Física y Química 3.º ESO · Curvas de calentamiento: sustancias puras y mezclas
Recuerda: cómo se lee una curva de calentamiento
Objetivo: Al terminar, sabrás leer una curva de calentamiento o de enfriamiento: identificar los tramos en los que la sustancia se calienta o se enfría, las mesetas de los cambios de estado y sus temperaturas de fusión y ebullición.
Recuerda
La curva de calentamiento
Una curva de calentamiento es la gráfica temperatura-tiempo de una sustancia que calentamos poco a poco (con un mechero o una placa que da siempre la misma energía por minuto). Tiene dos tipos de tramos:
- Tramos inclinados (la temperatura sube): la sustancia está en un solo estado y se calienta.
- Tramos horizontales o mesetas (la temperatura no cambia): se está produciendo un cambio de estado; en ese tramo hay dos estados a la vez.
En una sustancia pura que empieza sólida:
| Tramo | Qué ocurre | Estado(s) |
|---|---|---|
| 1.º, sube | El sólido se calienta | Sólido |
| 1.ª meseta | Fusión, a la temperatura de fusión | Sólido + líquido |
| 2.º, sube | El líquido se calienta | Líquido |
| 2.ª meseta | Ebullición, a la temperatura de ebullición | Líquido + gas |
| 3.º, sube | El gas se calienta | Gas |
La temperatura de la primera meseta es la temperatura (o punto) de fusión, , y la de la segunda, la temperatura (o punto) de ebullición, .
Una curva de enfriamiento es lo mismo al revés: la temperatura baja y aparecen mesetas en la condensación (a la temperatura de ebullición) y en la solidificación (a la de fusión).
¿Por qué la temperatura no cambia en las mesetas?
Durante una meseta seguimos dando energía, pero esa energía no se usa en que las partículas se muevan más deprisa (por eso la temperatura no sube), sino en separarlas: en la fusión, en sacarlas de sus posiciones fijas; en la ebullición, en separarlas del todo para que pasen a gas. Cuando el cambio de estado termina, la temperatura vuelve a subir.
Cómo se construye una curva a partir de una tabla
- Dibuja los ejes: el tiempo en el eje horizontal y la temperatura en el vertical, con sus unidades.
- Elige una escala que aproveche el papel y empiece por debajo de la temperatura más baja (puede ser negativa).
- Coloca cada punto de la tabla y únelos con segmentos.
- Señala los tramos inclinados y las mesetas y escribe en cada uno qué estado o estados hay.
Sustancias puras y mezclas
Las mesetas horizontales son propias de las sustancias puras. Si calentamos una mezcla (por ejemplo, agua con sal), durante el cambio de estado la temperatura sigue subiendo poco a poco: no hay una meseta horizontal. Así, la curva de calentamiento sirve para saber si una sustancia es pura o no.
Puntos clave
- Tramo inclinado: un solo estado que se calienta (o se enfría).
- Meseta: cambio de estado; hay dos estados a la vez y la temperatura no cambia.
- La meseta más baja marca el punto de fusión; la más alta, el de ebullición.
- En una curva de enfriamiento, las mesetas son la condensación y la solidificación, a las mismas temperaturas.
- En las mesetas la energía se usa en separar las partículas, no en que se muevan más deprisa: por eso la temperatura no sube.
- Para construir la curva: tiempo en el eje horizontal, temperatura en el vertical, escala adecuada y puntos unidos.
- Solo las sustancias puras tienen mesetas horizontales; en una mezcla la temperatura sigue subiendo durante el cambio de estado.
Errores frecuentes
ErrorPensar que en una meseta «no pasa nada» porque la temperatura no cambia.
Cómo corregirloEn la meseta está pasando lo más importante: el cambio de estado. Se sigue dando energía, que se usa en separar las partículas.
ErrorDecir que en la meseta de fusión todo es líquido.
Cómo corregirloDurante la meseta hay sólido y líquido a la vez. Al principio casi todo es sólido y al final casi todo es líquido.
ErrorLeer la temperatura de una meseta en el eje del tiempo.
Cómo corregirloLas temperaturas se leen en el eje vertical; el eje horizontal indica cuándo empieza y termina cada cambio.
ErrorPoner la temperatura en el eje horizontal y el tiempo en el vertical.
Cómo corregirloEl tiempo es la variable que controlamos: va en el eje horizontal. La temperatura, que es lo que medimos, va en el vertical.
Ejemplos resueltos
Ejemplo 1. La curva del agua: de hielo a vapor gráfico
La gráfica es la curva de calentamiento de un trozo de hielo que empieza a −20 °C. Describe qué ocurre en cada tramo e indica los puntos de fusión y de ebullición del agua.
Resolución
- De 0 a 2 min: la temperatura sube de −20 °C a 0 °C. Solo hay hielo que se calienta.
- De 2 a 6 min: meseta a 0 °C. El hielo se está fundiendo: hay hielo y agua líquida.
- De 6 a 11 min: sube de 0 °C a 100 °C. Solo hay agua líquida que se calienta.
- De 11 a 21 min: meseta a 100 °C. El agua hierve: hay agua líquida y vapor.
- De 21 a 23 min: sube por encima de 100 °C. Solo hay vapor de agua que se calienta.
