Física de primaria y secundaria · Grades 1–9

39El agua en todos sus estados

Llevas persiguiendo al agua por sus estados desde tu segundo año de colegio: hielo, agua, vapor; muñecos de nieve que se funden y ventanas empañadas. Este año la persecución se convierte en contabilidad. Cuando el hielo se derrite, ¿se pierde algo de sustancia? Cuando el agua se congela, ¿por qué revientan las tuberías? Con balanzas y probetas en la mano, auditamos los tres estados del agua.

39.1 Los tres estados, con sus etiquetas formales

Definición 39.1 (Los seis cambios de estado)

Entre sus tres estados, el agua tiene seis puertas, cada una con su nombre científico:

sólido $\to$ líquido: fusión; líquido $\to$ sólido: solidificación (la congelación);
líquido $\to$ gas: vaporización — ruidosa y rápida en la ebullición, silenciosa y fresca como evaporación; gas $\to$ líquido: condensación;
sólido $\to$ gas directamente: sublimación, y gas $\to$ sólido directamente — puertas más raras, pero reales: las plumas de escarcha de una ventana helada crecen directamente del vapor invisible y se saltan por completo el líquido.

Las seis puertas del agua, con sus nombres formales. El calor mueve las puertas rojas; el frío, las azules.

Ejemplo 39.2 (Puertas por todas partes)

La escarcha de la mañana fundiéndose sobre la hierba; la ropa evaporándose en el tendedero; un espejo frío condensando el vapor de tu ducha; el congelador solidificando los cubitos de mañana; las plumas de escarcha crecidas de noche en el cristal. Una sola sustancia, seis puertas, todas dentro de un día de vida corriente — nómbralas y serán tuyas.

39.2 La auditoría: ¿se pierde sustancia?

Método 39.3 (Pesar un cambio de estado)

Hazle la pregunta a la balanza:

echa un poco de agua en una botella pequeña de plástico, enrosca bien el tapón y seca el exterior;
pésala: pongamos $368\,\mathrm{g}$ — anótalo;
déjala en el congelador toda la noche: solidificación;
pesa la botella congelada enseguida (secando cualquier escarcha).

La balanza responde: $368\,\mathrm{g}$ , al gramo. Derrítela otra vez en el alféizar y vuelve a pesar: $368\,\mathrm{g}$ . El estado cambió dos veces; la sustancia no pestañeó ni una.

Proposición 39.4 (La masa sobrevive a los cambios de estado)

Un cambio de estado cambia el aspecto de una sustancia, no su cantidad: la masa de antes es exactamente igual a la de después. Fusión, congelación, ebullición en una olla cerrada, condensación — por todas las puertas, la balanza marca lo mismo. (Deja el tapón quitado, eso sí, y el vapor se marchará con sus gramos: la sustancia sigue existiendo, pero tu auditoría ya no la contiene.)

Ejemplo 39.5 (Adónde se fueron los gramos del charco)

Un charco de $300\,\mathrm{g}$ se seca. ¿Se ha esfumado? ¿No pesaba nada? Nada de eso: $300\,\mathrm{g}$ de agua viajan ahora por el aire hechos vapor invisible, con cada gramo intacto — y una parte caerá con la lluvia de la semana que viene. La evaporación engaña al ojo, nunca a la contabilidad. La raya de tiza de tu experimento del charco de la infancia era una auditoría; ahora tiene números.

39.3 La auditoría: ¿se conserva el sitio?

Proposición 39.6 (El agua se hincha al congelarse)

La masa sobrevive a las puertas — el volumen no. El agua es una sustancia curiosa: al hacerse sólida, se dilata. Un litro de agua da alrededor de $1.1$ litros de hielo: la misma masa, aproximadamente una décima parte más de sitio. Casi todas las sustancias encogen al solidificarse; el agua se hincha — y esa rareza redibuja paisajes.

La botella congelada: la balanza no cambia y el nivel está más alto. Congelarse conserva la sustancia y exige más sitio.

