Gráficas de calentamiento y enfriamiento
Valentina pone una olla con hielo sobre la cocina y mira un termómetro cada dos minutos. Durante un buen rato el hielo se deshace, pero el termómetro casi no se mueve. ¿Por qué la temperatura se queda quieta si la llama sigue encendida? Una gráfica nos lo va a contar.
Qué muestra una gráfica de calentamiento
Calentamos una sustancia con una fuente de calor constante y anotamos la temperatura cada cierto tiempo. Con esos datos hacemos una gráfica: el tiempo va en el eje horizontal y la temperatura en el vertical.
Si la sustancia es pura, la curva tiene siempre la misma forma: tramos que suben (inclinados) y tramos planos (horizontales). Los tramos planos se llaman mesetas.
La gráfica de enfriamiento es la inversa: la temperatura baja y también aparecen mesetas.
En una gráfica de calentamiento de una sustancia pura, la temperatura se representa en función del tiempo. Explicá qué indica un tramo horizontal (meseta) de la gráfica…
En una gráfica de calentamiento de una sustancia pura, la temperatura se representa en función del tiempo. Explicá qué indica un tramo horizontal (meseta) de la gráfica y qué está ocurriendo con la sustancia en ese momento.
Por qué hay mesetas
La sustancia recibe energía todo el tiempo, pero esa energía se usa de dos maneras distintas, según el modelo discontinuo de la materia:
-
En los tramos inclinados, la energía hace que las partículas se muevan más rápido: la temperatura sube.
-
En las mesetas, la energía se usa para separar las partículas o romper su ordenamiento (por ejemplo, para pasar de sólido a líquido). Las partículas cambian de posición relativa, pero no se agitan más: la temperatura queda constante.
Por eso el calor que llega durante una meseta no «desaparece»: se invierte en cambiar el estado. Cuando el cambio termina, toda la muestra está en el nuevo estado y la temperatura vuelve a subir.
Una gráfica de calentamiento de una muestra presenta una meseta a 0 °C de 8 minutos y otra a 100 °C de 45 minutos, con la misma fuente de calor constante. a) Identificá…
Una gráfica de calentamiento de una muestra presenta una meseta a 0 °C de 8 minutos y otra a 100 °C de 45 minutos, con la misma fuente de calor constante.
- a) Identificá la sustancia y los cambios de estado.
- b) Explicá por qué la segunda meseta es mucho más larga que la primera usando el modelo de partículas.
- c) ¿Qué ocurre con la energía que recibe la muestra durante las mesetas, si la temperatura no sube?
Los cambios de estado
Al calentar una sustancia ocurren:
-
Fusión: sólido → líquido.
-
Vaporización: líquido → gas (si es en toda la masa del líquido, se llama ebullición).
Al enfriarla ocurren los cambios inversos:
-
Condensación: gas → líquido.
-
Solidificación: líquido → sólido.
Hay además dos cambios directos: la sublimación (sólido → gas) y la sublimación inversa (gas → sólido).
| Al calentar | Al enfriar |
|---|---|
| Fusión (sólido → líquido) | Solidificación (líquido → sólido) |
| Vaporización (líquido → gas) | Condensación (gas → líquido) |
Nombrá los cambios de estado que se producen al calentar una sustancia (sólido a líquido, líquido a gas) y al enfriarla (gas a líquido, líquido a sólido).
Nombrá los cambios de estado que se producen al calentar una sustancia (sólido a líquido, líquido a gas) y al enfriarla (gas a líquido, líquido a sólido).
Temperaturas de fusión y de ebullición
La temperatura de una meseta es una propiedad característica de la sustancia: no depende de cuánta muestra tengamos, así que es una propiedad intensiva. A presión normal (a nivel del mar):
| Sustancia | Fusión (°C) | Ebullición (°C) |
|---|---|---|
| Agua | 0 | 100 |
| Alcohol etílico | −114 | 78 |
Para el agua, la curva de calentamiento de hielo desde −10 °C tiene este recorrido: el hielo sube hasta 0 °C, primera meseta (fusión); el agua líquida sube hasta 100 °C, segunda meseta (ebullición); después el vapor sigue calentándose.
Como cada sustancia tiene sus propias temperaturas, sirven para identificarla. Si una muestra tiene una meseta a 78 °C, puede ser alcohol, pero no agua.
