La presión y la temperatura deciden la fase de una sustancia
El hielo, el agua y el vapor no son sustancias distintas. Son el mismísimo H2O, solo que en formas diferentes según la presión y la temperatura. Arrastra el punto por el diagrama de fases. Sube la temperatura o baja la presión y la misma sustancia pasa de sólido a líquido, de líquido a gas. Este mapa es el diagrama de fases. El eje horizontal es la temperatura, el vertical es la presión, y el plano se divide en regiones de sólido, líquido y gas. Sobre las líneas que separan una región de otra, dos fases existen juntas, y hay incluso un único punto donde se encuentran las tres regiones. Este mapa encierra todo sobre cuándo una sustancia se congela y cuándo hierve.
El diagrama de fases es un mapa con dos ejes: temperatura a lo ancho, presión hacia arriba. Arrastra el punto por el plano. La región en la que cae te dice en qué fase está la sustancia bajo esas condiciones. El frío de alta presión, arriba a la izquierda, es sólido; el centro es líquido; el calor de baja presión, abajo a la derecha, es gas. Subir solo la temperatura funde un sólido, y bajar solo la presión puede hacer hervir un líquido. La clave es que la fase depende de las condiciones, no del tipo de sustancia. La misma agua hierve antes de llegar a 100 grados en lo alto de una montaña, porque la baja presión de allí desplaza la frontera de ebullición en el diagrama. Al revés, una olla a presión sella la tapa y sube la presión de dentro para que el agua hierva solo por encima de los 100 grados, y esa agua más caliente cocina la comida más rápido.
Ahora fíjate en las líneas que separan las regiones. Usa los botones para elegir una frontera cada vez. La línea entre sólido y líquido es la línea de fusión; sobre ella, el hielo y el agua existen juntos. Entre líquido y gas está la línea de vaporización, donde el agua y el vapor coexisten. También hay una línea de sublimación donde el sólido se encuentra directamente con el gas: es el hielo seco volviéndose vapor sin fundirse. Sobre una frontera, dos fases conviven en equilibrio. Y donde las tres líneas se juntan en un solo punto está el punto triple, donde sólido, líquido y gas coexisten a la vez. Para cada sustancia, la temperatura y la presión de este punto triple están fijadas en un único valor exacto. El punto triple del agua es tan reproducible con exactitud que celdas selladas de punto triple sirven de referencia fija para calibrar termómetros.
Ahora un diagrama P-v, dibujado con presión y volumen. Mira la cúpula redondeada del centro. Dentro de esta cúpula está la región de saturación, el tramo donde líquido y vapor están mezclados. Usa el control para aumentar el volumen. Fuera de la cúpula a la izquierda hay líquido comprimido, dentro hay una mezcla de líquido y vapor juntos, y fuera a la derecha hay vapor sobrecalentado. Dentro de la cúpula, la fracción ocupada por el vapor se llama título. El borde izquierdo es título 0, líquido saturado que apenas empieza a hervir, y el borde derecho es título 1, vapor saturado que se ha evaporado por completo. La cima, donde se encuentran las curvas izquierda y derecha de la cúpula, es el punto crítico, que dejamos para la última escena. Esta cúpula y el título importan sobre todo en las centrales eléctricas, donde el vapor húmedo que aún lleva gotas de líquido tiene un título bajo y puede erosionar los álabes de la turbina, así que los ingenieros vigilan justo este título.
Mira lo que pasa durante la ebullición. Cuando el agua hierve en una olla, por más que subas la llama, la temperatura del agua no sube más allá de los 100 grados. Usa el control para arrastrar cuánto ha avanzado la evaporación. El líquido se convierte en vapor poco a poco, y sin embargo la temperatura y la presión se mantienen. El calor que añades no sube la temperatura; se gasta por entero en arrancar moléculas del líquido y pasarlas al gas. Esto se llama calor latente. Así que mientras la fase cambia, el proceso es a la vez isotermo e isóbaro. Solo el volumen crece, y mucho. En el diagrama P-v esto aparece como una línea plana que cruza la cúpula. Por eso justamente el termómetro no se mueve hasta que toda el agua hirviendo se ha evaporado. Este mismo calor latente es lo que hace que el sudor te refresque: al evaporarse, arranca ese calor latente de tu piel y te deja más fresco.
La última parada es la cima de la cúpula, el punto crítico. Usa el control para subir la temperatura. Cuanto más sube, más corto se vuelve el tramo plano que cruza la cúpula, el tramo donde líquido y gas son distintos. A la temperatura crítica, ese tramo se encoge hasta un solo punto. Ese punto es el punto crítico. Pasa de esta temperatura y presión y ocurre algo notable: la distinción entre líquido y gas desaparece por completo. No hay frontera de ebullición, y no puedes decir dónde acaba el líquido y dónde empieza el gas. Este estado se llama fluido supercrítico. Es denso como un líquido y a la vez se expande libremente como un gas. Por eso el punto crítico es también donde termina la frontera de ebullición en el diagrama de fases. Este estado supercrítico tiene un uso real: el dióxido de carbono supercrítico se cuela en los granos de café como un gas y a la vez disuelve la cafeína como un líquido, y así se descafeina el café.