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Tema 2 Leyes Fundamentales

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ESTADO. FUSIÓN Y SOLIDIFICACIÓN, EVAPORACIÓN Y EBULLICIÓN,

ESTADO. FUSIÓN Y SOLIDIFICACIÓN, EVAPORACIÓN Y EBULLICIÓN,

SUBLIMACIÓN Y CONDENSACIÓN.

SUBLIMACIÓN Y CONDENSACIÓN.

DESTILACIÓN.

DESTILACIÓN.

1. Cambios d s!ado.

1. Cambios d s!ado.

F"si#$ % so&idi'i(a(i#$, )a*o+a(i#$ % b"&&i(i#$,

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Se denomina cambio de estado la evolución de la

Se denomina cambio de estado la evolución de la materiamateria entre varios entre varios estados de estados de agregaagregaciónción sinsin que ocurra un cambio en su comosición. Los tres estados m!s estudiados y comunes en la Tierra que ocurra un cambio en su comosición. Los tres estados m!s estudiados y comunes en la Tierra so

son eln el sólidosólido"" elel l#quidol#quido y ely el gaseosogaseoso$ no obstante" el estado de agregación m!s com%n en el$ no obstante" el estado de agregación m!s com%n en el &niverso

&niverso es eles el lasmalasma"" material del que est!n comuestas las material del que est!n comuestas las estrellasestrellas 'si se descarta la'si se descarta la materiamateria oscura

oscura(. Son los rocesos en los que un estado de la materia cambia a otro manteniendo una(. Son los rocesos en los que un estado de la materia cambia a otro manteniendo una seme)an*a en su comosición.

seme)an*a en su comosición.

La siguiente tabla indica cómo se denominan los cambios de estado: La siguiente tabla indica cómo se denominan los cambios de estado:

Inicial

Inicial

 \ \

FinalFinal SSóólliiddo o LLííqquuiiddo o GGaass Sólido

Sólido fusiónfusión sublimaciónsublimación""   subl  sublimacióimación n rogrrogresiva esiva oo

sublimación directa sublimación directa Líquido

Líquido solidificaciónsolidificación evaoraciónevaoración o o ebulliciónebullición

Gas

Gas susublblimaimacición ón ininveversrsaa"" regresiva o deosición regresiva o deosición

condensación

condensación yy licuefacciónlicuefacción

'licuación( 'licuación(

También se uede ver claramente con el siguiente gr!fico: También se uede ver claramente con el siguiente gr!fico:

+ +

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,n el diagrama ad)unto" faltar#a concretar lo que es -licuefacción-" que es aso a l#quido. Se dice que el a*%car se lic%a cuando al calentarse asa de estado en granos cristali*ados a ser un l#quido marrón" de alta viscosidad.

De a

Sólido   Líquido Gas   Plasma

Sólido Transformación de sólido a sólido usión Sublimación /

Líquido Solidificación 01A ,bullición1,vaoración /

Gas Deosición ondensación 01A 3oni*ación

Plasma / / 4ecombinación1Deioni*ación 01A

Tabla +. 5aso de una sustancia de un estado a otro

,s imortante 6acer notar que en todas las transformaciones de fase de las sustancias" éstas no se transforman en otras sustancias" solo cambia su estado f#sico. Las diferentes transformaciones de fase de la materia en este caso las del agua son necesarias y rovec6osas ara la vida y el sustento del 6ombre cuando se desarrollan normalmente.

Los cambios de estado est!n divididos generalmente en dos tios: rogresivos y regresivos. Cambios progresivos: 7aori*ación" fusión y sublimación rogresiva.

Cambios regresivos: ondensación" solidificación y sublimación regresiva

 A continuación se describen los diferentes cambios de estado o transformaciones de fase de la materia.

FUSIÓN

,s el aso de un sólido al estado l#quido or medio del calor $ durante este roceso endotérmico 'roceso que absorbe energ#a ara llevarse a cabo este cambio( 6ay un unto en que la temeratura ermanece constante. La fusión es un roceso f#sico que consiste en el cambio de estado de la materia del estado sólido al estado l#quido or la acción del calor . uando se calienta un sólido" se transfiere calor a los !tomos" los cuales vibran con m!s raide* a medida que ganan energ#a.