Ejemplo 39.7 (La tubería reventada y la montaña agrietada)

Olvidada en el congelador, una botella de vidrio llena de agua se raja: el hielo que se hincha necesita su décima parte de sitio extra y se la toma, con vidrio o sin él. El invierno le hace lo mismo a las tuberías — el agua que se congela dentro de un tubo lo revienta con la misma seguridad que un martillo — y a las montañas: la lluvia se cuela en las grietas de la roca, se congela de noche, se hincha y abre la grieta un poco más. Año tras año, helada tras helada, el pequeño hinchamiento raro de la Proposición 39.6 parte pedruscos y desmorona cumbres.

Observación 39.8 (Por qué flota el hielo)

La misma rareza responde a una pregunta que hiciste hace años en la bañera. El hielo guarda la sustancia de un litro en $1.1$ litros de sitio: a igualdad de sitio, el hielo es más ligero que el agua — así que el hielo flota en su propio líquido. Los icebergs navegan por el mar, los estanques se congelan de arriba abajo (lo que salva a los peces de debajo) y los cubitos de tu limonada bailan en la superficie en vez de hundirse. Pocas sustancias flotan sobre sí mismas; la vida de los estanques helados agradece que el agua lo haga.

39.4 El ciclo del agua, auditado

Ejemplo 39.9 (El gran viaje de ida y vuelta, con vocabulario)

La historia infantil del mar, la nube y la lluvia se lee ahora como un libro de cuentas. El calor del Sol impulsa la vaporización desde los mares — toneladas y toneladas suben invisibles. Allá arriba, con el frío, el vapor se condensa en las gotitas de las nubes; con más frío todavía, las gotitas se congelan y forman nieve. La nieve se apila en glaciares; los glaciares se derriten y forman ríos; los ríos devuelven al mar cada gramo. A lo largo de todo el circuito se cumple la Proposición 39.4: el planeta no gana ni pierde una gota — el agua de tu vaso lleva navegando este bucle desde antes de los dinosaurios.

Plumas de escarcha en un cristal helado: el agua del aire construyó este hielo durante la noche, directamente sobre el vidrio.

39.5 Ejercicios

Ejercicio 39.1 ★

Nombra las seis puertas de la Definición 39.1, cada una con un avistamiento de la vida diaria.

Solución

Solución de Ejercicio 39.1.

Fusión (la escarcha que desaparece de la hierba por la mañana); solidificación (los cubitos del congelador); vaporización (la ropa que se seca, la olla que hierve); condensación (el vaho del espejo frío); sublimación (un montón de nieve que encoge con helada seca); de gas a sólido directamente (las plumas de escarcha del cristal).

Ejercicio 39.2 ★

¿Qué puerta: el rocío que se forma en la hierba fría al amanecer; un muñeco de nieve que encoge un día soleado de $-5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , sin que aparezca ningún charco; unos cubitos que llenan el congelador de “humo”?

Solución

Solución de Ejercicio 39.2.

El rocío: condensación. El muñeco de nieve que encoge sin dejar charco: sublimación — de sólido directamente a vapor en el aire frío y seco. El “humo” del congelador: condensación — el vapor de la habitación se condensa en una nubecilla dentro del aire frío (gotitas, no gas).

Ejercicio 39.3 ★

Una botella cerrada de agua pesa $412\,\mathrm{g}$ . Se congela del todo durante la noche. ¿Cuánto pesa ahora y qué proposición responde?

Solución

Solución de Ejercicio 39.3.

$412\,\mathrm{g}$ todavía: la masa sobrevive a los cambios de estado — la botella cerrada no perdió ni ganó nada.

Ejercicio 39.4 ★

En el Método 39.3, ¿por qué tiene que estar tapada la botella — y por qué hay que secarla antes de cada pesada?

Solución

Solución de Ejercicio 39.4.

Tapada, para que ningún vapor pueda marcharse con sus gramos (la auditoría tiene que permanecer cerrada); seca, porque el agua o la escarcha pegadas por fuera añadirían gramos ajenos que pertenecen a la habitación y no a la auditoría.

Ejercicio 39.5 ★

Una olla de agua hierve destapada durante diez minutos y su masa baja $200\,\mathrm{g}$ . ¿Se ha destruido masa? ¿Dónde están esos gramos?

Solución

Solución de Ejercicio 39.5.

No se ha destruido: $200\,\mathrm{g}$ de agua se marcharon como vapor por el aire de la cocina — la vaporización sacó los gramos de la olla, no del mundo.

