Estados de la materia y cambios de estado: guía completa para ESO

Introducción: ¿qué pasa dentro de un cubito de hielo que se derrite?

Sostienes un cubito de hielo y, en pocos segundos, se convierte en un charquito que se escurre entre tus dedos. Es un ejemplo cotidiano de los estados de la materia y de lo que ocurre cuando una sustancia recibe energía. Detrás de ese gesto tan simple hay una explicación sorprendente, y la vas a descubrir paso a paso en esta guía.

Seguiremos el camino que recorre la ciencia: primero observamos cómo se comportan los sólidos, los líquidos y los gases; luego los explicamos con un modelo de partículas; después vemos qué mide realmente la temperatura; y, por último, leemos una gráfica que muestra los cambios de estado como si fuera un mapa.

Si necesitas repasar conceptos previos, visita: Propiedades de la materia: masa y volumen

Terminología clave para entender los estados de la materia

Materia y sus formas

Materia — Todo lo que tiene masa y ocupa espacio. Ejemplo: una piedra, el agua y también el aire.

Sólido — Estado en el que la sustancia conserva su forma y su volumen. Ejemplo: una moneda.

Líquido — Estado con volumen propio que se adapta a la forma del recipiente. Ejemplo: el zumo en un vaso.

Gas — Estado sin forma ni volumen propios: se expande hasta llenar el recipiente. Ejemplo: el helio de un globo.

Plasma — Gas muy caliente cuyas partículas tienen carga eléctrica. Ejemplo: un rayo durante una tormenta.

Modelo de partículas

Partícula — Cada uno de los diminutos «ladrillos» que forman la materia: átomos, moléculas o iones. Ejemplo: una molécula de agua, H₂O.

Modelo cinético-molecular — Teoría que describe la materia como un conjunto de partículas en continuo movimiento. Ejemplo: el olor de una colonia que se nota desde el otro lado de la habitación.

Fuerza de cohesión — Atracción entre las partículas de una misma sustancia. Ejemplo: la gota de agua redonda sobre una hoja.

Difusión — Mezcla espontánea de dos sustancias por el movimiento de sus partículas. Ejemplo: una gota de tinta que acaba tiñendo todo un vaso de agua.

Compresibilidad — Capacidad de una sustancia para reducir su volumen cuando se la comprime. Ejemplo: una jeringuilla con aire y la salida tapada.

Energía y medición

Energía cinética — Energía que tiene un cuerpo por estar en movimiento. Ejemplo: una pelota que rueda.

Temperatura — Magnitud que indica la energía cinética media de las partículas. Ejemplo: las partículas de un té humeante se mueven más deprisa que las de uno tibio.

Calor — Energía que se transfiere de un cuerpo caliente a otro más frío. Ejemplo: tu mano cede energía al hielo.

Kelvin — Unidad de temperatura del Sistema Internacional; su cero es el cero absoluto, la temperatura más baja posible. Ejemplo: 273 K corresponden a 0 °C.

Calor específico — Energía necesaria para subir 1 K la temperatura de 1 kg de una sustancia. Ejemplo: la arena de la playa se calienta mucho más deprisa que el mar.

Transformaciones

Fusión — Paso de sólido a líquido. Ejemplo: un helado que gotea.

Solidificación — Paso de líquido a sólido. Ejemplo: el agua que se convierte en cubitos en el congelador.

Vaporización — Paso de líquido a gas, por evaporación o por ebullición. Ejemplo: un charco que desaparece al sol.

Condensación — Paso de gas a líquido. Ejemplo: el espejo empañado tras una ducha.

Sublimación — Paso directo de sólido a gas. Ejemplo: el hielo seco, que se esfuma sin dejar charco.

Sublimación inversa (deposición) — Paso directo de gas a sólido. Ejemplo: la escarcha que se forma en el congelador.

Punto de fusión — Temperatura a la que un sólido puro se funde, a una presión determinada. Ejemplo: 0 °C para el agua.

Punto de ebullición — Temperatura a la que un líquido puro hierve, a una presión determinada. Ejemplo: 100 °C para el agua al nivel del mar.

Calor latente — Energía por cada kilogramo que hace falta para cambiar de estado sin que cambie la temperatura. Ejemplo: la energía que absorbe el hielo al derretirse.

Gráficas

Curva de calentamiento — Gráfica que muestra cómo evoluciona la temperatura al aportar energía (o con el paso del tiempo). Ejemplo: la que dibujas al calentar hielo hasta que hierve.

