sus propios puntos.
Respuesta: X es sólida a 20 °C, líquida a 120 °C y gas a 250 °C.
Ejemplo resuelto
El charco que se seca sin hervir
Después de un aguacero queda un charco en el patio. En la tarde el charco se seca, aunque el agua nunca se calentó tanto como en una olla hirviendo. ¿Hirvió el charco? ¿Qué le pasó al agua?
Ver la solución paso a paso
El agua del charco estuvo todo el tiempo muy por debajo de su punto de ebullición: nunca se formaron burbujas de vapor.
Aun así se secó. No hirvió: se evaporó. Las partículas de la superficie que se movían más rápido se escaparon al aire, poco a poco, a lo largo de la tarde.
Con sol y viento se seca más rápido, porque más partículas de la superficie logran escaparse.
Respuesta: No hirvió: el agua se evaporó por la superficie, a la temperatura del patio.
Práctica
Sacas un cubo de hielo muy frío del congelador y lo dejas sobre la mesa. ¿Cuándo empieza a fundirse?
El hielo primero se calienta como sólido; empieza a fundirse cuando llega a su punto de fusión, 0 °C. La mesa y el aire de la cocina le pasan el calor: no hace falta una estufa.
¿Verdadero o falso? En un pueblo al nivel del mar, si dejas la estufa prendida debajo de una olla de agua pura que ya hierve, el agua se va poniendo cada vez más caliente que 100 °C.
Mientras el agua hierve, su temperatura se queda fija en el punto de ebullición, aunque se le siga dando calor: hierve más fuerte, pero no se pone más caliente.
Pones en el congelador una cubeta con agua y a las horas sale hielo. ¿Qué cambio de estado ocurrió? ¿El agua ganó o perdió calor?
De líquido a sólido es solidificación, y para que ocurra el agua pierde calor: el congelador se lo quita. El frío no es algo que se gane; lo que pasa es que el calor sale del agua.
¿Verdadero o falso? En un vaso con hielo picado, en una cocina caliente, el termómetro sigue marcando 0 °C mientras queda hielo, aunque el vaso reciba calor todo el tiempo.
Mientras el hielo se funde, el calor se usa en soltar las partículas del sólido y no en subir la temperatura. Solo cuando se derrite el último pedacito, el agua empieza a calentarse.
Marca todos los casos en que el agua se evapora (sin hervir).
Marca todas las que apliquen.
La ropa, el sudor y el charco pierden agua por la superficie, a la temperatura del ambiente: es evaporación. Las burbujas de la olla son ebullición, en todo el líquido. Las gotitas del vaso son condensación: el vapor del aire se vuelve líquido.
¿Verdadero o falso? Las bolitas de naftalina de un armario se van haciendo pequeñas sin dejar charco porque se subliman: pasan de sólido a gas sin volverse líquidas.
Es la sublimación: el sólido se convierte directamente en gas, y por eso huele. La naftalina es tóxica: se mira de lejos, no se toca ni se huele de cerca.
La ropa del tendedero se seca en una mañana fresca, sin que el agua hierva. ¿Qué cambio de estado ocurrió?
La evaporación ocurre por la superficie y a cualquier temperatura: el agua no tiene que llegar a su punto de ebullición para pasar al aire.
Sales de la ducha con agua tibia y el espejo del baño está cubierto de gotitas. ¿Qué cambio de estado ocurrió en el espejo?
El aire del baño tiene mucho vapor de agua. Al chocar con el vidrio, que está más frío, el vapor pierde calor y se condensa en gotitas. La evaporación va al revés (de líquido a gas), el vidrio no se derrite con agua tibia y en el espejo no se forma hielo, porque no está bajo cero.
Un charco y una olla de agua hirviendo pierden agua. ¿Qué diferencia hay entre los dos?
Los dos son vaporización, pero la evaporación ocurre en la superficie y a cualquier temperatura, y la ebullición forma burbujas de vapor en todo el líquido y solo a su punto de ebullición.
