Resumen de Estados de la Materia y Transiciones de Fase

## Introducción Breve repaso de las propiedades de sólidos cristalinos y los procesos de cambio de fase. Veremos cómo se mide y calcula el calor involucrado en calentamiento, fusión y equilibrio térmico, con ejemplos prácticos para estudiantes que estudian fuera de clase. > **Definición:** El **punto de fusión** es la temperatura a la que coexisten en equilibrio la fase sólida y la fase líquida a una presión dada (normalmente $P=1\ \text{atm}$). ## Propiedades de sólidos cristalinos relevantes a cambios de fase ### Punto de fusión y curva de fusión - El **punto de fusión** depende de la presión; el **punto de fusión normal** se refiere a $P=1\ \text{atm}$. - En un **diagrama P–T** (presión-temperatura) la curva que separa sólido y líquido es la curva de fusión. > **Definición:** La **sublimación** es el paso directo de sólido a vapor. En un diagrama de fases corresponde a la curva entre sólido y vapor. Tabla comparativa: curvas de cambio de fase | Cambio de fase | Curva en diagrama P–T | Comentario breve | |---|---:|---| | Fusión / solidificación | S–L | Punto de equilibrio sólido–líquido | | Vaporización / condensación | L–V | Depende fuertemente de la presión | | Sublimación | S–V | Ocurre cuando la presión de vapor del sólido excede la presión ambiente | Did you know que en un diagrama de fases existe un único punto triple donde coexisten sólido, líquido y vapor en equilibrio? Ese punto es característico para cada sustancia. ## Curva de calentamiento de un sólido: pasos y conceptos Cuando calentamos un sólido que puede fundirse y luego calentarse como líquido, la curva Temperatura vs tiempo o Temperatura vs calor muestra segmentos distintos: 1. Calentamiento del sólido (calor sensible) 2. Fusión a temperatura constante (calor latente) 3. Calentamiento del líquido resultante (calor sensible) > **Definición:** **Calor sensible** es la energía que aumenta la energía cinética de las moléculas y eleva la temperatura. **Calor latente** es la energía que cambia la energía potencial inter-molecular para vencer fuerzas y cambiar de fase sin variar la temperatura. Fórmulas clave (usar siempre en LaTeX): - Calor sensible: $$Q = m\,c_e\,\Delta T$$ - donde $m$ es la masa, $c_e$ el calor específico y $\Delta T$ la variación de temperatura. - Calor latente: $$Q = m\,H^\circ$$ - donde $H^\circ$ es el calor latente por unidad de masa (por ejemplo $H^\circ_{\text{fusión}}$). - Suma total de calor en un proceso con varios pasos: $$Q_t = \sum_i Q_i$$ Notas sobre símbolos y unidades: - $m$: masa (g o kg) - $Q$: cantidad de calor (cal, J) - $c_e$: calor específico (cal/g\,°C o J/kg\,K) - $H^\circ$: calor latente (cal/g o J/kg) - Relación: $H^\circ_{\text{fusión}} = -H^\circ_{\text{solidificación}}$ y $H^\circ_{\text{vaporización}} = -H^\circ_{\text{condensación}}$. Fun fact: La entalpía de fusión del hielo es aproximadamente $333\ \text{kJ/kg}$, por eso grandes cantidades de hielo absorben mucho calor sin cambiar su temperatura durante la fusión. ## Equilibrio térmico entre cuerpos Cuando dos cuerpos con diferentes temperaturas se ponen en contacto en un sistema aislado, la energía se intercambia por calor hasta alcanzar una temperatura común de equilibrio $T_e$. > **Definición:** El **equilibrio térmico** es el estado en el que las temperaturas de dos cuerpos en contacto se igualan; en un sistema aislado se cumple $$Q_{caliente} + Q_{frio} = 0$$. Ejemplo clásico (problema): hielo a $T_1=-5\,^{\circ}\text{C}$ y agua líquida a $T_2=20\,^{\circ}\text{C}$ se mezclan en un sistema aislado. Pasos para resolverlo: 1. Caliente el hielo desde $T_1$ hasta $0\,^{\circ}\text{C}$ (calor sensible): $$Q_1 = m_{hielo}\,c_{hielo}\,(0 - T_1)$$ 2. Fusión del hielo a $0\,^{\circ}\text{C}$ (calor latente): $$Q_2 = m_{hielo}\,H^\circ_{fus}\,$$ 3. Calentamiento del agua de fusión desde $0\,^{\circ}\text{C}$ hasta la temperatura de equilibrio $T_e$ (calor sensible): $$Q_3 = m_{hielo}\,c_{agua}\,(T_e - 0)$$ 4. Enfriamiento del agua inicial desde $