Meseta — Tramo horizontal de la curva: la temperatura se mantiene mientras la sustancia cambia de estado. Ejemplo: el agua que hierve a temperatura constante.

1. Estados de la materia: qué observas a simple vista

Empecemos como lo haría un científico: observando.

1. Si viertes agua de una botella en un vaso, el agua cambia de forma, pero su volumen no varía.

2. Un libro sobre la mesa conserva su forma.

3. Y si abres un frasco de perfume, el olor se reparte por toda la habitación.

Son tres comportamientos distintos que corresponden a tres estados de agregación de la materia.

Más allá de los tres estados clásicos

En clase se estudian tres estados, pero la naturaleza tiene más.

El plasma, es el cuarto estado de agregación de la materia un gas con partículas cargadas eléctricamente, forma las estrellas y los rayos.

En 1995 se logró crear en el laboratorio el condensado de Bose-Einstein, un estado que aparece a temperaturas cercanas al cero absoluto. Por ese trabajo, Eric Cornell, Carl Wieman y Wolfgang Ketterle recibieron el Premio Nobel de Física en 2001.

Error común: pensar que «estado de la materia» y «sustancia» son lo mismo. El agua sigue siendo agua (H₂O) tanto si es hielo, líquido o vapor: solo cambia su estado.

2. Modelo cinético-molecular: cómo se comportan las partículas

Observar no basta: queremos saber por qué ocurre cada cosa. Para ello usamos un modelo, una versión simplificada de la realidad que sirve para hacer predicciones. El modelo cinético-molecular se resume en cuatro ideas:

• La materia está formada por partículas muy pequeñas (átomos, moléculas o iones).

• Las partículas siempre se mueven: vibran, se deslizan o viajan libres, según el estado.

• Entre las partículas hay vacío: no hay aire ni ninguna otra sustancia entre ellas.

• Las partículas se atraen con fuerzas de cohesión; cuanto más cerca están, más intensa es la atracción.

Qué explica el modelo

• Por qué el sólido tiene forma propia: las partículas están atrapadas en sus posiciones.
• Por qué el líquido fluye: las partículas pueden deslizarse, pero siguen unidas.
• Por qué el gas se comprime: hay mucho vacío entre sus partículas.
• Por qué el perfume se difunde: las partículas del gas viajan y chocan hasta repartirse por todo el espacio.

Aplicaciones reales

Al inflar un neumático metes más partículas de aire en el mismo volumen. Chocan más veces contra las paredes y empujan con más fuerza, y por eso el neumático se pone duro. Y cuando una gota de tinta se reparte por un vaso de agua sin que lo remuevas, estás viendo la difusión: el movimiento continuo de las partículas.

Para ir más lejos: muchos estudiantes imaginan que entre las partículas hay aire en lugar de vacío; así lo documentaron Novick y Nussbaum (1978) en entrevistas con alumnado de secundaria. Por su parte, Alex Johnstone (1991) defendió que, para aprender química, hay que conectar tres niveles: lo que se observa, las partículas que lo explican y los símbolos con que se representa. Es justo el recorrido de esta guía.

Error común: creer que las partículas de un sólido están quietas. Vibran todo el tiempo; lo que no pueden es desplazarse de un sitio a otro.

3. Temperatura y energía: qué mide un termómetro

Cuando decimos que un café está caliente, hablamos de partículas muy agitadas. La temperatura indica cuánta energía de movimiento tienen, en promedio, las partículas de una sustancia: cuanto mayor es la temperatura, mayor es su energía cinética media.

Si ya has estudiado la energía cinética, recordarás que un objeto de masa m que se mueve con velocidad v tiene una energía:

Aquí E_c se mide en julios (J), m en kilogramos (kg) y v en metros por segundo (m/s). No vas a calcularla para cada partícula; lo importante es la idea: más velocidad implica más energía cinética, y más agitación implica más temperatura.

Temperatura no es lo mismo que calor

• Temperatura: indica cuánta agitación tienen las partículas (se mide en °C o en K).
• Calor: energía que se transfiere de un cuerpo caliente a uno frío (se mide en julios, J).

Una bañera tibia contiene más energía térmica total que una taza de té hirviendo, porque tiene muchísimas más partículas, aunque su temperatura sea menor.

