Física y Química 3.º ESO · Los cambios de estado según la teoría cinética
Evaporación y ebullición: los cambios de estado según la teoría cinética
Objetivo: Al terminar, sabrás distinguir la evaporación de la ebullición y explicar con la teoría cinético-molecular qué les pasa a las partículas en cada cambio de estado y por qué la temperatura no cambia mientras dura el cambio.
Explicación
Dos formas de vaporización
| Evaporación | Ebullición | |
|---|---|---|
| ¿Dónde ocurre? | Solo en la superficie del líquido | En todo el líquido: se forman burbujas de vapor en el interior |
| ¿A qué temperatura? | A cualquier temperatura | Solo a una temperatura fija: el punto de ebullición (a una presión dada) |
| ¿Rapidez? | Lenta | Rápida |
| Ejemplos | Un charco que se seca, la ropa tendida | El agua que hierve en una olla |
La evaporación es más rápida cuando hay más temperatura, más superficie del líquido al aire y viento (o aire seco).
Los cambios de estado según la teoría cinético-molecular
- Fusión: al calentar el sólido, sus partículas vibran cada vez más; en el punto de fusión vibran tanto que abandonan sus posiciones fijas y empiezan a deslizarse: el sólido se convierte en líquido.
- Vaporización: las partículas del líquido se mueven más deprisa; las que van más rápido vencen la atracción de las demás y escapan, separándose mucho: pasan a gas.
- Evaporación: a cualquier temperatura hay algunas partículas de la superficie que van lo bastante rápido para escapar. Como se van las más rápidas, las que quedan van, de media, más despacio: el líquido que se evapora se enfría (por eso el sudor nos refresca).
- Los cambios regresivos (solidificación, condensación) son lo contrario: al enfriar, las partículas van más despacio y la atracción las vuelve a juntar.
¿Por qué la temperatura no cambia durante un cambio de estado?
Mientras una sustancia pura se funde o hierve, su temperatura se mantiene constante aunque sigamos calentando. La energía que le damos se gasta en separar las partículas (vencer las fuerzas de atracción entre ellas), no en que se muevan más deprisa. Como la temperatura mide lo rápido que se mueven, no sube. Solo cuando todo el sólido se ha fundido (o todo el líquido ha hervido), la temperatura vuelve a subir.
- Para una sustancia pura, la temperatura de fusión y la de solidificación son la misma, igual que la de ebullición y la de condensación.
- El punto de ebullición depende de la presión: los valores de las tablas se dan a 1 atm.
Puntos clave
- Evaporación: en la superficie, a cualquier temperatura, lenta. Ebullición: en todo el líquido, a una temperatura fija, rápida.
- En la fusión las partículas abandonan sus posiciones fijas; en la vaporización vencen la atracción y se separan.
- Al evaporarse se escapan las partículas más rápidas: el líquido que queda se enfría.
- Durante un cambio de estado de una sustancia pura la temperatura no cambia: la energía se usa para separar las partículas.
- Temperatura de fusión = temperatura de solidificación; temperatura de ebullición = temperatura de condensación.
Errores frecuentes
ErrorPensar que el agua solo pasa a vapor cuando hierve a 100 °C.
Cómo corregirloLa evaporación ocurre a cualquier temperatura (un charco se seca a 20 °C). Lo que solo ocurre en el punto de ebullición es la ebullición.
ErrorCreer que, si se sube el fuego, el agua que ya hierve se pone a más temperatura.
Cómo corregirloMientras hierve, la temperatura se mantiene en el punto de ebullición; más fuego solo hace que hierva más deprisa (más vapor).
ErrorDecir que durante la fusión «no se está dando energía» porque la temperatura no sube.
Cómo corregirloSí se da energía; se usa para separar las partículas y romper el orden del sólido, no para acelerarlas.
Ejemplos resueltos
Ejemplo 1. Cocer pasta con el fuego al máximo situación real
Cuando el agua de la olla ya hierve, una persona sube el fuego al máximo «para que la pasta se cueza antes». a) ¿Sube la temperatura del agua? b) ¿Se cuece antes la pasta? c) ¿Qué consigue al subir el fuego?
Resolución
a) No. Mientras el agua hierve, su temperatura se mantiene en el punto de ebullición (unos 100 °C). La energía extra del fuego se usa en separar partículas de agua y convertirlas en vapor, no en acelerarlas.
b) No, porque la pasta se cuece según la temperatura del agua, y esa temperatura es la misma con fuego alto o medio.
c) Solo consigue que el agua hierva más deprisa: se forma más vapor, la olla se queda antes sin agua y se gasta más gas o electricidad. Lo eficiente es bajar el fuego lo justo para que siga hirviendo.