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,l roceso de fusión de la materia es el mismo que el de fundición" ero este %ltimo término se alica generalmente a sustancias como los metales" que se lic%an a altas temeraturas" y a sólidos cristalinos. uando una sustancia se encuentra a su temeratura de fusión" el calor que se suministra es absorbido or la sustancia durante su transformación" y no roduce variación de su temeratura. ,ste calor adicional se conoce como calor de fusión. ,l término fusión se alica también al roceso de calentar una me*cla de sólidos ara obtener una disolución l#quida simle.

Punto de fusión

,l -unto de fusión- es la temeratura a la cual la materia asa de estado sólido a estado l#quido" es decir" se funde" or lo que su valor es articular ara cada sustancia. uando dic6as moléculas se mover!n en una forma indeendiente" transform!ndose en un l#quido. &n e)emlo odr#a ser un 6ielo derritiéndose" ues asa de estado sólido al l#quido.

5untos de fusión 'en a*ul( y untos de ebullición 'en rosado( de los oc6o rimeros !cidos carbo8#licos '9(.

 Al efecto de fundir un metal se le llama fusión 'no odemos confundirlo con el unto de fusión(. También se suele denominar fusión al efecto de licuar  o derretir  una sustancia sólida" congelada o astosa" en l#quida.

,n la mayor#a de las sustancias" el unto de fusión y de congelación" son iguales. 5ero esto no siemre es as#: or e)emlo" el agar/agar  se funde a ; 9 y se solidifica a artir de los <+ 9 a => 9$ este roceso se conoce como 6istéresis.

,n geolog#a" se denomina unto de solidus a la temeratura en la que emie*a a fundirse una roca y unto de liquidus a la temeratura en la que la fusión es total. Tanto la resencia de agua como una disminución de la resión ueden reba)ar los untos de solidus y liquidus de una roca" facilitando la formación de magmas sin aumentar la temeratura.

SOLIDIFICACIÓN

,s el aso de un l#quido a sólido or medio del enfriamiento$ el roceso es e8otérmico. La solidificación es un roceso f#sico que consiste en el cambio de estado de la materia de l#quido a sólido roducido or una disminución en la temeratura o or una comresión de este material. ,s el roceso inverso a la fusión" y sucede a la misma temeratura. ,)emlo de esto es cuando colocamos en el congelador agua" como la temeratura es muy ba)a esto 6ace que se 6aga 6ielo" o en ocas alabras" aumenta el volumen al solidificarse" aunque no sucede en todos los casos.

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También se llama solidificación al roceso de endurecimiento de materiales como el cemento o la arcilla" en esos casos al des6idratarse a temeratura constante.

,l -unto de solidificación- o de congelación es la temeratura a la cual el l#quido se solidifica y ermanece constante durante el cambio" y coincide con el unto de fusión si se reali*a de forma lenta 'reversible($ su valor es también esec#fico.

VAPORIZACIÓN ! "#ULLICIÓN

Son los rocesos f#sicos en los que un l#quido asa a estado gaseoso. Si se reali*a cuando la temeratura de la totalidad del l#quido iguala al unto de ebullición  del l#quido a esa resión continuar calent!ndose el l#quido" éste absorbe el calor" ero sin aumentar la temeratura: el calor  se emlea en la conversión del agua en estado l#quido en agua en estado gaseoso" 6asta que la totalidad de la masa asa al estado gaseoso. ,n ese momento es osible aumentar la temeratura del gas.

La

$a%o&i'ación

 es el rincial roceso mediante el cual el agua cambia de estado.

,n el camo teraéutico" la vaori*ación denomina el uso medicinal de vaores" en esecial en conte8tos relacionados con aguas termales.

"$a%o&ación(

se roduce cuando el estado l#quido cambia lentamente y gradualmente a estado gaseoso" tras 6aber adquirido suficiente energ#a ara vencer la tensión suerficial. A diferencia de la ebullición" la evaoración se roduce a cualquier temeratura" siendo m!s r!ida cuanto m!s elevada esta.

