Lecciones de física (Diagrama de fases del agua y tipos de hielo)

29.01.08 @ 20:10:20. Archivado en Ciencia, en especial física

Esta tarde tampoco pondré nada de religión. Y dado que alguno me toca las narices con mi carrera, pues hoy van a tener algo de mi carrera. No voy a contarles nada de esa física chupiguay consistente en agujeros de gusanos, viaje de particulas al pasado, otras dimensiones con criaturas y propiedades exóticas. Parece que cuando alguien se asoma a mi ciencia es buscando la teoría cuántica o la relatividad.

Pues he pensado contarles algo que a mi se me antoja más interesante, tal vez más a nuestro alcance que complicadas teorías. Vamos a tratar las fases del agua y las distintas fases sólidas que presenta el hielo.

En primer lugar existen tres fases fundamentales en la tierra, fase sólida, fáse liquida y fase gaseosa. Entiendan por fase por lo que se llama vulgarmente estado. En termodinámica la palabra estado viene descrita por variables termodinámicas como por ejemplo presión, volumen y temperatura. Cuando coloquialmente hablamos de un cambio de estado de líquido a vapor, en realidad deberíamos decir transición de fase liquida a fase vapor.

El presente diagrama es denominado como diagrama de fases del agua.

En el pueden apreciar un punto del que surgen tres curvas. Estas curvas marcan la frontera entre lo que son las fases líquida, gaseosa y sólida del agua. El punto B es denominado como punto triple del agua y tiene por coordenadas los 273.16 K = 0.01 ºC y presión de 0.06 atmósferas. En dicho punto pueden coexistir al mismo tiempo la fase sólida, líquida y gaseosa del agua.

Una característica de los líquidos es que poseen una línea fronteriza que los separa de otras fases, como es el caso de la fase vapor. El punto C es denominado como punto crítico, en dicho punto la frontera entre la fase vapor y la fase líquida desaparece, es decir, no distingues donde está el vapor y donde está el líquido porque se han unido en una fase homogénea. El fluido resultante se le llama fluido supercrítico, y tiene unas propiedades intermedias a las de un gas y un líquido. Sus coordenadas en la gráfica son 374 ºC = 647 K de temperatura y 225 atm. En la Tierra y tal vez en el universo es muy posible que sea difícil encontrar agua supercrítica, ya que las condiciones de presión y temperatura necesarias son raras. Solo se ha conseguido dicha agua en los laboratorios y bajo unas condiciones muy controladas.

Diagrama de fases del hielo:

Más curioso es lo que le ocurre al agua en su estado sólido. Generalmente en el frigorífico solo obtendremos un tipo de hielo, el de tipo I. Pero hay muchos tipos de hielo. ¿Cuántos? no lo sé, pero el diagrama de fases de la figura nos muestra unos nueve tipos de hielo, en otro diagrama que no cabe en el blog hay 12 tipos de hielos mas, y algunos tipos de hielo tienen una región tan pequeña que directamente ni se los pinta en muchos diagramas de fases.

Como curiosidad sobre los hielos, aunque por mi memoria no puedo daros un ejemplo directo de alguno de ellos, hay tipos de hielo que si les cambiamos la temperatura y presión en la que permanecen estables, permanecen largo rato en las nuevas condiciones de temperatura y presión. Pero algunos de ellos en cambio son extremadamente inestables que se convierten rápidamente fuera de sus condiciones de equilibrio en otro tipo de hielo a la mínima perturbación o prácticamente sin ellas. Estudiarlos resulta difícil, pero ahí están muchos termólogos en su empeño de estudiar todas sus propiedades.

Para acabar, una curiosidad para los amantes de las joyas, en especial si se poseen diamantes. Miren el siguiente diagrama de fases del carbono:

Los diamantes son estables en condiciones de presión más elevadas. Un diamante debiera convertirse en grafito en las condiciones actuales de presión. Tal proceso le ocurre a todos los diamantes, pero dicho proceso es bastante lento como para poder observarlo. Nada impide que una mujer se acueste con su diamante y se levante con unas sábanas negras por el polvo del grafito en el que se puede convertir espontáneamente el diamante. Pero como digo, dicho proceso de conversión del diamante a grafito es un proceso muy lento. Se puede acelerar el proceso incrementando la temperatura del diamante, en cuyo caso el cambio es más rápido y el diamante pasa a ser negro como un grafito.

Terminando esta curiosidad, les cuento que una vez se supo y se entendió el diagrama de fases del carbono, se consiguieron crear diamantes “artificiales”. Se los tiene por artificiales por ser fabricados por el hombre, y eso que los naturales son impuros y de menor dureza. Los producidos en condiciones controladas son de gran pureza. Es por esto que se los distingue a unos y a otros. ¿Por que valen más los naturales que los artificiales? eso que se lo conteste un joyero, que la orfebrería no es de interés mío.

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Hola, en realidad quería hacerte una consulta: ¿Cómo influye la presuón en los cambios de estado? Tengo alguna idea de lo que pasa pero quisiera algo más detallado. Gracias!

Comentario por Gabriela 26.02.08 @ 11:28

Si, lo que pasa es que a mí no me gustaría tener que esperar a curarme de un cancer, o de un parkinson, o del alzheimer dentro de unas centurias por culpa de la Iglesia. Así que cada uno en su casita, la ciencia en el mundo real, y a su ritmo, y la Iglesia en el de las almas, y si se quiere quedar en el s.V, como si cruje.

