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Decimos que se produce un cambio de fase cuando una sustancia pasa de una fase a otra que puede coexistir con la primera. Aunque en general, cuando se habla de fases de una sustancia, se hace referencia a los tres estados de agregación de la materia: sólido, líquido y gas, ya vimos que el concepto de fase es más restringido que el de estado de agregación y de hecho se han definido fases distintas para el mismo estado de agregación en el caso del agua, carbono, azufre, etc.. No obstante, salvo que se indique lo contrario, identificaremos el cambio de fase con el paso de un estado de agregación a otro. De aquí que se hable de fusión (paso sólido -líquido), solidificación (paso líquido-sólido), vaporización (líquido-vapor), condensación (vapor-líquido), sublimación (sólido - gas), etc.
Se sabe que una determinada sustancia, dependiendo de las condiciones en las que se encuentre (p, T), puede presentarse en los tres estados de agregación. Un caso típico es el del agua: a presión atmosférica y a las temperaturas comprendidas entre 0 y 100°C, el agua se presenta en estado líquido. Por debajo de cero, manteniendo la presión, el agua es sólida (hielo) mientras que por encima de 100°C el agua se encuentra en estado gaseoso (vapor). También es conocido el hecho de que al cambiar la presión, las temperaturas de solidificación y ebullición cambian. Según el estado de agregación en el que se presenta una determinada sustancia, sus propiedades físicas cambian, en particular la densidad(1).
Note
E1 cambio de densidad no se da de forma regular en el paso de sólido a líquido pues mientras existen sustanciéis que al fundir disminuyen su densidad, hay otras en que ocurre lo contrario (agua). En los pasos líquido - gas y sólido - gas la disminución de densidad se da en todos los casos.
Este cambio de propiedades puede ser relacionado con el cambio en la estructura interatómica o intermolecular que presenta la sustancia. En general, pasamos de una estructura de mayor orden en los sólidos a una de menor orden en los líquidos y gases. La entalpia de cambio de fase (calor suministrado para que un cambio de fase se produzca) se invierte, por ejemplo, en el caso de paso sólido - líquido, en romper los enlaces que permiten una posición determinada a las moléculas y en su caso, también en realizar un cierto trabajo de expansión. De forma análoga podríamos analizar en una primera aproximación los restantes cambios.
En la figura 8.2 representamos en trazo lleno un esquema del diagrama p, T para una sustancia como el agua, que se expande al solidificar y en trazo discontinuo el correspondiente a sustancias que se contraen al pasar al estado sólido (que es el caso más frecuente). En esta figura podemos ver las diferentes regiones y fases en las que se presentan las sustancias.
En la figura se pueden distinguir tres regiones fundamentales: la zona de la fase sólida, zona de h’quido y zona de vapor o gas.
Si consideramos un punto como el A y comunicamos energía al sistema a presión constante, veremos que la temperatura del mismo se incrementa hasta llegar a la línea de fusión. Cuando llegamos a esta línea, observamos que el sólido pasa a líquido (proceso de fusión) y mientras ocurre el cambio la temperatura permanece constante, hasta que todo el sólido ha pasado a líquido. Una vez en estado líquido, al continuar comunicando energía al sistema, la temperatura se incrementa y así continúa el proceso hasta alcanzar la línea de vaporización.
Cuando el sistema alcanza este punto, se observa un proceso análogo al que tuvo lugar en la línea de fusión. Es decir, el líquido comienza a convertirse en vapor (vaporización), sin que cambie la temperatura y el proceso continúa hasta que todo el líquido se convierte en vapor. A partir de este momento y hasta terminar el proceso, punto B, al comunicar energía al sistema su temperatura se incrementa. No siempre el proceso sigue esta secuencia, pues si el punto escogido está a una presión menor que la del punto triple, se producirá el paso directo de sólido a gas (sublimación). Es lo que ocurre cuando se comunica energía al
C
O
2
sólido a presión atmosférica normal (a esta presión la temperatura de equilibrio sólido-gas de esta sustancia es de unos -79°C.
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Diagrama presión-temperatura para cambios de fase.
Si, por el contrario, la presión es superior a la presión crítica el paso del líquido a gas se hace de forma continua sin que en ningún momento podamos distinguir entre la fase gas y líquido.
s fases.
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Explicación: