Diagrama de fases
El hielo, el agua y el vapor no son sustancias distintas. Son el mismo H2O en una forma distinta según la presión y la temperatura. Arrastra el punto en el diagrama de fases y la misma sustancia pasa de sólido a líquido y de líquido a gas cuando subes la temperatura o bajas la presión. Este mapa es el diagrama de fases. El eje horizontal es la temperatura, el vertical la presión, y el plano se parte en regiones de sólido, líquido y gas. En la frontera que separa región de región las dos fases existen juntas, y hay un sitio donde las tres regiones se encuentran en un punto. Este único mapa guarda cuándo una sustancia se hiela y cuándo hierve.
Un diagrama de fases es un mapa de dos ejes, la temperatura a lo ancho y la presión hacia arriba. Arrastra el punto por el plano y la región donde se sienta te dice qué fase tiene la sustancia en esa condición. El lado frío y de alta presión arriba a la izquierda es sólido, el medio es líquido, y el lado caliente y de baja presión abajo a la derecha es gas. Subir solo la temperatura puede fundir un sólido, y bajar solo la presión puede hervir un líquido, así que lo que importa es que la fase depende de la condición y no del tipo de sustancia. La misma agua hierve antes de llegar a 100 grados en una montaña alta, porque la baja presión de allí ha movido la frontera de ebullición en el diagrama. Una olla a presión, al revés, cierra la tapa fuerte y sube la presión de dentro para que el agua tenga que pasar 100 grados antes de hervir, y el agua más caliente cocina más deprisa.
Ahora mira las fronteras que separan las regiones. Elige las fronteras una a una con los botones. En la línea de fusión entre sólido y líquido, el hielo y el agua están juntos, y en la línea de vaporización entre líquido y gas, el agua y el vapor están juntos. También hay una línea de sublimación donde el sólido encuentra el gas directo, y el hielo seco que pasa a vapor sin fundirse es eso. En una frontera las dos fases coexisten en equilibrio, y el sitio donde las tres fronteras se encuentran en un punto es el punto triple, donde sólido, líquido y gas coexisten juntos. Para cada sustancia la temperatura y la presión de este punto triple quedan fijadas como una. El punto triple del agua sale igual siempre que lo midas y donde lo midas, así que una celda sellada que reproduce el punto triple se usa como referencia para calibrar un termómetro.
Ahora el diagrama P-v dibujado con presión y volumen. Una cúpula se alza en el medio, y el interior de esta cúpula es la región de saturación, el tramo donde líquido y gas están mezclados. Aumenta el volumen con el control y el exterior a la izquierda de la cúpula es líquido comprimido, el interior es una mezcla de líquido y vapor juntos, y el exterior a la derecha es vapor sobrecalentado. Dentro de la cúpula la fracción que ocupa el vapor se llama calidad. El extremo izquierdo es calidad 0, líquido saturado que acaba de empezar a hervir, y el extremo derecho es calidad 1, vapor saturado del todo evaporado. La cima donde se encuentran la curva izquierda y la derecha de la cúpula es el punto crítico, y eso se trata en la última escena. Esta cúpula y la calidad importan sobre todo en una central, porque el vapor húmedo con gotas de líquido que quedan tiene una calidad baja y come los álabes de la turbina, así que los técnicos miran de cerca esta calidad.
Mira qué pasa mientras algo hierve. Cuando el agua hierve en una olla, por alto que pongas el fuego la temperatura del agua no sube de 100 grados, y arrastrar cuánto ha avanzado la evaporación muestra el líquido volviéndose vapor mientras la temperatura y la presión se quedan iguales. El calor que añades no se gasta en subir la temperatura. Se gasta entero en sacar moléculas del líquido y hacerlas gas, y esto se llama calor latente. Así mientras cambia la fase el proceso es isotermo e isóbaro y solo el volumen crece mucho, y en el diagrama P-v este proceso se muestra como una línea plana que cruza el interior de la cúpula. Por esto un termómetro no se mueve hasta que el agua hirviendo se ha evaporado toda. El calor latente también te enfría, porque el sudor se lleva tanto calor latente de la piel al evaporarse y sientes fresco.
Lo último es la cima de la cúpula, el punto crítico. Sube la temperatura con el control y cuanto más alta la temperatura, más corto el tramo plano que cruza la cúpula, el tramo donde líquido y gas se distinguen, hasta que en la temperatura crítica se encoge a un punto. Este punto es el punto crítico. Pasada esta temperatura y presión pasa algo llamativo. La distinción entre líquido y gas desaparece del todo. No hay frontera de ebullición, y no puedes decir dónde acaba el líquido y dónde empieza el gas. Este estado se llama un fluido supercrítico, denso como un líquido y libre de extenderse como un gas. Así el punto crítico es también donde acaba la frontera de ebullición en el diagrama de fases. Este estado supercrítico se usa de verdad. El dióxido de carbono supercrítico se mete en un grano de café como un gas y disuelve la cafeína como un líquido, y se usa para quitar la cafeína del café.