Cambio de estados de la materia
Un cambio de fase es cuando la materia pasa de un estado (sólido, líquido, gas, plasma) a otro. (véase la figura 1). Estos cambios se producen cuando se suministra suficiente energía al sistema (o se pierde una cantidad suficiente), y también se producen cuando se modifica la presión sobre el sistema. Las temperaturas y presiones en las que se producen estos cambios difieren en función de las propiedades químicas y físicas del sistema. La energía asociada a estas transiciones se denomina calor latente.
El agua es una sustancia que tiene muchas propiedades interesantes que influyen en sus cambios de fase. La mayoría de la gente aprende desde pequeña que el agua se funde de hielo a líquido a 0°C, y que hierve de líquido a gas a 100°C; pero esto no es cierto en todas las circunstancias. La presión afecta a estos puntos de transición, por lo que, en el caso del agua, el punto de ebullición disminuye en realidad a medida que se reduce la presión. El agua también tiene ciertas fuerzas intermoleculares que rigen las temperaturas a las que se producen estas transiciones[2]. Esta diferencia en el punto de ebullición es la razón por la que las indicaciones para cocinar a gran altura son a veces ligeramente diferentes (como hervir la pasta durante más tiempo).
Condensación
Toda la materia puede pasar de un estado a otro. Puede requerir temperaturas o presiones extremas, pero puede hacerse. A veces una sustancia no quiere cambiar de estado. Tienes que utilizar todos tus trucos cuando eso ocurre. Para crear un sólido, puede que tengas que disminuir la temperatura en una cantidad enorme y luego añadir presión. Por ejemplo, el oxígeno (O2) se solidificará a -361,8 grados Fahrenheit (-218,8 grados Celsius) a presión estándar. Sin embargo, se congelará a temperaturas más cálidas cuando se aumente la presión.
Algunos de ustedes conocen el nitrógeno líquido (N2). Se trata de nitrógeno de la atmósfera en forma líquida y tiene que estar muy frío para mantenerse en estado líquido. ¿Qué pasaría si quisieras convertirlo en sólido pero no pudieras hacerlo lo suficientemente frío para que se solidifique? Podrías aumentar la presión en una cámara sellada. Con el tiempo, llegarías a un punto en el que el líquido se convertiría en un sólido. Si tienes agua líquida (H2O) a temperatura ambiente y quieres vapor de agua (gas), podrías utilizar una combinación de altas temperaturas o bajas presiones para resolver tu problema.
Cómo puede cambiar el agua
Cuando una sustancia cambia de estado de sólido a líquido, la temperatura de la sustancia permanece igual y la energía térmica de la fuente externa se convierte en energía potencial dentro de la sustancia.
Mi pregunta es que si lo pienso en sentido inverso, es decir, cuando el estado cambia de líquido a sólido, ¿la energía potencial que estaba almacenada se liberará como energía calorífica al entorno?
Si tomas el sólido y el líquido, o el líquido y el gas, o cualquiera que sean las dos fases, entonces en el cambio de fase las energías libres de Gibbs de los dos componentes son las mismas porque los dos estados están en equilibrio. El cambio de energía libre de Gibbs en la transición es:
Así que volviendo a tu pregunta, esto muestra que el calor es cedido cuando el cambio de fase va en una dirección y absorbido cuando el cambio de fase va en la otra dirección, y la magnitud del cambio de entalpía es la misma por ejemplo
No estoy del todo de acuerdo con tu afirmación de que la energía térmica de la fuente externa se convierte en energía potencial dentro de la sustancia, ya que creo que es un ligero mal uso del término energía potencial. El cambio de entalpía se equipara a un cambio de entropía en lugar de energía potencial.
Si la velocidad de un cuerpo se duplica su energía cinética
Las sustancias pueden cambiar de fase, a menudo debido a un cambio de temperatura. A bajas temperaturas, la mayoría de las sustancias son sólidas; a medida que la temperatura aumenta, se convierten en líquidas; a temperaturas aún más altas, se convierten en gaseosas.
El proceso por el que un sólido se convierte en líquido se denomina fusión (un término más antiguo que puede verse a veces es fusión). El proceso contrario, el de un líquido que se convierte en un sólido, se llama solidificación. Para cualquier sustancia pura, la temperatura a la que se produce la fusión -conocida como punto de fusión- es una característica de esa sustancia. Se necesita energía para que un sólido se funda en un líquido. Toda sustancia pura tiene una determinada cantidad de energía que necesita para pasar de sólido a líquido. Esta cantidad se llama entalpía de fusión (o calor de fusión) de la sustancia, representada como ΔHfus. Algunos valores de ΔHfus se enumeran en la tabla 10.2 “Entalpías de fusión de diversas sustancias”; se supone que estos valores corresponden al punto de fusión de la sustancia. Tenga en cuenta que la unidad de ΔHfus es kilojulios por mol, por lo que necesitamos conocer la cantidad de material para saber cuánta energía está involucrada. El ΔHfus siempre se tabula como un número positivo. Sin embargo, se puede utilizar tanto para el proceso de fusión como para el de solidificación siempre que se tenga en cuenta que la fusión es siempre endotérmica (por lo que el ΔH será positivo), mientras que la solidificación es siempre exotérmica (por lo que el ΔH será negativo).