La curva de calentamiento

¿Para qué sirve esto?

Un científico no se queda con «el hielo se derritió y luego el agua hirvió». Mide la temperatura cada cierto tiempo, anota los números en una tabla y después los dibuja. En la gráfica se ve de un vistazo lo que en la tabla cuesta encontrar: cuándo subía la temperatura, cuándo se quedaba quieta y a qué temperatura cambió de estado la sustancia.

En esta lección vas a convertir la tabla de un calentamiento en una curva de calentamiento, y vas a aprender a leerla. Con ella puedes descubrir el punto de fusión y el de ebullición de una sustancia, y hasta reconocer de qué sustancia se trata.

Antes de empezar necesitas la lección anterior: mientras una sustancia pura cambia de estado, su temperatura no cambia aunque se le siga dando calor. También necesitas saber ubicar puntos en un plano cartesiano.

Del experimento a la tabla

Imagina esta experiencia, que en el colegio hace el docente con una estufa eléctrica, porque el agua hirviendo y el vapor queman. En un recipiente pone hielo picado que viene del congelador y un termómetro. Prende la estufa, que entrega calor siempre de la misma manera, y cada cierto tiempo lee el termómetro. Tú anotas la hora y la temperatura en una tabla de dos columnas: el tiempo, en minutos, y la temperatura, en °C.

Los datos de la tabla de esta lección son inventados. La curva tiene la forma de la del hielo de agua pura al nivel del mar, pero los tiempos están simplificados: con una estufa de verdad, fundir el hielo tarda casi tanto como calentar el agua de $0\ \text{°C}$ a $100\ \text{°C}$, y hervirla toda tarda mucho más.

De la tabla a la gráfica

Para dibujar la curva, el tiempo va en el eje horizontal y la temperatura en el eje vertical. Cada columna de la tabla es un punto: el primero es $(0;\ -12)$, el segundo $(1;\ -6)$, y así. Al unir los puntos aparece la curva de la figura.

Lo primero que llama la atención es que la curva no sube todo el tiempo. Tiene tramos de subida, inclinados, y mesetas, horizontales.

Los tramos de subida

En un tramo de subida la sustancia está en un solo estado y el calor que recibe hace que sus partículas se muevan cada vez más rápido: la temperatura aumenta. En la curva del hielo hay dos:

• del minuto 0 al 2, el hielo se calienta de $-12\ \text{°C}$ hasta $0\ \text{°C}$;
• del minuto 10 al 35, el agua líquida se calienta de $0\ \text{°C}$ hasta $100\ \text{°C}$.

Para saber qué tan rápido sube la temperatura en un tramo se calcula el ritmo: lo que subió la temperatura dividido entre el tiempo que tardó. Se mide en grados por minuto (°C/min). Cuanto más inclinado está el tramo, más rápido sube la temperatura.

Las mesetas

En una meseta pasa el tiempo, la estufa sigue entregando calor y el termómetro no se mueve. No es que el termómetro esté dañado ni que el calor se pierda: ese calor se está usando en cambiar el estado de la sustancia, en soltar o separar sus partículas, y no en hacerlas moverse más rápido.

En la curva del hielo hay dos mesetas:

• a $0\ \text{°C}$, del minuto 2 al 10: el hielo se está fundiendo. Mientras dura, en el recipiente hay hielo y agua líquida juntos;
• a $100\ \text{°C}$, desde el minuto 35: el agua está hirviendo. Si el docente apagara la estufa al minuto 45, en el recipiente quedaría menos agua que al comienzo, porque una parte se convirtió en vapor.

La temperatura de la primera meseta es el punto de fusión y la de la segunda, el punto de ebullición. Por eso la curva sirve para reconocer una sustancia: si un líquido desconocido forma su meseta a una temperatura, se busca en una tabla qué sustancia hierve a esa temperatura.

Lo que la curva no dice

El largo de una meseta depende de cuánta sustancia había y de qué tan fuerte calienta la estufa: con el doble de hielo, la meseta de la fusión dura más, pero sigue a $0\ \text{°C}$. Lo que no cambia es la altura de la meseta: el agua pura se funde a $0\ \text{°C}$ tenga la cantidad que tenga.

Si el docente sube la estufa mientras el agua hierve, el agua hierve más fuerte y se acaba antes, pero la meseta sigue a $100\ \text{°C}$. Y si la sustancia no es pura (agua con sal, por ejemplo), la meseta deja de ser tan plana. Al nivel del mar, la meseta del agua pura que hierve queda en $100\ \text{°C}$; en una ciudad alta queda un poco más abajo, como vas a ver en la lección siguiente.

Al revés: la curva de enfriamiento

Si lo que se deja enfriar es vapor de agua, la curva baja en lugar de subir, y aparecen las mismas mesetas: a $100\ \text{°C}$ el vapor se condensa y a $0\ \text{°C}$ el agua se solidifica. Si lo que se enfría es agua que ya está líquida, por ejemplo agua tibia en el congelador, no hay vapor que condensar: la curva baja sin detenerse hasta $0\ \text{°C}$ y allí hace una sola meseta, la de la solidificación. Una sustancia se funde y se solidifica a la misma temperatura.

En resumen

• Una curva de calentamiento se dibuja desde la tabla: el tiempo en el eje horizontal y la temperatura en el vertical.

• En los tramos de subida la sustancia está en un solo estado y su temperatura aumenta.

• En las mesetas la sustancia cambia de estado y la temperatura no cambia, aunque siga recibiendo calor.

• La altura de la primera meseta es el punto de fusión y la de la segunda, el punto de ebullición; sirven para reconocer la sustancia.

• El ritmo de un tramo es lo que sube la temperatura dividido entre lo que dura, en °C por minuto.

Vocabulario

Curva de calentamiento

Gráfica que muestra cómo cambia la temperatura de una sustancia con el tiempo mientras se le da calor.

Meseta

Tramo horizontal de la curva: pasa el tiempo, la sustancia recibe calor y la temperatura no cambia, porque está cambiando de estado.

Tramo de subida

Parte de la curva en que la temperatura aumenta porque la sustancia no está cambiando de estado.

Ritmo de calentamiento

Cuántos grados sube la temperatura en cada minuto. Se calcula dividiendo lo que subió entre el tiempo que tardó.