De grados Celsius a kelvin

En ciencia se usa mucho la escala Kelvin, que parte del cero absoluto, la temperatura más baja posible, en la que las partículas casi han dejado de moverse. Para pasar de grados Celsius a kelvin se suma 273:

En esta fórmula, T_K es la temperatura en kelvin y T_C la temperatura en grados Celsius. (En rigor se suma 273,15, pero en ESO basta con 273.) Por ejemplo, el agua se congela a 0 °C, es decir, 273 K, y hierve a 100 °C, es decir, 373 K. Un aumento de 1 °C equivale a un aumento de 1 K, por eso una diferencia de temperatura vale lo mismo en ambas escalas.

Error común: decir «se escapa el frío». En realidad, la energía fluye del cuerpo caliente al frío; el frío no es algo que se mueva.

4. Cambios de estado: la energía reorganiza las partículas

Cuando una sustancia recibe energía, sus partículas se agitan más. Si la agitación es suficiente para vencer las fuerzas de atracción, las partículas cambian de organización y la sustancia cambia de estado. Si ocurre lo contrario y la sustancia cede energía, las partículas se frenan y las fuerzas de cohesión vuelven a juntarlas.

Evaporación y ebullición: dos formas de vaporizar

• Evaporación: ocurre solo en la superficie y a cualquier temperatura por debajo del punto de ebullición; por eso se seca la ropa tendida.

• Ebullición: ocurre en todo el líquido y a una temperatura concreta; se ven burbujas de vapor que suben.

Aplicaciones reales

Cuando sudas, el agua de tu piel se evapora y se lleva energía de tu cuerpo: es tu sistema de refrigeración natural. En un frigorífico, un líquido refrigerante se evapora y se condensa una y otra vez para llevar la energía del interior hacia el exterior. Y el hielo seco, que es dióxido de carbono sólido, se usa en escenarios y envíos refrigerados porque sublima a unos −78 °C sin dejar charcos.

Error común: pensar que las burbujas del agua hirviendo son aire. Son vapor de agua: agua líquida que se ha convertido en gas dentro del propio líquido.

Otro error común: llamar «vapor» a la nube blanca que sale de una olla. El vapor de agua es invisible; lo que ves son diminutas gotas de agua líquida que se forman cuando el vapor se condensa en el aire más frío.

5. Curvas de calentamiento y enfriamiento: lee los cambios de estado en una gráfica

Imagina que sacas un trozo de hielo del congelador a −20 °C y lo calientas con un hornillo, midiendo la temperatura cada minuto. Si dibujas esos datos obtienes una curva de calentamiento, la herramienta experimental más útil para ver los cambios de estado.

¿Por qué hay mesetas? La clave de toda la unidad

Durante el cambio de estado la sustancia sigue recibiendo energía, pero la temperatura no sube. ¿Dónde va esa energía? Se emplea en romper las interacciones que mantienen unidas a las partículas, no en hacer que se muevan más deprisa. Como la energía cinética media no cambia, la temperatura tampoco. Cuando todas las partículas han pasado al nuevo estado, la energía vuelve a aumentar la agitación y la curva vuelve a subir. (Esto vale para sustancias puras y a presión constante.)

Las fórmulas que cuantifican cada tramo

En los tramos inclinados, la energía que necesita una sustancia de masa m para cambiar su temperatura depende de su calor específico c y de la variación de temperatura ΔT, que es la diferencia entre la temperatura final y la inicial:

En las mesetas, la energía depende del calor latente: de fusión L_f cuando se derrite y de vaporización L_v cuando hierve.

En todas ellas, Q se mide en julios (J), m en kilogramos (kg), c en J/(kg·K), L en J/kg y ΔT en kelvin (o en °C, porque la diferencia es la misma).

Fíjate en que evaporar 1 kg de agua requiere casi siete veces más energía que fundir 1 kg de hielo. Por eso, con la misma fuente de calor, hervir el agua tarda mucho más que derretir el hielo.

Curva de enfriamiento: la película al revés

Si enfrías vapor, la curva recorre el camino inverso: baja la temperatura, hay una meseta a 100 °C (condensación), baja de nuevo, hay otra meseta a 0 °C (solidificación) y vuelve a bajar. Ahora la sustancia cede energía en lugar de absorberla.

Error común: creer que cualquier mezcla se comporta así. Las sustancias puras tienen mesetas bien definidas; en una mezcla, como el agua con sal, la temperatura de ebullición va cambiando poco a poco y no aparece una meseta perfecta.

Mira las partículas con simulación

Ahora te toca experimentar. El simulador Estados de la materia, de PhET Interactive Simulations (Universidad de Colorado Boulder), es como un laboratorio de bolsillo: puedes calentar, enfriar y comprimir distintas sustancias y ver al instante cómo se mueven y se colocan sus partículas. Así conectas lo que se ve (sólido, líquido, gas) con lo que no se ve (el movimiento y la distancia entre partículas).