Comentario por Mendel 01.02.08 @ 16:29

Reconozco, Francisco José, que los católicos no temen a la verdad, pero suelen reconocerla al cabo de unas centurias, algo de lo que el señor Galileo puede dar fe. En fin, bien está lo que bien acaba.

Comentario por Julai 01.02.08 @ 10:03

Darwin..., no estaría mal, para empezar, aunque habría muchos más temas. Lo bueno de los católicos es que nunca nos ha asustado la Verdad, dado que la amamos.

Comentario por Francisco José Delgado 31.01.08 @ 00:01

Francisco : me parece bastante difícil y contradictorio en sí tocar temas científicos que tengan que ver con la fe. ¿Quizás te refieras al veto y a la perversión realizada sobre el conocimiento científico que la Iglesia ha practicado a lo largo de su historia, porque los descubrimientos de la ciencia desmontaban sus débiles argumentos? ¿De qué quieres que hablemos? ¿Del papel de Adán y Eva en el Origen del Universo? ¿De la Hidrología de Cuencas en el Diluvio Universal? ¿De la perfecta programación de Dios para que las especies evolucionaran?

Comentario por Darwin for ever 30.01.08 @ 23:10

Sin que sirva de precedente, esta vez tengo que decir que el camino que inicia me parece correcto. Con todo, y sin miedo a equivocarme, pienso que bastantes de los que leemos este blog (sobre todo para contraargumentar cuando escribe simplicidades) apreciaríamos mucho que tocara temas científicos que tengan relación con la fe. Así, sin duda, serviría a la Iglesia a la que dice pertenecer, que parece interesada, al menos en su cabeza visible, por fomentar el diálogo fe y razón. En su campo, el de la física, pienso que sus contribuciones podrían ser interesantísimas. Es más, seguro que a algunos de nosotros, profanos en la ciencia física, podría pillarnos como nosotros lo hacemos con Vd. cuando se mete a teólogo.

Comentario por Francisco José Delgado 30.01.08 @ 12:25

No está el horno para "diagramas de fases":


El Blog de Cordura:

No violencia activa frente a la deriva derechoso-neoconfesionalista.

http://lacomunidad.elpais.com/periferia06/posts

El Blog de Cordura
(Testimonios del crepúsculo)

Comentario por Cordura 30.01.08 @ 11:18

A mí me gustaría que hablaras de la Teoría de la Relatividad, la curvatura del espacio, la Física cuántica,etc.... A ver si algún día me entero, en palabras llanas, de qué quieren decir, y te agradecería que comentaras todos los cuentos chinos que se han creado alrededor de ellas. Y en un futuro, si supero esto (que ya es un tema anticuado), abordar la puñetera Teoría de Cuerdas, que me parece que los físicos han tenido que fumarse muchos petas para llegar a pensar en algo así.

Comentario por Ptolomeo Loquebebo 30.01.08 @ 01:58

Esto que acabo de explicar en mi blog se encuentra en libros de Termodinámica de carrera o bien de asignatura de Química-Física. Si está en libros de divulgación lo ignoro. Además, pongase usted a buscar diagramas de fase y transiciones de fase en google, o si lo prefiere, cambios de estado y estados de la materia y verá cosas más avanzadas y de difícil colocación en este blog, en el que escribir una ecuación es bastante difícil.

He preferido evitar hablar que el diamante y el grafito son formas alotrópicas del carbono, tampoco he querido traer una imagen de la ecuación de Clapeyron que describe muy bien varias de estas curvas. He evitado la utilización de nombres como pontencial químico y entalpía. Y he querido con muchos dibujos intentar que cualquier lector pueda entenderme, y me he molestado en definir al principio lo que son fases, transiciones de fase y estados en termodinámica.

Si quiere usted que hablemos de termodinámica del no equilibrio, podemos otro día tratar la termodinámica de los procesos irreversibles.

¿Que tema tenemos pendiente por cierto?

Comentario por Julián Moreno Mestre [Blogger] 30.01.08 @ 01:05

Sigue post anterior

En cuanto a lo de la madera, me suena. Yo sólo empleo un nick. ¿Tenemos algo pendiente?. Ud. dirá ...

Comentario por Bardenario 30.01.08 @ 01:00

Pues parece Ud. un poco enfadado. A lo mejor/peor me equivoco:

"...Y dado que alguno me toca las narices con mi carrera, pues hoy van a tener algo de mi carrera.

No voy a contarles nada de esa física chupiguay consistente en agujeros de gusanos, viaje de particulas al pasado, otras dimensiones con criaturas y propiedades exóticas. Parece que cuando alguien se asoma a mi ciencia es buscando la teoría cuántica o la relatividad"

Pues es precisamente, en esos campos "chupiguay", y en lo que conllevan de especulación filosófica, es donde cabe derivarse hacia un diálogo generalizado con un colectivo amplio, antes bien que su exposición sobre diagramas de estado, que puede encontrarse en cualquier libro de texto (no necesariamente para cursar la carrera de Física).

Fíjese Ud. cuan interesante, y popular, hubiera sido que, en su lugar, nos hablara, en términos divulgatorios, del equilibrio en situaciones alejadas del equilibrio.

Comentario por Bardenario 30.01.08 @ 00:57

¿?

Comentario por curioso 29.01.08 @ 20:40

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