Cambio de estado de agregación

Se conoce como cambio de estado toda posible evolución de un estado de agregación de la materia a otro, en función de las variaciones de la temperatura y de la presión. Estas transiciones suceden dentro de determinados límites térmicos, ya que por encima de 4.500 °C no existe materia sólida, y más allá de, aproximadamente, los 6.000 °C toda la materia se halla en estado gaseoso. Aunque el plasma queda, como se ha dicho, al margen de la noción de cambio de estado, es posible avanzar un paso más en la exposición de estos límites, ya que por encima de los 10.000 °C toda la materia se encuentra en forma de plasma, estado de agregación que, por otro lado, caracteriza a la gran mayoría de la materia en el universo.

Además de las denominaciones y las singularidades de fusión, solidificación, vaporización y demás variaciones de los estados de agregación, en este contexto tiene también interés otras nociones afines como las relacionadas con los calores asociados a cada transición, las de equilibrio entre vapor, líquido y sólido, y la de diagrama de fases.

Denominación de los cambios de estado

Al incrementarse la temperatura de un sólido, aumenta la capacidad de movimiento de sus moléculas, hasta que se alcanza un momento en el que las fuerzas intermoleculares pierden su influencia sobre las partículas y éstas comienzan a desplazarse unas sobre otras. Es entonces cuando se produce la fusión, el paso del estado sólido al líquido, que tiene lugar cuando se alcanza el llamado punto de fusión, manteniéndose constante la temperatura en este valor, hasta que no se ha fundido todo el sólido.

Si continúa subiendo la temperatura una vez terminada la fusión, las fuerzas intermoleculares se debilitarán también en el líquido, pasando éste al estado gaseoso, en el proceso conocido como vaporización. Si ésta es lenta y superficial, se llama evaporización, pero si se realiza de forma turbulenta y en toda la masa del líquido, recibe el nombre de ebullición. Esta última modalidad requiere siempre una aportación de calor, necesaria para alcanzar la temperatura llamada punto de ebullición, la cual se mantiene constante durante todo el cambio del estado líquido al gaseoso. La evaporación, por el contrario, no requiere aportación de calor y se verifica de forma paulatina cuando las moléculas que ocupan la superficie del líquido adquieren la energía cinética suficiente para vencer la tensión superficial.

En la línea de evolución inversa, si un gas se enfría hasta llegar al punto de ebullición se registra la transformación de gas en líquido, llamada condensación. En términos generales, esta denominación se aplica al proceso cuando tiene lugar de manera natural a presiones próximas a la atmosférica, mientras que, si se aplican condiciones de sobrepresión, la transición se llama licuefacción. Continuando en el desarrollo de reducción de la temperatura, una vez que el gas ha pasado por completo al estado líquido, se alcanzará el punto de fusión, en el cual tiene lugar el paso al estado sólido, la solidificación.

Otro cambio de estado, menos frecuente que los anteriores, es el paso directo del estado sólido al gaseoso, que se da, por ejemplo, en las bolas de naftalina (forma impura del compuesto orgánico naftaleno), empleadas, entre otras cosas, como repelentes de polillas, cuyas larvas se alimentan de la tela de la ropa. Al proceso inverso a la sublimación, generado por enfriamiento del gas sublimado, se le llama condensación o sublimación a sólido.

Calores y equilibrios en los cambios de estado

Los cambios de estado implican ganancia o pérdida de calor sin que varíe la temperatura del sistema. Cuando un sólido pasa al estado líquido se absorbe una determinada cantidad de calor a la que se llama calor de fusión. Análogamente, el calor de vaporización corresponde a la cantidad de calor que el sistema absorbe cuando el líquido pasa a vapor, en tanto que el de sublimación es el adquirido en la transición directa de estado sólido a gaseoso.

Otra magnitud termodinámica importante en este tipo de transformaciones es la entalpía molar de los diferentes cambios de estado. Por ejemplo, la entalpía molar de vaporización, ΔHvap, es la cantidad de calor que se absorbe para transformar un mol de líquido en vapor, para valores determinados de presión y temperatura.

Se da la singular circunstancia de que la absorción o pérdida de energía en forma de calor que se produce en los diferentes cambios de estado no da lugar a modificación de la temperatura, debido a que, en ellos, el calor que se toma del medio se emplea para aumentar la energía de las moléculas en la transición de un estado a otro, a fin de compensar las fuerzas de atracción de otras moléculas próximas y no para incrementar la temperatura. Tal es la razón por la que en los puntos de fusión, vaporización, etc., la temperatura es constante hasta que la transición de estado concluye.

Son reseñables, por otra parte, las situaciones de equilibrio entre los diferentes estados de agregación cuando se produce un cambio.

Equilibrios entre vapor, líquido y sólido

En todos los líquidos en los que hay moléculas en superficie con la suficiente energía cinética como para vencer la tensión superficial se produce evaporación. Si un líquido se coloca, sin llenarlo, en un recipiente y se hace el vacío en el espacio restante, el líquido se evapora hasta que el gas ocupa el espacio disponible estableciéndose un estado de equilibrio. En dicho estado, el gas ejerce una presión que es constante para un mismo valor de temperatura y a la que se llama presión de vapor, ya mencionada en el capítulo dedicado al estado líquido. La magnitud de esta variable es solamente dependiente de la naturaleza y de la temperatura del líquido, no de su masa.

La presión de vapor, que se expresa en mm de Hg o torricelli (tor), en honor del físico italiano Evangelista Torricelli, quien calculó el valor de la presión atmosférica, es una medida de la tendencia a la vaporización de los gases, siendo así que cuanto más elevado sea su valor, mayor será la volatilidad de dicho gas.

La presión de vapor también tipifica los equilibrios sólido-vapor, si bien su magnitud a temperaturas de rango ambiental es muy inferior a la de los líquidos. Sólo las sustancias que experimentan sublimación sin aplicación de calor, como la mencionada naftalina, presentan presiones de vapor significativamente elevadas.

Por cuanto respecta a los equilibrios líquido-sólido, su cuantificación viene determinada por los puntos de fusión y solidificación que, para las sustancias puras, son coincidentes.