Predice antes de ver

Antes de tocar nada, escribe tu hipótesis en un papel. Después comprueba el resultado y compáralo con lo que habías predicho.

• Cuando calientas un sólido, ¿qué pasará con el movimiento de las partículas? ¿Y con la distancia entre ellas?
• Si enfrías un gas dentro de un recipiente cerrado, ¿en qué estado terminará?
• Al comprimir el recipiente con un gas muy frío, ¿qué estado aparecerá?
• Observa y compara: ¿acertaste? Anota en una línea qué te sorprendió.

Tres misiones para el simulador

• Elige el agua en estado sólido y caliéntala poco a poco. ¿En qué momento las partículas dejan de estar ordenadas?
• Sigue calentando hasta que sea gas. ¿Qué pasa con la distancia entre las partículas?
• Con un gas, reduce el volumen del recipiente. ¿Cuánto espacio queda entre las partículas y qué le ocurre a su movimiento?

Esta estrategia se llama predecir, observar y explicar: al comprometerte con una hipótesis, te fijas mucho más en lo que no encaja con ella. Las simulaciones de PhET se diseñaron justo para eso, para que se pueda ver lo invisible y construir modelos mentales más precisos (Wieman, Adams y Perkins, 2008).

A continuación, el simulador de estado de la materia

Ejemplos resueltos paso a paso

Antes de pasar a los problemas evaluados, practica con seis ejemplos guiados. Todos usan los datos del agua de la tabla anterior. Regla de oro: primero identifica en qué tramo de la curva estás y después elige la fórmula que corresponde.

Nivel principiante

Datos: T_C = 25 °C.

Paso 1. Escribe la fórmula de conversión.

Paso 2. Sustituye el valor.

Datos: punto de fusión: −114 °C; punto de ebullición: 78 °C; temperatura: 20 °C.

1. Compara la temperatura con el punto de fusión: 20 °C es mayor que −114 °C, así que ya no es sólido.

2. Compara con el punto de ebullición: 20 °C es menor que 78 °C, así que todavía no es gas.

3. Conclusión: la temperatura está entre ambos puntos.

Nivel intermedio

Datos: m = 0,5 kg; c = 4180 J/(kg·K).

1. Calcula la variación de temperatura (una diferencia de 60 °C equivale a 60 K).

2. Escribe la fórmula del tramo inclinado.

3. Sustituye y calcula.

4. Convierte a kilojulios: 125 400 J = 125,4 kJ.

Datos: m = 200 g; L_f = 334 000 J/kg.

1. Convierte la masa a kilogramos.

2. Estás en una meseta (cambio de estado), así que usa el calor latente.

3. Sustituye y calcula.

Nivel avanzado

Datos: m = 0,1 kg; c_hielo = 2100 J/(kg·K); c_agua = 4180 J/(kg·K); L_f = 334 000 J/kg.

1. Divide el proceso en tramos de la curva: A (hielo de −10 a 0 °C), B (fusión) y C (agua de 0 a 20 °C).

2. Tramo A: calienta el hielo (ΔT = 10 K).

3. Tramo B: funde el hielo.

4. Tramo C: calienta el agua (ΔT = 20 K).

5. Suma las tres energías.

Datos: m = 0,05 kg; c_agua = 4180 J/(kg·K); L_v = 2 260 000 J/kg; c_vapor = 2000 J/(kg·K).

1. Tramos: C (agua de 80 a 100 °C), D (ebullición) y E (vapor de 100 a 110 °C).

2. Tramo C (ΔT = 20 K).

3. Tramo D.

4. Tramo E (ΔT = 10 K).

5. Suma.

Problemas evaluados: ¿cuántos puntos consigues?

Reto: resuelve cada problema en tu cuaderno antes de mirar la solución. Después, abre la solución paso a paso y comprueba si tu resultado fue correcto o incorrecto. Al terminar, ve a la tabla Puntuación y marca, para cada problema, si resultó correcto o incorrecto. La suma aparecerá automáticamente.

Nivel principiante (5 puntos cada uno)

Nivel intermedio (20 puntos cada uno)

Problema 4 · Intermedio · 20 puntos

¿Qué energía se necesita para evaporar por completo 0,3 kg de agua que ya está a 100 °C?