Ejercicio 39.6 ★

Un litro de agua entra en el congelador. ¿Qué volumen de hielo sale, aproximadamente? La misma pregunta para la masa.

Solución

Solución de Ejercicio 39.6.

Unos $1.1\,\mathrm{L}$ de hielo — una décima parte más de sitio. La masa no cambia: entra $1\,\mathrm{kg}$ y sale $1\,\mathrm{kg}$ .

Ejercicio 39.7 ★

¿Por qué revientan las tuberías del agua en los inviernos duros — y por qué vacían los jardineros sus grifos de exterior en otoño?

Solución

Solución de Ejercicio 39.7.

El agua atrapada en una tubería se hincha al congelarse, y la tubería, como la botella de vidrio, cede. Los jardineros vacían los grifos en otoño para que no quede dentro nada que se pueda hinchar.

Ejercicio 39.8 ★

¿Por qué flota el hielo en el agua? Conecta la Proposición 39.6 con la regla de la flotación — ¿más ligero o más pesado a igualdad de sitio?

Solución

Solución de Ejercicio 39.8.

El hielo mete la sustancia de un litro en $1.1$ litros de sitio: más ligero que el agua a igualdad de sitio — y ser más ligero a igualdad de sitio es exactamente lo que flota.

Ejercicio 39.9 ★★

Cuenta el ciclo del agua como un libro de cuentas: sigue $1\,\mathrm{kg}$ de agua de mar por el bucle completo, nombrando cada puerta por la que pasa y diciendo su masa en cada etapa.

Solución

Solución de Ejercicio 39.9.

Mar ( $1\,\mathrm{kg}$ , líquido) — vaporización — vapor ( $1\,\mathrm{kg}$ ) — condensación — gotitas de nube ( $1\,\mathrm{kg}$ ) — solidificación — nieve ( $1\,\mathrm{kg}$ ) — fusión — agua de deshielo ( $1\,\mathrm{kg}$ ) — río hasta el mar ( $1\,\mathrm{kg}$ ). Seis etapas, una masa que no cambia.

Ejercicio 39.10 ★★

Un vaso de limonada está lleno hasta el borde mismo, con cubitos bailando. Un invitado teme que se desborde cuando el hielo se derrita. Usa las dos auditorías (la masa conservada y el sitio extra del hielo devuelto) para tranquilizar — o alarmar — al invitado, con tu razonamiento.

Solución

Solución de Ejercicio 39.10.

Tranquilizarlo. El hielo que baila ya desplaza su propio peso de limonada; al fundirse devuelve exactamente esa agua, encogida otra vez la décima parte que se había hinchado — y se cuela en el sitio que el cubito ya estaba usando por debajo de la superficie. El vaso sigue lleno hasta el borde, sin desbordarse ni una gota.

Ejercicio 39.11 ★★

Aparecen plumas de escarcha en un cristal helado durante la noche, en una habitación seca, sin lluvia y con el cristal seco a la hora de acostarse. ¿Qué puerta tomó el agua, desde dónde y por qué esa puerta no se llama “congelación”?

Solución

Solución de Ejercicio 39.11.

La puerta de gas a sólido: el vapor invisible del aire de la habitación tocó el cristal helado y construyó hielo directamente, sin pasar por el líquido. No se llama “congelación” porque en el cristal no existió nunca nada líquido — el agua llegó directamente desde el estado de vapor.

Ejercicio 39.12 ★★★

Los estanques se congelan de arriba abajo. Explica la cadena entera: por qué el hielo del agua más fría se forma en la superficie y se queda ahí, qué le hace esa tapa flotante al flujo de calor de debajo (una idea de aislamiento del año pasado) y por qué los peces del fondo les deben sus inviernos al extraño hinchamiento del agua.

Solución

Solución de Ejercicio 39.12.

El estanque pierde calor hacia el aire del invierno por su superficie, así que el agua de arriba llega antes a $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ y su hielo se forma allí — y flota, por ser más ligero que el agua a igualdad de sitio, de modo que se queda arriba. La tapa de hielo (y de nieve) es un carril lento: aísla el agua de debajo, cuyo calor ya solo se escapa despacio hacia arriba. El agua del fondo se mantiene todo el invierno por encima de la congelación, y los peces nadan bajo un techo que les construyó su extraña agua que se hincha.

