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

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