0o es necesario que toda la masa alcance el unto de ebullición. uando e8iste un esacio libre encima de un l#quido" una arte de sus moléculas est! en forma gaseosa"  al equilibrase" la cantidad de materia gaseosa define la resión de vaor  saturante" la cual

no

  deende del volumen" ero var#a seg%n la naturale*a del l#quido y la temeratura. Si la cantidad de gas es inferior a la resión de vaor saturante" una arte de las moléculas asan de la fase l#quida a la gaseosa: eso es la evaoración. uando la resión de vaor iguala a la atmosférica" se roduce la ebullición.?@

,n 6idrolog#a" la evaoración es una de las variables 6idrológicas  imortantes al momento de establecer el balance 6#drico  de una determinada cuenca 6idrogr!fica o arte de esta. ,n este caso" se debe distinguir entre la evaoración desde suerficies libres y la evaoración desde el suelo. La evaoración de agua es imortante e indisensable en la vida" ya que el vaor de agua" al condensarse se transforma en nubes y vuelve en forma de lluvia" nieve" niebla o roc#o.

7ista como una oeración unitaria" la evaoración es utili*ada ara eliminar el vaor formado or  ebullición de una solución o susensión l#quida.

Fenómeno físico

,l movimiento térmico de una molécula de l#quido debe ser suficiente ara vencer la tensión suerficial y evaorar" esto es" su energ#a cinética debe e8ceder el traba)o de co6esión alicado or la tensión suerficial a la suerficie del l#quido. 5or eso" la evaoración acontece m!s r!idamente a altas temeraturas" a altos caudales entre las fases l#quida y vaor y en l#quidos con ba)as tensiones suerficiales 'esto es" con resión de vaor  m!s elevadas(.

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on solamente una roorción equea de moléculas locali*ada cerca de la suerficie y moviéndose en la dirección correcta ara escaar del l#quido en un cierto instante" la tasa de evaoración es limitada. Adem!s" como las moléculas de mayor energ#a escaan y las que quedan tienen menor energ#a cinética media" la temeratura del l#quido se reduce. ,ste fenómeno también es llamado de enfriamiento evaporativo. &n e)emlo ara dic6o fenómeno es la transiración 'sudor (.

Equilibrio evaporativo

Si la evaoración ocurre en un reciiente cerrado" las moléculas  que escaan del l#quido se acumulan en forma de vaor   arriba del l#quido. Buc6as de esas moléculas regresan al estado l#quido. uando el roceso de escae y regreso alcan*a un equilibrio" el vaor es llamado saturado y no ocurren cambios adicionales en la resión de vaor  o en la temeratura del l#quido.

5resión del vaor de agua frente a la temeratura. 'C> Torr E + atm(

")ullición(

es el roceso f#sico en el que la materia asa a estado gaseoso. ambio de estado que ocurre or aumento de la temeratura en el interior del l#quido. Se reali*a cuando la temeratura de la totalidad  del l#quido iguala al unto de ebullición del l#quido a esa resión. Si se contin%a calentando el l#quido" éste absorbe el calor" ero sin aumentar la temeratura: el calor se emlea en la conversión de la materia en estado l#quido al estado gaseoso" 6asta que la totalidad de la masa asa al estado gaseoso. ,n ese momento es osible aumentar la temeratura de la materia" ya como gas.

,ste roceso es muy distinto a la evaoración" que es aulatino y ara el que" en altitudes sueriores" la resión atmosférica media disminuye" or lo que el l#quido necesita temeraturas menores ara entrar en ebullición.

,n una olla a resión" el agua" or e)emlo" llega a una temeratura de +2> o +<> 9 antes de 6ervir" debido a la mayor resión alcan*ada or los gases en su interior. Gracias a esta mayor  temeratura del agua en el interior de la olla" la cocción de la comida se da m!s r!idamente.

La adición de aditivos al agua uede 6acer aumentar o disminuir su unto de ebullición.

,l roceso de ebullición del agua" esecialmente a alta resión" se utili*a desde la antigFedad como medio ara esterili*ar  el agua" debido a que algunos microorganismos   mueren a esta temeratura.