Ejemplo 2. Medimos la temperatura del agua al hervir experimental (tabla y gráfica)
En el laboratorio del instituto, en Madrid, calentamos agua en un vaso de precipitados con una placa y anotamos la temperatura cada minuto:
t (min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 T (°C) 20 34 48 61 73 84 93 98 98 98 98 a) Describe qué le pasa a la temperatura. b) ¿Qué ocurre en el agua a partir del minuto 7? c) ¿Por qué la temperatura no sigue subiendo?
Resolución
a) Del minuto 0 al 7 la temperatura sube (de 20 °C a 98 °C), cada vez algo más despacio. Del minuto 7 al 10 se mantiene constante en 98 °C: en la gráfica es un tramo horizontal.
b) El agua hierve: se forman burbujas en todo el líquido. Es la ebullición.
c) Mientras hierve, la energía de la placa se usa en separar las partículas del agua líquida (vencer la atracción entre ellas) para que pasen a vapor, no en que se muevan más deprisa. Por eso la temperatura no sube hasta que no quede líquido.
¿Por qué 98 °C y no 100 °C? El punto de ebullición depende de la presión; 100 °C es el valor a la presión del nivel del mar. Madrid está a unos 650 m de altitud, la presión es algo menor y el agua hierve a unos 98 °C (dato aproximado).
Ejemplo 3. El botijo y el sudor interpretación microscópica
El botijo es un recipiente de barro poroso: el agua lo atraviesa poco a poco y se evapora en su superficie exterior. En verano, el agua de dentro se mantiene bastante más fresca que el aire. Explica por qué con la teoría cinético-molecular y relaciónalo con el sudor.
Resolución
- Observación: el agua se evapora por fuera del botijo y el agua de dentro se enfría.
- Partículas: en la evaporación escapan del líquido las partículas más rápidas (las que tienen energía suficiente para vencer la atracción de las demás). Las que se quedan van, de media, más despacio.
- Por eso la temperatura del agua que queda baja: la evaporación enfría. El barro mojado se enfría y enfría el agua del interior.
El sudor funciona igual: al evaporarse el sudor de la piel, se llevan las partículas más rápidas y la piel se enfría. Por eso, con viento, la evaporación es más rápida y se nota más frío.
Ejercicios
De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.
1. Fácil
Di si cada frase se refiere a la evaporación, a la ebullición o a las dos: a) Ocurre solo en la superficie del líquido. b) Es un paso de líquido a gas. c) Ocurre a una temperatura fija para cada sustancia. d) Se forman burbujas en el interior del líquido. e) Ocurre a cualquier temperatura.
Ver solución
a) evaporación; b) las dos; c) ebullición; d) ebullición; e) evaporación.
Las dos son formas de vaporización (líquido → gas). La evaporación es superficial, lenta y a cualquier temperatura; la ebullición ocurre en todo el líquido (burbujas) y a la temperatura de ebullición.
2. Fácil
Tiendes dos camisetas iguales e igual de mojadas. ¿Cuál se secará antes en cada caso? Justifica. a) Una al sol y otra a la sombra. b) Una extendida y otra hecha una bola. c) Una en un día de viento y otra en un día sin viento.
Ver solución
a) Al sol. b) Extendida. c) Con viento.
La evaporación es más rápida con más temperatura (a), con más superficie expuesta al aire (b) y con viento, que se lleva el vapor y renueva el aire junto a la tela (c).
3. Media
Explica con la teoría cinético-molecular qué les pasa a las partículas de agua cuando un cubito de hielo se funde.
Ver solución
Al recibir energía, las partículas vibran cada vez más; a 0 °C abandonan sus posiciones fijas y empiezan a deslizarse unas sobre otras, aunque siguen juntas.
En el hielo las partículas están ordenadas y vibran en su sitio. Al calentarse, vibran con más fuerza. Al llegar al punto de fusión (0 °C), la energía que reciben se usa en romper el orden: las partículas dejan sus posiciones fijas y pasan a deslizarse unas sobre otras, como en un líquido. Siguen muy juntas, por eso el volumen apenas cambia.
4. Media
Al calentar un trozo de hielo picado que está a −10 °C, el termómetro marca 0 °C durante varios minutos mientras quedan trozos de hielo, aunque el mechero siga encendido. ¿Dónde va la energía del mechero durante esos minutos?
Ver solución
Se usa para fundir el hielo: separar las partículas y romper su orden, no para que se muevan más deprisa; por eso la temperatura no sube.
Durante la fusión la temperatura de una sustancia pura se mantiene constante. La energía que aporta el mechero se gasta en que las partículas de agua abandonen sus posiciones fijas y venzan en parte la atracción entre ellas. La rapidez media de las partículas (la temperatura) no aumenta hasta que se ha fundido todo el hielo.
