¿Cómo se comporta la temperatura en el cambio de estado en el agua?

El Baile de la Temperatura: Un Estudio del Agua en sus Cambios de Estado

El agua, molécula aparentemente simple, exhibe un comportamiento fascinante durante sus cambios de estado, desafiando a veces nuestra intuición. Analicemos cómo se comporta la temperatura durante la fusión (de sólido a líquido) y la ebullición (de líquido a gas), procesos cruciales para entender la termodinámica y la propia naturaleza del agua.

Como sabemos, el agua puede existir en tres estados fundamentales: sólido (hielo), líquido (agua) y gaseoso (vapor). La transición entre estos estados se produce a temperaturas específicas y bajo ciertas condiciones de presión. Analicemos la temperatura durante la fusión, tomando como ejemplo el hielo:

Imaginemos un cubo de hielo a -10°C que comienza a calentarse. Observamos un incremento gradual de la temperatura conforme absorbe calor. Sin embargo, algo sorprendente ocurre al alcanzar los 0°C (a presión atmosférica estándar). A pesar de seguir aportando calor, la temperatura se mantiene constante en 0°C hasta que todo el hielo se haya derretido completamente. Este fenómeno se debe a que el calor absorbido no se utiliza para aumentar la temperatura, sino para romper los enlaces de hidrógeno que mantienen las moléculas de agua unidas en la estructura cristalina del hielo. Esta energía se emplea en el cambio de fase, no en un aumento de la energía cinética de las moléculas, que es lo que se traduce en un aumento de la temperatura. Este punto de temperatura constante, donde coexisten el hielo y el agua líquida en equilibrio, se denomina punto de fusión.

Una vez que todo el hielo se ha convertido en agua líquida a 0°C, al continuar aportando calor, la temperatura del agua comienza a aumentar de nuevo, siguiendo una relación lineal (aproximada) con la cantidad de calor absorbido hasta que alcanza su punto de ebullición.

El comportamiento durante la ebullición (a presión atmosférica estándar) es similar. Al calentar agua líquida, su temperatura aumenta gradualmente hasta alcanzar los 100°C. En este punto, al igual que durante la fusión, la temperatura se mantiene constante a 100°C mientras el agua líquida se transforma en vapor. El calor aportado se utiliza para vencer las fuerzas intermoleculares que mantienen las moléculas de agua juntas en fase líquida, permitiendo la transición a la fase gaseosa. Este punto de temperatura constante se conoce como punto de ebullición. Solo una vez que toda el agua ha pasado a estado gaseoso, la temperatura del vapor comenzará a aumentar nuevamente con el aporte de calor adicional.

En resumen, la temperatura permanece constante durante los cambios de estado del agua (fusión y ebullición) debido a que la energía térmica absorbida se destina a romper las uniones intermoleculares y no a aumentar la energía cinética de las moléculas, reflejada en un aumento de temperatura. Este comportamiento es característico de las sustancias puras y es un concepto fundamental en la termodinámica. La comprensión de este comportamiento es crucial en diversas aplicaciones, desde la cocina hasta la ingeniería química y la meteorología.