Punto de ebullición

,l unto de ebullición es la temeratura a la cual un l#quido determinado 6ierve 'a una resión dada(" y ermanece constante mientras dure el roceso de cambio de estado. ,s aquella ;

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temeratura en la cual la materia cambia de estado l#quido a gaseoso" es decir se ebulle. ,8resado de otra manera" en un l#quido" el unto de ebullición es la temeratura a la cual la resión de vaor del l#quido es igual a la resión del medio que rodea al l#quido. ,n esas condiciones se uede formar vaor en cualquier unto del l#quido.

La temeratura de una sustancia o cuero deende de la energ#a cinética media de las moléculas.  A temeraturas inferiores al unto de ebullición" sólo una equea fracción de las moléculas en la

suerficie tiene energ#a suficiente ara romer la tensión suerficial y escaar. ,ste incremento de energ#a constituye un intercambio de calor  que da lugar al aumento de la entro#a  del sistema 'tendencia al desorden de las art#culas que lo comonen(.

,l unto de ebullición  deende de la masa molecular  de la sustancia y del tio de las fuer*as intermoleculares de esta sustancia. 5ara ello se debe determinar si la sustancia es covalente olar" covalente no olar" y determinar el tio de enlaces ' diolo ermanente / diolo inducido o uentes de 6idrógeno(.

COND"NSACIÓN

Se denomina condensación al cambio de fase de la materia que se encuentra en forma gaseosa 'generalmente vaores( y asa a forma l#quida. ,s el roceso inverso a la vaoración. Si se roduce un aso de estado gaseoso a estado sólido de manera directa" el roceso es llamado sublimación inversa. Si se roduce un aso del estado l#quido a sólido se denomina solidificación.

Proceso

 Aunque el aso de gas a l#quido deende" entre otros factores" de la resión y de la temeratura" generalmente se llama condensación al tr!nsito que se roduce a resiones cercanas a la ambiental. uando se usa una sobreresión elevada ara for*ar esta transición" el roceso se denomina licuefacción.

,l roceso de condensación suele tener lugar cuando un gas es enfriado 6asta su unto de roc#o" sin embargo este unto también uede ser alcan*ado variando la resión. ,l equio industrial o de laboratorio necesario ara reali*ar este roceso de manera artificial se llama condensador .

La ciencia que estudia las roiedades termodin!micas del aire 6%medo y los efectos que tiene la variación de la 6umedad atmosférica sobre los materiales y el ser 6umano. Las interrelaciones entre los ar!metros que determinan la condición del aire 6%medo se reresentan en los diagramas sicrométricos. La condensación es un roceso regido con los factores en cometición de energ#a y entro#a. Bientras que el estado l#quido es m!s favorable desde el unto de vista energético" el estado gas es el m!s entróico.

Condensación en la naturaleza

,n la naturale*a se da el roceso de la condensación de vaor de agua al ba)ar la temeratura" or e)emlo" con el roc#o en la madrugada. ,l vaor sólo se condensa en una suerficie cuando la temeratura de dic6a suerficie es menor que la temeratura del vaor. Durante este roceso la molécula de agua libera energ#a en forma de calor" esto tiene arte de la resonsabilidad de la sensación de temeratura mayor en un ambiente muy c!lido y muy 6%medo: la 6umedad que

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condensa en nuestra iel nos est! transmitiendo un calor adicional. Adicionalmente" esta 6umedad 6ace in%til el roceso natural de refrigeración or sudor  y evaoración. La temeratura ambiental también aumenta ligeramente.

 Aplicaciones

La condensación es esencial ara el roceso de destilación" un roceso muy imortante tanto ara el traba)o en el laboratorio como ara alicaciones industriales.

,l 6ec6o de que la condensación sea un roceso natural" el llamado roc#o" rovoca que sea de gran utilidad ara conseguir agua: 5odemos encontrar muc6as estructuras creadas con el %nico roósito de conseguir agua a artir de la condensación" como el caso del estanque de roc#o o un colador ara recoger la 6umedad del aire. Buc6os de los sistemas que se usan ara recoger agua a artir de la condensación son usados ara arovec6ar y mantener la 6umedad de la tierra en *onas con una avan*ada desertificación en roceso. Algunas organi*aciones educan a los 6abitantes de dic6as *onas ara ayudarles a afrontar la situación.