Reto
Une cada cambio de estado con lo que le pasa a la sustancia.
Piensa de qué estado sale y a qué estado llega la sustancia en cada cambio.
Reto
Agua pura: ¿hielo o agua líquida?
Cada número es una temperatura en °C. El agua pura se funde a 0 °C; lleva cada temperatura a la canasta del estado en que está el agua.
Reto
Encuentra en la sopa palabras de los cambios de estado.
Las palabras están escritas sin tildes.
Cierre
En resumen
Los cambios que ganan calor son la fusión (sólido a líquido), la vaporización (líquido a gas) y la sublimación (sólido a gas).
Los cambios que pierden calor son la solidificación, la condensación y la sublimación inversa.
Mientras una sustancia pura cambia de estado, su temperatura no cambia aunque se le siga dando calor.
La evaporación ocurre en la superficie y a cualquier temperatura; la ebullición, en todo el líquido y a una temperatura fija.
El agua pura se funde a 0 °C y, al nivel del mar, hierve a 100 °C; calor y temperatura no son lo mismo.
Vocabulario
- Cambio de estado
Paso de una sustancia de un estado a otro (sólido, líquido o gas) sin que deje de ser la misma sustancia.
- Punto de fusión
Temperatura a la que un sólido se vuelve líquido. Es la misma a la que ese líquido se vuelve sólido.
- Punto de ebullición
Temperatura a la que un líquido hierve: forma burbujas de vapor en todo su interior.
- Evaporación
Paso de líquido a gas que ocurre solo en la superficie del líquido y a cualquier temperatura.
- Calor
Energía que pasa de un cuerpo más caliente a uno más frío. No es lo mismo que la temperatura.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Muestre un vaso con hielo y pregunte qué creen que marcará un termómetro dentro mientras el hielo se derrite. Anote las predicciones en el tablero.
- Explicación · 15 min — Presente los cambios en parejas (fusión y solidificación, vaporización y condensación, sublimación y su inversa). Resuelva en el tablero el ejemplo del hielo y el de la sustancia X.
- Práctica · 20 min — Preguntas en parejas. El dominó y las canastas se pueden proyectar y resolver en grupo; la sopa queda para quienes terminen primero.
- Cierre · 5 min — Vuelva a las predicciones del inicio y pida que expliquen por qué el termómetro se quedó en 0 °C.
Preguntas para el salón
- Si la ropa se seca sin hervir, ¿por qué decimos que el agua se volvió gas?
- Si la estufa sigue prendida, ¿por qué el agua que hierve no se pone más caliente?
- ¿En qué se parecen y en qué se diferencian la escarcha del congelador y el hielo de la cubeta?
Errores típicos
- Creer que la temperatura sigue subiendo mientras el hielo se funde o el agua hierve. Si el colegio tiene termómetro, mida usted el agua con hielo durante varios minutos y que los estudiantes anoten la lectura.
- Confundir evaporación con ebullición, o creer que el agua solo pasa a gas cuando hierve. Moje dos trapos iguales y cuelgue uno al sol (en el patio o en una ventana) y otro a la sombra; pregunte en clase cuál se seca primero y si alguno hirvió.
- Decir que las gotas del vaso helado salen de adentro del vaso. Pregunte si las gotas saben a la bebida del vaso. Si no, el agua vino del aire: es vapor condensado.
- Usar calor y temperatura como si fueran lo mismo. Compare una piscina y una taza a la misma temperatura y pregunte cuál necesita más calor para calentarse.
Tarea sugerida
Buscar en la casa un ejemplo de cada cambio de estado (fusión, solidificación, evaporación, condensación y sublimación o sublimación inversa, como la escarcha del congelador), anotarlo en una tabla con dos columnas, «gana calor» o «pierde calor», y dibujar las partículas antes y después de uno de ellos. Nada de hervir agua: los ejemplos se observan, no se provocan. Si el ejemplo es la naftalina, solo se mira: no se toca ni se huele de cerca, porque es tóxica.