Se calienta hielo que está a $-10\,°C$ hasta que se convierte en agua líquida y luego en vapor. Indicá a qué temperaturas, a presión normal, se encuentran las dos…
Se calienta hielo que está a $-10\,°C$ hasta que se convierte en agua líquida y luego en vapor. Indicá a qué temperaturas, a presión normal, se encuentran las dos mesetas de la gráfica y qué cambio de estado ocurre en cada una.
Joaquín calienta dos sustancias distintas, A y B, y obtiene que A tiene una meseta a 0 °C y B una meseta a 78 °C, ambas con la misma presión. Explicá si pueden ser la…
Joaquín calienta dos sustancias distintas, A y B, y obtiene que A tiene una meseta a 0 °C y B una meseta a 78 °C, ambas con la misma presión. Explicá si pueden ser la misma sustancia y cómo podría usar las temperaturas de cambio de estado para identificarlas.
Leer una tabla o una gráfica
Muchas veces los datos vienen en una tabla. Para interpretarlos, buscá dónde la temperatura se repite en varios tiempos consecutivos: ahí hay una meseta.
Y si la sustancia se enfría, se lee igual: la meseta es el cambio de estado inverso. Por ejemplo, si una sustancia baja de 90 °C a 54 °C, se queda en 54 °C seis minutos y sigue bajando, esa meseta es una solidificación (líquido → sólido) si estaba líquida al principio. Antes de la meseta está en estado líquido y después en sólido, y 54 °C es su temperatura de solidificación (que coincide con la de fusión).
Lucía calentó una sustancia y registró estos datos: | Tiempo (min) | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 | |---|---|---|---|---|---|---|---|---| | Temperatura (°C) | 20 |…
Lucía calentó una sustancia y registró estos datos:
| Tiempo (min) | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Temperatura (°C) | 20 | 40 | 60 | 80 | 80 | 80 | 100 | 120 |
- a) ¿A qué temperatura ocurre el cambio de estado?
- b) ¿Cuánto tiempo dura?
- c) ¿Se trata del punto de fusión o del de ebullición? ¿Qué información adicional necesitarías para decidirlo?
Una sustancia se enfría desde 90 °C. Su temperatura baja hasta 54 °C, se mantiene constante durante 6 minutos y luego sigue bajando. a) ¿Qué cambio de estado se produce…
Una sustancia se enfría desde 90 °C. Su temperatura baja hasta 54 °C, se mantiene constante durante 6 minutos y luego sigue bajando.
- a) ¿Qué cambio de estado se produce durante la parte constante?
- b) ¿Cómo se llama esa temperatura constante para esta sustancia?
- c) ¿En qué estado está antes y después de la meseta?
Sustancia pura o mezcla
Una sustancia pura cambia de estado a una temperatura fija: la gráfica muestra mesetas bien marcadas.
Una mezcla no se comporta así. Sus componentes cambian de estado a temperaturas distintas, y durante el cambio la composición de la mezcla va variando. Por eso la temperatura sigue subiendo poco a poco y no hay una meseta clara.
Ejemplo: el agua salada. Al hervir, se va evaporando agua pero la sal queda en el recipiente, así que la solución se concentra cada vez más. Una solución más concentrada hierve a mayor temperatura: el agua salada empieza a hervir algo por encima de 100 °C y su temperatura sigue aumentando mientras hierve.
Por eso una gráfica de calentamiento sirve para decidir si una muestra es una sustancia pura: si hay una meseta bien horizontal a una temperatura constante, es compatible con una sustancia pura; si la temperatura sigue subiendo durante el cambio de estado, es una mezcla.
Facundo calentó una mezcla y observó que no presentó mesetas claras: la temperatura subió de forma gradual durante el cambio de estado. Mateo calentó una sustancia pura…
Facundo calentó una mezcla y observó que no presentó mesetas claras: la temperatura subió de forma gradual durante el cambio de estado. Mateo calentó una sustancia pura y obtuvo una meseta bien marcada.
- a) Explicá qué diferencia de comportamiento esperás entre una sustancia pura y una mezcla.
- b) Proponé cómo usarías una gráfica de calentamiento para decidir si una muestra es una sustancia pura.
- c) ¿Por qué el agua salada hierve a una temperatura algo mayor que 100 °C y esa temperatura va subiendo mientras hierve?
Volviendo al principio: la temperatura de la olla de Valentina quedó quieta porque el hielo se estaba fundiendo, una meseta a 0 °C. La llama seguía entregando energía, pero se usaba en cambiar el estado, no en subir la temperatura.