5. Media
Calentamos una sustancia sólida y anotamos su temperatura cada minuto:
t (min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 T (°C) 20 32 44 55 63 63 63 63 72 81 a) ¿A qué temperatura funde? b) ¿Entre qué minutos se está fundiendo? c) ¿En qué estado está en el minuto 2? ¿Y en el minuto 9?
Ver solución
a) A 63 °C. b) Entre el minuto 4 y el 7. c) Sólido; líquido.
a) La temperatura se mantiene constante en 63 °C: es el punto de fusión. b) De 4 a 7 min la temperatura no cambia: hay sólido y líquido a la vez. c) En el minuto 2 (44 °C) aún no ha llegado a 63 °C: sólido. En el minuto 9 (81 °C) ya se ha fundido todo y el líquido se calienta: líquido.
6. Difícil
Al salir de la piscina un día de viento sientes frío aunque el aire esté a 28 °C. Al secarte con la toalla, se te pasa. Explícalo con la teoría cinético-molecular.
Ver solución
El agua de la piel se evapora; se escapan las partículas más rápidas y las que quedan (y la piel) se enfrían. El viento acelera la evaporación. Al secarte, ya no hay agua que se evapore.
Con la piel mojada, el agua se evapora. En la evaporación escapan las partículas más rápidas, de modo que la rapidez media de las que quedan baja: el agua de la piel se enfría y nos enfría. El viento hace que la evaporación sea más rápida, así que el enfriamiento es mayor. Al secarte con la toalla quitas el agua y deja de evaporarse sobre la piel.
Para practicar más
1. Fácil
Escribe tres diferencias entre la evaporación y la ebullición y un ejemplo de cada una.
Ver solución
Superficie / todo el líquido; cualquier temperatura / temperatura fija; lenta / rápida. Ejemplos: charco que se seca; agua hirviendo en la olla.
Evaporación: solo en la superficie, a cualquier temperatura, lenta (charco, ropa tendida). Ebullición: en todo el líquido con burbujas, a la temperatura de ebullición, rápida (agua de la olla, de la tetera).
2. Fácil
Un charco se seca en unas horas un día de julio en Madrid y tarda días en secarse en enero. ¿Por qué? ¿Ha hervido el agua del charco en julio?
Ver solución
En julio hay más temperatura y la evaporación es más rápida. No ha hervido: se ha evaporado.
El agua del charco se evapora a cualquier temperatura, pero con más temperatura las partículas se mueven más deprisa y escapan más de la superficie: la evaporación es más rápida en verano. No ha hervido: el agua no ha llegado a su punto de ebullición; solo se ha evaporado por la superficie.
3. Media
Explica con la teoría cinético-molecular por qué se empañan las gafas al entrar en un sitio caliente un día de frío. ¿Qué cambio de estado es?
Ver solución
El vapor de agua del aire caliente toca el cristal frío; sus partículas se frenan y se juntan formando gotitas: condensación.
Las gafas vienen frías de la calle. Las partículas de vapor de agua del aire del interior chocan con el cristal frío y pierden rapidez; al ir más despacio, la atracción entre ellas las junta y forman gotitas de agua líquida. Es una condensación (cambio regresivo).
4. Media
Calentamos al baño María (nunca con llama directa, porque es inflamable) un líquido incoloro y anotamos su temperatura:
t (min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 T (°C) 20 32 44 56 67 76 78 78 78 78 a) ¿A qué temperatura hierve? b) Con estos datos (valores aproximados, a 1 atm), ¿qué sustancia puede ser?
Sustancia (°C) (°C) Agua 0 100 Etanol −114 78 Acetona −95 56 Mercurio −39 357 c) ¿Qué ocurriría con la temperatura si siguiéramos calentando mientras quede líquido?
Ver solución
a) 78 °C. b) Etanol. c) Seguiría en 78 °C mientras quede líquido.
a) La temperatura se estabiliza en 78 °C a partir del minuto 6: está hirviendo. b) La sustancia de la tabla que hierve a 78 °C es el etanol (alcohol). c) Durante la ebullición de una sustancia pura la temperatura no cambia: se mantendría en 78 °C hasta que hirviera todo el líquido.
5. Difícil
Si el agua hierve a 100 °C, ¿cómo es posible que se evapore agua de un vaso a 20 °C? Explícalo con la idea de que no todas las partículas se mueven igual de rápido.
Ver solución
A 20 °C la rapidez media es baja, pero algunas partículas de la superficie van mucho más rápido que la media y pueden escapar: es la evaporación.
La temperatura mide la rapidez media, pero cada partícula va a una velocidad distinta. A 20 °C, aunque la mayoría no tiene energía suficiente para separarse de las demás, algunas de la superficie van mucho más deprisa y logran vencer la atracción y escapar al aire. Por eso el agua se evapora poco a poco a cualquier temperatura. En la ebullición, en cambio, se forman burbujas de vapor en todo el líquido, y eso solo ocurre en el punto de ebullición.