Punto de fusión: 0 °C. Punto de ebullición: 100 °C (a nivel del mar).
Fíjate en que la meseta de ebullición es más larga que la de fusión: hace falta mucha más energía para separar las partículas del líquido y convertirlas en gas que para fundir el sólido.
Ejemplo 2. Agua en el congelador gráfico (curva de enfriamiento)
Metemos un vaso con agua a 40 °C en el congelador y medimos su temperatura. La gráfica muestra el resultado. a) ¿Qué ocurre entre los minutos 8 y 20? b) ¿A qué temperatura está el congelador, aproximadamente?
Resolución
- De 0 a 8 min, el agua líquida se enfría de 40 °C a 0 °C.
- a) De 8 a 20 min, meseta a 0 °C: el agua se está solidificando (hay agua líquida y hielo). La temperatura de solidificación coincide con la de fusión: 0 °C.
- De 20 a 25 min, el hielo se enfría por debajo de 0 °C.
b) El hielo se sigue enfriando hasta acercarse a la temperatura del congelador; al final marca −18 °C, que es la temperatura habitual de un congelador doméstico.
Ejercicios
De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.
1. Fácil
La gráfica es la curva de calentamiento de una sustancia pura X. a) ¿Cuáles son sus puntos de fusión y de ebullición? b) ¿En qué estado está en el minuto 1, en el 4, en el 8 y en el 17? c) ¿Cuánto tiempo dura la fusión?
Ver solución
a) Tf = −10 °C; Te = 60 °C. b) min 1: sólido; min 4: sólido + líquido; min 8: líquido; min 17: gas. c) 3 min.
a) Primera meseta a −10 °C (fusión); segunda a 60 °C (ebullición). b) Min 1: tramo inclinado antes de la primera meseta → sólido. Min 4: primera meseta (2–5 min) → sólido y líquido. Min 8: tramo entre mesetas → líquido. Min 17: después de la segunda meseta (10–16 min) → gas. c) La meseta de fusión va de 2 a 5 min: 3 min.
2. Media
La gráfica es la curva de enfriamiento de una sustancia pura Y que empieza en estado gaseoso. a) ¿Qué cambio de estado ocurre en cada meseta? b) ¿Cuáles son sus puntos de fusión y de ebullición? c) ¿En qué estado está a 25 °C? ¿Y a 15 °C?
Ver solución
a) 1.ª meseta (90 °C): condensación; 2.ª (20 °C): solidificación. b) Tf = 20 °C; Te = 90 °C. c) A 25 °C, líquido; a 15 °C, sólido.
a) Al enfriar un gas, el primer cambio es a líquido (condensación, meseta de 2 a 6 min a 90 °C) y el segundo a sólido (solidificación, meseta de 11 a 15 min a 20 °C). b) La temperatura de condensación es la de ebullición: 90 °C. La de solidificación es la de fusión: 20 °C. c) 25 °C está entre 20 °C y 90 °C → líquido. 15 °C está por debajo del punto de fusión → sólido.
Para practicar más
1. Fácil
Observa la curva de calentamiento. a) ¿Cuáles son los puntos de fusión y de ebullición de la sustancia? b) Con esta tabla (valores aproximados, a nivel del mar), ¿de qué sustancia se trata?
Sustancia (°C) (°C) Agua 0 100 Etanol −114 78 Acetona −95 56 Mercurio −39 357 c) Indica qué hay en el recipiente entre los minutos 4 y 10.
Ver solución
a) Tf = −114 °C; Te = 78 °C. b) Etanol. c) Solo líquido que se calienta.
a) Primera meseta a −114 °C (fusión); segunda a 78 °C (ebullición). b) Son los puntos del etanol (alcohol). c) De 4 a 10 min la temperatura sube de −114 °C a 78 °C: tramo inclinado entre las dos mesetas, solo hay etanol líquido calentándose.
2. Media
Dibuja en los ejes, de forma aproximada, la curva de calentamiento de un trozo de hielo que está a −10 °C hasta que se convierte en vapor a 110 °C. Indica en cada tramo qué estado o estados hay.
Ver solución
Tramo inclinado de −10 a 0 °C (hielo); meseta a 0 °C (hielo + agua); tramo de 0 a 100 °C (agua); meseta más larga a 100 °C (agua + vapor); tramo de 100 a 110 °C (vapor).
La curva debe empezar en −10 °C, subir hasta 0 °C, tener una meseta horizontal a 0 °C, subir hasta 100 °C, tener otra meseta (más larga) a 100 °C y subir al final hasta 110 °C. La escala del tiempo es libre; lo que se evalúa es la forma y las temperaturas de las mesetas.
3. Media
Verdadero o falso; corrige los falsos: a) En una meseta la sustancia no recibe energía. b) En la meseta de ebullición hay líquido y gas. c) En una curva de enfriamiento, la sustancia solidifica a una temperatura más baja que la de fusión. d) Los tramos inclinados corresponden a un solo estado.
Ver solución
a) F. b) V. c) F: a la misma temperatura. d) V.
a) Falso: sigue recibiendo energía, que se usa en el cambio de estado (separar partículas). b) Verdadero. c) Falso: en una sustancia pura, la temperatura de solidificación es la misma que la de fusión. d) Verdadero: la sustancia se calienta o se enfría sin cambiar de estado.