39.6 Problema: un kilogramo alrededor del mundo

Problema 39.1

Problema de fin de semana — un kilogramo de agua de mar en su gran gira; seis puertas, tres montañas, un libro de cuentas sin cuadrar nunca mal

Ponemos una etiqueta imaginaria a $1\,\mathrm{kg}$ de agua de mar y lo seguimos durante un año.

Parte I — Hacia arriba.

Junio: el Sol calienta la superficie del mar y nuestro kilogramo sube al aire, invisible. Nombra la puerta que tomó.
¿Cuál es la masa de nuestro (ya invisible) kilogramo de agua? ¿Qué proposición lo garantiza?
A $3000\,\mathrm{m}$ , el aire está frío: el agua se convierte en una nube de gotitas. Nombra esta puerta.
Con más frío todavía, las gotitas se convierten en copos de nieve. Nombra esa puerta — la solidificación — y di a qué temperatura empiezan a congelarse las gotitas de nube de agua pura.

Parte II — Las cuentas del glaciar. Nuestro kilogramo aterriza en un glaciar y se prensa hasta convertirse en hielo de glaciar.

Como agua, nuestro kilogramo ocupaba $1\,\mathrm{L}$ . ¿Qué volumen ocupa aproximadamente como hielo?
El frente del glaciar se derrite en verano. Nuestro kilogramo se convierte en agua de deshielo: ¿cuál es ahora su masa y cuál su volumen (otra vez como agua líquida)?
Bajando la montaña, $250\,\mathrm{g}$ de nuestro kilogramo se evaporan en la poza soleada de una cascada. ¿Cuánta agua etiquetada sigue como líquido en el arroyo?
¿Ha salido de la auditoría el cuarto evaporado? Di dónde están sus $250\,\mathrm{g}$ y qué puerta tomarán con mayor probabilidad a continuación.

Parte III — A casa y con las cuentas cuadradas.

Los $750\,\mathrm{g}$ del arroyo llegan al mar en octubre. Los $250\,\mathrm{g}$ evaporados cayeron como lluvia sobre la costa en agosto y corrieron hasta el mar en septiembre. Suma lo que el mar recuperó de nuestro kilogramo.
A lo largo de toda la gira, nuestro kilogramo no estuvo sin peso ni un instante — pero estuvo invisible dos veces. ¿En qué etapas y en qué estado?
Un compañero de clase objeta: “La nieve es esponjosa y ligera — seguro que el kilogramo pesaba menos hecho nieve”. Deshaz el enredo con la pareja de palabras correcta de este año.
Escribe la gira como una cadena de puertas, en orden, usando únicamente los seis nombres formales de la Definición 39.1.

Solución

Solución de Problema 39.1.

1. Vaporización (evaporación desde la superficie templada). 2. $1\,\mathrm{kg}$ todavía — la masa sobrevive a los cambios de estado. 3. Condensación. 4. A $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . 5. Unos $1.1\,\mathrm{L}$ . 6. Masa $1\,\mathrm{kg}$ ; volumen otra vez $1\,\mathrm{L}$ . 7. $1000 - 250 = 750\,\mathrm{g}$ siguen en el arroyo. 8. No: los $250\,\mathrm{g}$ viajan por el aire hechos vapor, intactos; su próxima puerta más probable es la condensación — primero nube y después lluvia. 9. $750 + 250 = 1000\,\mathrm{g}$ : el kilogramo entero volvió a casa. 10. Invisible dos veces: como vapor justo después de salir del mar y otra vez como vapor sobre la poza de la cascada — las dos en el estado de gas. 11. Lo esponjoso habla del volumen: la nieve son cristales de hielo entrelazados con aire, que ocupan un sitio generoso. La masa de nuestra agua etiquetada se quedó exactamente en $1\,\mathrm{kg}$ — ligero por sitio ocupado no es ligero en sustancia: la pareja de palabras es masa y volumen. 12. Vaporización, condensación, solidificación, fusión — y, para el cuarto evaporado: vaporización y condensación (lluvia), que vuelve a unirse como líquido. Cuatro puertas usadas; la sublimación y la puerta de gas a sólido no hicieron falta en esta gira.

Términos definidos en este capítulo

Los seis cambios de estado

Ver los 393 términos del glosario