Nivel avanzado (25 puntos cada uno)

Tabla Puntuación y botones para compartir

Conclusión: de lo que ves a lo que no ves

Has recorrido el camino completo de una pequeña investigación científica. Empezaste observando cómo se comportan sólidos, líquidos y gases; los explicaste con partículas en movimiento; comprobaste que la temperatura mide su agitación; aplicaste el modelo a los cambios de estado; y aprendiste a leer una curva de calentamiento, donde las mesetas indican que la energía está rompiendo interacciones en lugar de acelerar partículas.

Siguiente tema del curso: las leyes de los gases, donde verás cómo se relacionan presión, volumen y temperatura con las mismas ideas de este artículo.

Preguntas frecuentes: desmonta los mitos

1. ¿Las partículas de un sólido están quietas? Nunca. Vibran sin parar alrededor de su posición. Lo que no pueden es desplazarse libremente, porque las fuerzas de cohesión las mantienen sujetas. Cuanto más caliente está el sólido, más amplia es la vibración.

2. ¿Hay aire entre las partículas del agua? No. Entre las partículas hay vacío. Si hubiera aire, tendríamos que explicar de qué están hechas las partículas del aire y qué hay entre ellas. El modelo solo funciona con vacío.

3. ¿Las burbujas del agua hirviendo son de aire? No, son de vapor de agua. Si fueran aire, el agua se quedaría sin burbujas al hervir un rato largo; en cambio, siguen apareciendo mientras haya agua líquida que vaporizar.

4. Si sigo calentando agua que hierve, ¿sube más la temperatura? No, mientras quede líquido. Toda la energía extra se emplea en separar las partículas, no en acelerarlas. Por eso subir el fuego no cuece antes los espaguetis: solo evapora el agua más deprisa.

5. ¿El hielo a 0 °C está «más frío» que el agua líquida a 0 °C? Tienen la misma temperatura, es decir, la misma energía cinética media. La diferencia es que el agua líquida ha absorbido además la energía de fusión, que queda almacenada en las interacciones entre partículas. Por eso un cubito enfría más una bebida que la misma masa de agua líquida a 0 °C.

¿Tienes otra duda o una creencia que te haya sorprendido? Escríbela en los comentarios y la responderemos.

Actividades prácticas

Datos: usa los de la tabla del agua. Recuerda que las masas van en kilogramos y las energías, en julios.

Parte I: 10 problemas propuestos (solo respuesta final)

Nivel 1: básico

1. Convierte 50 °C a kelvin.

Respuesta: T_K = 323 K

2. Convierte 300 K a grados Celsius.

Respuesta: T_C = 27 °C

Nivel 2: intermedio

3. Energía para calentar 1 kg de agua de 10 °C a 40 °C.

Respuesta: Q = 125 400 J

4. Energía para fundir 0,5 kg de hielo a 0 °C.

Respuesta: Q = 167 000 J

5. Energía para evaporar 0,1 kg de agua a 100 °C.

Respuesta: Q = 226 000 J

6. Energía para calentar 250 g de hielo de −30 °C a 0 °C.

Respuesta: Q = 15 750 J

7. Energía para calentar 0,4 kg de vapor de 100 °C a 150 °C.

Respuesta: Q = 40 000 J

Nivel 3: avanzado

8. Energía para convertir 0,05 kg de hielo a 0 °C en agua a 50 °C.

Respuesta: Q = 27 150 J

9. Energía para convertir 0,2 kg de agua a 20 °C en vapor a 100 °C.

Respuesta: Q = 518 880 J

10. Un hornillo entrega 500 W (500 J cada segundo) y se aprovecha toda su energía. ¿Cuánto tarda en evaporar 0,1 kg de agua que ya está a 100 °C? (Usa la fórmula de abajo, con P en vatios.)

Respuesta: t = 452 s (7 min 32 s)

Parte II: actividades por tipo de trabajo

Individuales

• Diario de cambios de estado: durante un día, anota cinco cambios de estado que veas en casa y di si absorben o ceden energía.
• Dibuja el modelo: haz una viñeta con partículas de un sólido, un líquido y un gas, con flechas de movimiento.
• Predice y comprueba: formula tu hipótesis y compárala con el simulador PhET.

Colaborativas (en equipo)

• Teatro de partículas: el equipo representa con su cuerpo un sólido, un líquido y un gas; un compañero o compañera sube y baja la «temperatura» con música.
• Duelo de curvas: cada equipo mide la temperatura del hielo mientras se calienta, la dibuja y marca las mesetas; después comparan resultados.
• Mapa conceptual conjunto: relacionen los cinco temas con flechas y palabras de enlace.

Aplicación real (proyecto corto)

Preguntas frecuentes: desmonta los mitos

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