Contenido de la página: simulación de las fases del calentamiento del agua

La página muestra cinco capturas (FASE 2 a FASE 5) de una simulación donde se calienta agua en un matraz esférico con mechero, termómetro digital y gráfica de temperatura (T) frente al calor entregado (Q). Se analiza el mismo tramo de la curva de calentamiento en distintos momentos.

Fase 2 — Mezcla sólido-líquido (termómetro: 0\,^{\circ}\mathrm{C})

En el matraz hay hielo en agua líquida. Durante la fusión, el calor entregado no aumenta la temperatura: toda la energía se usa para romper el enlace entre las moléculas del hielo, rompiendo la estructura cristalina. Por eso la gráfica muestra un tramo horizontal (platillo) en T = 0\,^{\circ}\mathrm{C}.

El calor de fusión del hielo es:

L_f = 334\,\mathrm{kJ/kg} = 3.34\times 10^{5}\,\mathrm{J/kg}

Para fundir 1\,\mathrm{kg} de hielo a 0\,^{\circ}\mathrm{C}:

Q = m\,L_f = 1\,\mathrm{kg}\times 3.34\times 10^{5}\,\mathrm{J/kg} = 3.34\times 10^{5}\,\mathrm{J}

Fase 3 — Estado líquido (termómetros: 5\,^{\circ}\mathrm{C}, 40\,^{\circ}\mathrm{C}, 90\,^{\circ}\mathrm{C})

Ya fundida toda la hielo, el agua líquida sube de temperatura. Aquí sí se cumple la relación lineal Q = m\,c\,\Delta T con el calor específico del agua:

c_{\text{agua}} = 4.186\,\mathrm{J/(g\cdot{}^{\circ}C)} = 4186\,\mathrm{J/(kg\cdot{}^{\circ}C)}

Ejemplo numérico: para llevar 1\,\mathrm{kg} de agua de 5\,^{\circ}\mathrm{C} a 90\,^{\circ}\mathrm{C}:

Q = 1\,\mathrm{kg}\times 4186\,\mathrm{J/(kg\cdot{}^{\circ}C)}\times (90-5)\,^{\circ}\mathrm{C} Q = 4186\times 85 = 3.56\times 10^{5}\,\mathrm{J}

En la gráfica, esta etapa corresponde a la recta ascendente con pendiente 1/(m\,c).

Fase 4 — Ebullición: mezcla líquido + gas (100\,^{\circ}\mathrm{C})

Al alcanzar la temperatura de ebullición a presión atmosférica, el termómetro se detiene en 100\,^{\circ}\mathrm{C} aunque el mechero siga aportando calor. La temperatura permanece constante porque la energía se consume íntegramente en vaporizar el agua, no en aumentar su agitación molecular. La gráfica vuelve a presentar un platillo horizontal a 100\,^{\circ}\mathrm{C}.

El calor de vaporización es mucho mayor que el de fusión:

L_v = 2.26\times 10^{6}\,\mathrm{J/kg}

Para vaporizar 1\,\mathrm{kg} de agua a 100\,^{\circ}\mathrm{C}:

Q = m\,L_v = 1\,\mathrm{kg}\times 2.26\times 10^{6}\,\mathrm{J/kg} = 2.26\times 10^{6}\,\mathrm{J}

Este valor es aproximadamente 6.8 veces el calor necesario para fundir el mismo 1\,\mathrm{kg} de hielo.

Fase 5 — Estado gaseoso (termómetros: 110\,^{\circ}\mathrm{C}, 115\,^{\circ}\mathrm{C}, 130\,^{\circ}\mathrm{C})

Cuando todo el agua ya se ha vaporizado, el vapor sobrecalentado vuelve a subir de temperatura y la gráfica otra vez sube. Por ejemplo, de 110\,^{\circ}\mathrm{C} a 130\,^{\circ}\mathrm{C} el agua en estado de vapor:

Q = 1\,\mathrm{kg}\times 2000\,\mathrm{J/(kg\cdot{}^{\circ}C)}\times (130-110)\,^{\circ}\mathrm{C} = 4.0\times 10^{4}\,\mathrm{J}

(Se usa el calor específico del vapor, c_{\text{vapor}}\approx 2000\,\mathrm{J/(kg\cdot{}^{\circ}C)}.)

Síntesis de la curva de calentamiento

Conclusión: los platillos horizontales de la gráfica corresponden a cambios de fase y evidencian que la temperatura no es un buen indicador del calor entregado durante una transición de estado: la energía absorbida se transforma en energía de enlace, no en energía térmica.

Nota sobre integridad del contenido

Las imágenes de esta página son diagramas de una simulación (rutas de consulta n9.cl/...) que acompañan la secuencia; la transcripción OCR solo registra los enlaces de fuente y las etiquetas "FASE 2" a "FASE 5". Los valores 0\,^{\circ}\mathrm{C}, 5\,^{\circ}\mathrm{C}, 40\,^{\circ}\mathrm{C}, 90\,^{\circ}\mathrm{C}, 100\,^{\circ}\mathrm{C}, 110\,^{\circ}\mathrm{C}, 115\,^{\circ}\mathrm{C} y 130\,^{\circ}\mathrm{C} están leídos de los termómetros digitales de las capturas.