Cambios de estado (física)

    Los cambios de estado son fenómenos habituales en el desarrollo cotidiano a los que todas las personas están acostumbradas. El agua puesta a hervir en un cazo se consume al evaporarse si no se retira del fuego a tiempo. Los charcos se congelan en las noches frías de invierno. El hielo se derrite en el vaso de un refresco y mucho más deprisa si se mezcla con café caliente. El butano licuado de las bombonas domésticas se convierte en gas al llegar al quemador de la cocina... Los ejemplos son innumerables.

    Los efectos subyacentes en los fenómenos anteriores, se sitúan entre los más conocidos de la transferencia calorífica: los cambios de estado. A continuación, se ofrece un compendio sucinto de los principales conceptos manejados, que se complementará con un enfoque centrado en los aspectos físicos de estos fenómenos y, en particular, en la noción de calor latente.

    Calor y cambios de estado

    Se denomina cambio de estado a todo proceso en el cual una sustancia pasa de uno de los tres estados corrientes de la materia a otro. Estos tres estados corrientes son sólido, líquido y gas, dado que en la anterior definición no se consideran los dos estados adicionales de agregación de la materia conocidos: plasma y condensado de Bose-Einstein. El estudio de estos dos últimos se encuadra dentro de niveles más avanzados de la física.

    La forma más habitual de inducir una transición correspondiente a un cambio de estado consiste en aportar o sustraer energía en un sistema en forma de calor a la vez que se mantiene constante la presión. Así se hace todos los días en la cocina al preparar los alimentos (salvo si se usa la olla exprés, en cuyo caso se juega también con una alteración de la presión).

    En líneas generales, los cambios de estado se pueden clasificar en progresivos o directos, en los cuales existe absorción neta de calor; y regresivos o inversos, caracterizados por un desprendimiento neto de calor. Son cambios de estado progresivos la fusión, la vaporización y la sublimación. En cambio, la licuefacción, la solidificación y la condensación se clasifican como cambios de estado regresivos. La relación entre estos procesos y los cambios de estado se puede apreciar en la figura 1.

    Diagrama resumen de los cambios de estado.

    Calor latente

    Una de las manifestaciones comunes de la transmisión de calor es el aumento de la temperatura del cuerpo o sistema receptor (o, en sentido inverso, el descenso de temperatura, si lo que tiene lugar es una cesión de calor). Así sucede cuando se comunica calor a un cuerpo sólido; por ejemplo, es el caso de una mesa metálica que recibe los rayos del sol.

    En la Tierra se da continuamente la transferencia y absorción de calor latente, visible, por ejemplo, en los continuos cambios de estado del agua. En los mapas de flujo de calor latente obtenidos por la NASA vía satélite se observa cómo en las zonas desérticas del sur de los Estados Unidos y del norte de México (áreas azuladas del mapa) apenas se da este fenómeno, ya que, aunque hay altas temperaturas, existe una gran ausencia de agua.

    El aumento de temperatura consiguiente se explica porque la transferencia de energía en forma de calor hacia el cuerpo o sistema se traduce en una mayor agitación de las partículas (moléculas, átomos, etc.) constituyentes del mismo. Esta agitación redunda en un incremento de la energía cinética media de dichas partículas.

    Sin embargo, en los cambios de estado, también llamados transiciones de fase, tiene lugar un proceso diferente. En él, por ejemplo, la energía absorbida por el cuerpo o sistema que está alterando su estado de sólido a líquido, de líquido a gas, etc., no se invierte en aumentar la energía cinética media de las partículas. Al contrario, se «almacena» como una energía potencial, de forma que la energía cinética no se altera y, en consecuencia, tampoco la temperatura.

    Por tanto, durante los procesos de cambio de estado la temperatura permanece constante con independencia de que se produzca absorción o cesión de calor. La energía potencial almacenada que acompaña al proceso se expresa en una forma denominada calor latente o calor del cambio de estado (v. tabla 1).

    Tabla 1. Calor latente de fusión y vaporización de algunas sustancias comunes, a presión atmosférica.

    En términos físicos, el calor latente se define como el calor absorbido o cedido por la unidad de masa de una sustancia cuando ésta experimenta una transición de un estado físico a otro a una temperatura constante y propia del cambio de estado. Matemáticamente, se cumple que:

    Q = m · L

    donde Q es el calor absorbido o desprendido en el proceso, m la masa del cuerpo o sistema en cuestión y L su calor latente, que en el Sistema Internacional de unidades se expresa en julios por kilogramo (J/kg).

    Cada proceso de cambio de estado posee un tipo de calor latente característico. Por ello, cabe hablar de calor latente de fusión, de vaporización, de sublimación, de condensación, etc. En estos casos, es corriente denotar el calor latente con un subíndice que indica el tipo de cambio de estado que se considera: Lf para el calor latente de fusión; Lv, de vaporización; Ls, de sublimación, y así sucesivamente.

    La consideración del calor latente es importante a la hora de realizar cálculos acerca de las cantidades de energía, trabajo y calor que intervienen en el funcionamiento térmico de un sistema. Supongamos, por ejemplo, que se desea analizar el calor invertido en elevar la temperatura de una cierta masa de agua de –4 °C a 6 °C. En el planteamiento del problema será preciso descomponer el calor total en tres valores separados:

    • Calor necesario para calentar el agua de –4 °C a 0 °C.

    • Calor latente de fusión del agua, sin cambio de temperatura (a 0 °C, punto de fusión del agua).

    • Calor necesario para aumentar la temperatura de 0 °C a 6 °C.

    Las cantidades de calor primera y tercera se invierten en cambiar la temperatura del cuerpo (la masa de agua). Sin embargo la segunda, o calor latente, se dedica a inducir en dicho cuerpo un cambio de estado.