¿Qué ocurre cuando la materia cambia entre un sólido, un líquido y un gas?

Todas las sustancias pasan por transiciones de fase con temperaturas crecientes. A medida que se calientan, la mayoría de los materiales comienzan como sólidos y se funden en líquidos. Con más calor, hierven hasta convertirse en gases. Esto sucede porque la energía de las vibraciones de calor en las moléculas domina las fuerzas que las mantienen unidas. En un sólido, las fuerzas entre moléculas las mantienen en estructuras rígidas. Estas fuerzas se debilitan mucho en líquidos y gases, permitiendo que una sustancia fluya y se evapore.

Los científicos llaman a los sólidos, líquidos y gases las fases de una sustancia. Cuando se derrite, congela, hierve o se condensa, sufre una transición de fase. Aunque muchas sustancias tienen comportamientos de transición de fase similares, cada una tiene un conjunto único de temperaturas y presiones que determinan en qué punto se funde o hierve. Por ejemplo, el gas de dióxido de carbono se congela directamente en hielo seco a menos 109 grados Fahrenheit a presiones normales. Tiene una fase líquida solo a altas presiones.

A medida que calienta un sólido, su temperatura aumenta constantemente. Cada grado de aumento de temperatura requiere aproximadamente la misma cantidad de energía térmica. Sin embargo, una vez que alcanza su punto de fusión, la temperatura permanece estable hasta que toda la sustancia se derrita. Las moléculas necesitan energía extra, llamada calor de fusión, para licuarse. Toda la energía en este punto se destina a convertir la sustancia en líquido. Lo mismo ocurre con los líquidos hirviendo. Requieren energía, llamada calor de vaporización, para hacer la transición a gas. Una vez que toda la sustancia hace la transición, más energía vuelve a elevar la temperatura.

Las fuerzas entre moléculas, incluida la fuerza de dispersión de London y los enlaces de hidrógeno, forman cristales y otras formas sólidas cuando las temperaturas son lo suficientemente bajas. La fuerza de las fuerzas determina la temperatura de fusión. Las sustancias con fuerzas muy débiles se funden a bajas temperaturas; las fuerzas fuertes requieren altas temperaturas. Si aplica suficiente energía térmica, eventualmente todas las sustancias se derriten o hierven.

Los mismos mecanismos que gobiernan la fusión se aplican a la ebullición. Las moléculas de un líquido tienen fuerzas débiles que las mantienen unidas. El calor hace que vibren con fuerza y ​​se alejen del resto. En un líquido en ebullición, algunas moléculas tendrán energías relativamente bajas, la mayoría tendrá un rango promedio de energías y algunas tendrán energías lo suficientemente altas como para escapar del líquido por completo. Con más calor, escapan más moléculas. En la fase gaseosa, ya no hay moléculas unidas entre sí.