Física de primaria y secundaria · Grades 1–9

21Fusión y ebullición: los cambios de estado

Hace años que sabes que el calor derrite el hielo y hace hervir el agua. Pero ahora tienes un termómetro — y el termómetro trae una noticia asombrosa desde dentro del cubo de hielo que se derrite: mientras el hielo se derrite, la temperatura se niega a moverse. Vamos a mirar los viejos cambios de estado con ojos nuevos.

21.1 Los nombres formales

Los cambios de estado del agua reciben ahora sus nombres de mayores, que valen para cualquier sustancia y no solo para el agua. De sólido a líquido: fusión. De líquido otra vez a sólido: solidificación (que en el agua llamamos congelación). De líquido a gas: ebullición cuando ocurre deprisa y con burbujas grandes, y evaporación cuando ocurre en silencio desde la superficie. De gas otra vez a líquido: condensación. Todas las sustancias del mundo — el agua, el chocolate, el hierro, el oro — pueden jugar a este juego, cada una a sus propias temperaturas.

Definición 21.1 (Punto de fusión)

El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se derrite — y también la temperatura a la que el líquido vuelve a congelarse. Para el agua es $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Cada sustancia tiene el suyo: el chocolate se derrite cerca de $34\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ (la temperatura de la boca — eso no es casualidad, pregúntaselo a cualquier chocolatero), la cera de las velas cerca de $60\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ y el hierro solo a $1538\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Definición 21.2 (Punto de ebullición)

El punto de ebullición de una sustancia es la temperatura a la que hierve. Para el agua es $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Cada sustancia tiene también el suyo — por eso una cocinera cuidadosa puede evaporar todo el agua mientras el aceite de la misma sartén sigue tranquilamente líquido.

Ejemplo 21.3 (Leer el mundo con dos números)

¿Por qué está sólida una tableta de chocolate en la estantería ( $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) y líquida en tu bolsillo durante una excursión de verano ( $35\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ )? Porque su punto de fusión, cerca de $34\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , está entre los dos. Una sustancia está sólida por debajo de su punto de fusión y líquida por encima — hasta su punto de ebullición, donde se marcha hecha gas. Dos números cuentan la historia entera de cualquier sustancia a cualquier temperatura.

21.2 El termómetro cabezota

Método 21.4 (Mirar cómo se derrite el hielo, bien mirado)

llena un cuenco de hielo picado o de nieve y planta dentro el termómetro; espera y lee: $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ;
lleva el cuenco a la cocina templada y lee el termómetro cada pocos minutos mientras el hielo se derrite;
sigue leyendo hasta mucho después de que haya desaparecido la última esquirla de hielo.

El informe: durante toda la fusión — con agua y hielo juntos en el cuenco — el termómetro se queda cabezota en $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Solo cuando el último trocito de hielo se ha derretido empieza a subir la temperatura.

Proposición 21.5 (La ley de la meseta)

Mientras una sustancia está cambiando de estado — fundiéndose o hirviendo —, su temperatura se queda quieta en el hito, por mucho que trabaje el fogón. Todo el calor que llega se gasta en el propio cambio de estado y nada en subir. El sólido y el líquido conviven en el punto de fusión; el líquido y el gas, en el punto de ebullición.

Una olla de hielo sobre un fogón constante, contada por el termómetro: la temperatura sube, se detiene en 0\, C mientras el hielo se derrite, vuelve a subir y se detiene en 100\, C mientras el agua se evapora hirviendo. (La última subida roja pertenece al vapor.) — Una olla de hielo sobre un fogón constante, contada por el termómetro: la temperatura sube, se detiene en $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ mientras el hielo se derrite, vuelve a subir y se detiene en $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ mientras el agua se evapora hirviendo. (La última subida roja pertenece al vapor.)

Un hervor a borbotones: dentro del líquido se forman burbujas de vapor de agua que revientan en la superficie — y, mientras tanto, el termómetro se queda quieto en el punto de ebullición.

Ejemplo 21.6 (La meseta en la cocina)

Por eso el agua que hierve suavemente y la que hierve a borbotones cuecen la pasta igual de rápido: las dos ollas están exactamente a $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ — la furiosa solo malgasta su calor de más fabricando vapor más deprisa. Y por eso una bebida con cubitos se queda a $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ hasta la última esquirla: el hielo que se funde clava la temperatura en el hito.

Observación 21.7 (Un número que el ojo no ve)

Sin termómetro, nadie adivinaría la meseta: la olla parece cada vez más agitada, el cubo de hielo parece cada vez más tranquilo, y en los dos la temperatura está clavada. Es una victoria más de medir sobre parecer — y una de las primeras grandes sorpresas que los instrumentos le regalaron a la ciencia.

21.3 Cada sustancia conserva sus hitos

Proposición 21.8 (Los hitos son marcas de identidad)

El punto de fusión y el punto de ebullición de una sustancia pura no cambian nunca: el agua se derrite a $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ hoy, mañana, en un palacio o en una tienda de campaña. Los hitos forman parte de la identidad de la sustancia — tan bien guardada que un científico puede reconocer una sustancia desconocida midiendo dónde se derrite y dónde hierve.

Ejemplo 21.9 (La vela y la fundición)

Una vela junto a la chimenea se desploma y gotea: la cera ha pasado su punto de fusión, cerca de $60\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . En una fundición, los operarios vierten hierro líquido de un naranja incandescente como si fuera sopa — su horno ha pasado de $1538\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . El mismo juego, con hitos disparatadamente distintos: lo que la chimenea le hace a la cera, solo un horno se lo puede hacer al hierro. Y el oro se funde a $1064\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : los orfebres conocen ese número, con las manos si no en grados, desde hace miles de años.

