FENOMENOLOGIA DE LA CONSTANCIA DE LA TEMPERATURA EN LOS CAMBIOS DE FASE

INTRODUCCION

Supóngase que se tiene un recipiente hermético y de paredes aislantes dentro del cual se encuentra agua en equilibrio térmico entre sus tres fases; hielo, agua y vapor. Este sistema presenta la peculiaridad de que si se le aporta calor la temperatura no aumenta, sino que la energía es consumida en la fusión del hielo. Esto dicho así no es más que la constatación de un hecho empírico, tratare a continuación de dar la explicación fenomenológica al hecho observado.

En el planeta tierra, existen grandes zonas donde el hielo,  el agua y su vapor coexisten en la naturaleza. En la luna Titán de Saturno es el metano el que puede encontrarse en estas tres fases, existen multitud de compuestos que tienen punto triple. Para cada uno de estos compuestos es posible definir un mundo donde sus diferentes fases estén coexistiendo.

EL HIELO

El hielo es una estructura cristalina donde cada molécula de agua esta confinado en un espacio determinado de la red, este espacio es un pozo resultante de la existencia de 3 puentes de hidrogeno para cada molécula de agua. La molécula vibra en el interior de este pozo, como una canica que sube y baja por el interior de una taza, transformándose la energía potencial eléctrica en cinética y viceversa de forma consecutiva. Para cada temperatura por debajo de la temperatura de fusión existe una distribución estadística de las energías de las moléculas, de modo que algunas pocas moléculas tienen la suficiente energía para abandonar su pozo creando una vacante y deambular por la red un breve periodo de tiempo antes de volver a caer. Según aumenta la temperatura el número de vacantes aumenta, se podría aceptar que según aumenta la temperatura las vacantes aumentan hasta que llega un momento en que la estructura cristalina original ha desaparecido. Esto sugiere que el cambio de fase en realidad tendría que producirse en un rango más o menos amplio de temperaturas y no a una fija, haciendo  que lo que en realidad sucede resulte contrario al sentido común. No obstante veremos que tiene explicación.

Fuente

SUPERFICIES ENTRE FASES

Para simplificar supóngase que el hielo esta sujeto con cables al suelo del recipiente de forma que no existe hielo asomando por la superficie del agua. En esta configuración existen dos superficies, la que separa al líquido del gas y la que separa el líquido del solidó. Entre estas superficies existe un trasiego de partículas que abandonan una fase para introducirse en la contigua.

SUPERFICIE HIELO-AGUA EN EL PUNTO TRIPLE

En el punto triple, debido a la distribución estadística de las energías de las moléculas, desde la superficie del hielo se están desprendiendo moléculas continuamente hacia el líquido. Estas moléculas que se han desprendido del solidó tienen un velocidad media muy baja dado que han tenido que vencer la atracción del pozo, esto es, las moléculas que se desprenden del hielo se encuentran mas frías que las moléculas que componen en liquido y tienden a disminuir la temperatura del liquido. Por otra parte, cuando estas moléculas se encontraban en el interior del hielo tenían una gran velocidad por tanto al escaparse el hielo se ha enfriado.

Por otra parte entre las moléculas próximas a la superficie del hielo existirán algunas que tengan una velocidad muy baja, de manera que al transitar por un pozo puede que disipen parte de la energía quedando confinados. Como estas moléculas eran las mas frías del liquido, en el proceso el liquido se calienta, mientras que el hielo se ha calentado porque la molécula absorbida ha tenido mas energía que cualquiera de las que conformaban el hielo.

Según crezca la temperatura del sistema, existirá un caudal mayor de moléculas que abandonan el hielo por unidad de superficie, y existirá un caudal menor de moléculas que abandonad el liquido para unirse al solidó. En general ambas fases no podrán coexistir si no es a una determinada temperatura donde los caudales se equilibran.  

AÑADIENDO CALOR AL SISTEMA EN PUNTO TRIPLE

Imagínese que aportando calor mediante algún medio se ha logrado calentar la temperatura del agua hasta los 2 ºC mientras que la temperatura del hielo se ha dejado constante. Ahora el caudal de las moléculas de agua que van hacia el hielo es menor, mientras que el caudal de las moléculas que abandonan el hielo sigue siendo el mismo, este caudal no compensado enfriara el liquido hasta que se alcance la temperatura de compensación es decir 0 ºC o hasta que se acabe el hielo.

DONDE SE HA IDO EL CALOR COMUNICADO

Aunque al inicio y al final de proceso las temperaturas son las mismas, el hielo existente ha disminuido. A la temperatura contribuye la agitación térmica en la misma medida se encuentre la molécula en el interior de un pozo que fuera de el.  Una molécula libre con la misma agitación térmica que una molécula confinada tiene más energía, debido a que contiene los fotones necesarios para haber escapado del pozo. Al disminuirse la cantidad de moléculas confinadas manteniéndose constante la temperatura, la energía del sistema aumenta.

CONCLUSIONES

El cambio de fase es una consecuencia de la vinculación estadística de los caudales a través de la superficie de cambio de fase con las variables termodinámicas.