SU#LI*ACIÓN

Del lat#n sublimāre, también denominado volatili*ación" es el roceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin asar or el estado l#quido. Al roceso inverso se le denomina

de%osición

o

su)limación &e+&esi$a

$ es decir" el aso directo del estado gaseoso al estado sólido. &n e)emlo cl!sico de sustancia caa* de sublimarse a resión y temeratura ambiente es el 6ielo seco.

El ciclo del agua y la sublimación

,l agua uede encontrarse en cuatro estados: sólida" l#quida" gaseosa y lasm!tica. ,l agua en la Tierra constituye la 6idrosfera"   y se distribuye en tres tios de reservas o comartimentos esenciales" articularmente dentro del medio ecológico" los océanos" los continentes y la atmósfera" entre los que e8iste una continua circulación que configura el ciclo 6idrológico. ,l ciclo 6idrológico es mantenido or la radiación del sol"   que roorciona la energ#a" y la fuer*a gravitatoria " que condiciona y orienta la circulación.

5or medio de esta secuencia de fenómenos" el agua de la suerficie terrestre asa como vaor a la atmósfera y regresa a sus fases l#quidas y sólidas a través de las diversas formas de reciitación. ,l agua asa al estado de vaor" no sólo or la evaoración directa y la transiración de las lantas y animales" sino or sublimación 'aso directo del agua sólida a vaor de agua(.

El fenómeno de sublimación progresiva

Los sólidos tienen resiones de vaor" caracter#sticas que oscilan con la temeratura como sucede con l#quidos. Aumentando la temeratura" aumenta también la resión de vaor   del sólido. ,l suceso de la estabili*ación de un sólido con vaor saturado" que var#a su resión con la temeratura" a esa infle8ión se llama curvatura de sublimación. ,ste fenómeno ocurre a menor  resión y menor temeratura que el unto trile de un Diagrama de fase de la sustancia estudiada. Se determina como sublimación el indicar la conversión directa sólido/vaor" sin la intervención

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l#quida. 5or e)emlo" la urificación del yodo" a*ufre" naftaleno o !cido  ben*oico resultan muy viables or sublimación" debido a que las resiones de vaor de estos sólidos tienen valores bastante elevados.

Los olores caracter#sticos de muc6as sustancias sólidas" como las nombradas" son debido a que estas sustancias tienen una resión de vaor areciable a temeratura ambiente. tro e)emlo es el m!s com%n ara ilustrar sublimación es a través de 6ielo seco" que es el nombre com%n que se le da al 2 sólido. uando el 6ielo seco se e8one al aire" éste comien*a a sublimar 'se convierte

en vaor(. Algunos e)emlos odr#an ser: /&na naftalina cuando se ec6a a la sartén asa de sólido a gas inmediatamente.

El fenómeno de sublimación regresiva o inversa deposición!

,s el roceso inverso a la sublimación rogresiva" es decir" el aso directo de gas a sólido. 5or  e)emlo" cuando se roducen vaores al calentarse cristales de yodo y luego se one sobre ellos un ob)eto que est! muy fr#o$ entonces" los vaores se transformar!n nuevamente en cristales de yodo. Históricamente la alabra sublimado se refirió a las sustancias formadas or deosición a artir de IvaoresJ 'gases(" como el Isublimado corrosivoJ" cloruro merc%rico"   formado or  alteración de los calomelanos cristali*ado obtenido durante las oeraciones alqu#micas.

ualquier sustancia ura uede sublimarse" esto es debido a condiciones de resiones sueriores y temeraturas inferiores a la que se roduce dic6a transición. ,n la naturale*a la sublimación inversa se observa en la formación de la nieve o de la escarc6a. Las art#culas artiendo de las cuales se roduce la acreción o acrecimiento lanetario" se forman or sublimación inversa a artir  de comuestos en estado gaseoso originados en suernovas.

D"SIONIZACIÓN

,s el cambio de un lasma a gas.

IONIZACIÓN

Referencias

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