Hitos de algunas sustancias cotidianas, en grados Celsius (la recta está comprimida — la marca del hierro está de verdad quince veces más lejos que la del agua). Cada sustancia lleva siempre sus propios números.

21.4 Ejercicios

Ejercicio 21.1 ★

Di el nombre formal: de sólido a líquido; de líquido a sólido; de líquido a gas con burbujas grandes; de gas a líquido en una ventana fría.

Solución

Solución de Ejercicio 21.1.

Fusión; solidificación (congelación); ebullición; condensación.

Ejercicio 21.2 ★

¿Cuáles son los dos hitos del agua, con sus temperaturas? ¿Y el punto de fusión del chocolate, más o menos?

Solución

Solución de Ejercicio 21.2.

Punto de fusión $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , punto de ebullición $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . El chocolate se derrite cerca de $34\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ — la temperatura de la boca.

Ejercicio 21.3 ★

Un cuenco contiene hielo y agua juntos, bien removidos. ¿Qué marca el termómetro? ¿Qué marcará cinco minutos después, si todavía queda algo de hielo?

Solución

Solución de Ejercicio 21.3.

$0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ — y $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ todavía cinco minutos después: mientras el hielo y el agua conviven, la temperatura está clavada en el punto de fusión.

Ejercicio 21.4 ★

Enuncia la ley de la meseta. ¿Adónde va el calor del fogón mientras el agua hierve, si la temperatura ya no sube?

Solución

Solución de Ejercicio 21.4.

Mientras una sustancia se funde o hierve, su temperatura se queda quieta en el hito. Todo el calor se gasta en el propio cambio de estado — en convertir el líquido en vapor — y nada en subir.

Ejercicio 21.5 ★

La cera se funde cerca de $60\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . ¿Está una vela sólida o líquida: en un salón a $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; junto a una llama que la calienta a $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; en un desván de verano a $35\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ?

Solución

Solución de Ejercicio 21.5.

Sólida a $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ (por debajo de $60$ ); líquida a $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ (por encima de $60$ ); sólida todavía a $35\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ — aunque una tableta de chocolate en el bolsillo ya se habría derretido a esa temperatura.

Ejercicio 21.6 ★

La pasta se cuece en agua que hierve suavemente. Papá pone el fuego al máximo y la olla hierve a borbotones. ¿Está ahora más caliente el agua? ¿Qué produce en su lugar el calor de más?

Solución

Solución de Ejercicio 21.6.

No está más caliente: las dos ollas están a $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , la meseta de la ebullición. El calor de más solo fabrica vapor más deprisa — llama malgastada, misma pasta.

Ejercicio 21.7 ★

En la gráfica de las mesetas del capítulo, ¿cómo puedes localizar los dos cambios de estado sin leer ni una sola palabra?

Solución

Solución de Ejercicio 21.7.

Por los dos tramos planos — las mesetas. Allí donde la curva corre horizontal mientras el fogón sigue calentando, hay un cambio de estado en marcha.

Ejercicio 21.8 ★

El hierro se funde a $1538\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ y el oro a $1064\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Un horno trabaja a $1200\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : ¿cuál de los dos metales se vierte en él como si fuera sopa y cuál sigue sólido? ¿Por cuántos grados se queda corto el horno con el otro?

Solución

Solución de Ejercicio 21.8.

El oro ( $1064 < 1200$ ) se vierte; el hierro ( $1538 > 1200$ ) sigue sólido. Al horno le faltan $1538 - 1200 = 338$ grados para llegar al hito del hierro.

Ejercicio 21.9 ★

¿Por qué se mantiene igual de fría una bebida con cubitos hasta la última esquirla de hielo — y solo entonces empieza a templarse?

Solución

Solución de Ejercicio 21.9.

El hielo que se funde clava la bebida en $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : todo el calor que llega se gasta en fundir hielo y nada en templar la bebida. Solo cuando desaparece la última esquirla puede empezar a subir la temperatura.

Ejercicio 21.10 ★★

Una científica recibe un sólido blanco desconocido. Descubre que se funde exactamente a $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ y que su líquido hierve exactamente a $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . ¿Cuál es su mejor conjetura sobre la sustancia — y qué ley permite que los hitos sirvan de carné de identidad?

Solución

Solución de Ejercicio 21.10.

Su mejor conjetura: la sustancia es hielo — agua congelada. La ley de que los hitos son marcas de identidad: los puntos de fusión y de ebullición de una sustancia pura no cambian nunca, así que coincidir exactamente con los dos números del agua vale tanto como una firma.

Ejercicio 21.11 ★★

Los alpinistas cuentan que, allá arriba en las grandes cumbres, el agua hierve estando apenas demasiado caliente para tocarla — y que su té nunca sale bien. ¿Qué certeza cotidiana sobre el agua hirviendo se viene abajo allí arriba? (La razón se esconde en el propio aire, y un capítulo posterior sobre la presión del aire la atrapará.)

Solución

Solución de Ejercicio 21.11.

La certeza de que el agua hierve siempre a $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Allá arriba en una cumbre hierve bastante por debajo — caliente, pero no a $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ —, así que ese agua “hirviendo” está demasiado fría para hacer bien el té. La culpable es el aire enrarecido, que aprieta menos sobre el agua, como enseñará el capítulo de la presión del aire.

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