Diagrama de fases del agua: punto crítico, punto triple y comportamiento con temperatura y presión

Diagrama de fases: comportamiento del agua y conceptos clave

Según las condiciones de temperatura, presión y composición, un sistema puede encontrarse en fase sólida, líquida o gaseosa. Las variables en un diagrama de fases son las variables de estado, habitualmente T, P y alguna concentración.

Zonas y curvas del diagrama

Se observan tres zonas, que corresponden a agua sólida (hielo), líquida y vapor. Las líneas que separan estas zonas corresponden a situaciones de equilibrio sólido‑líquido, líquido‑vapor y sólido‑vapor. En cada zona, el número de grados de libertad es dos.

En cualquiera de las curvas, al haber dos fases en equilibrio, el número de grados de libertad es uno; es decir, T y P no son independientes.

Comportamiento frente a variaciones de temperatura y presión

Si se calienta agua líquida a una cierta presión, al llegar a la temperatura de la curva empieza a hervir. Si se comprime vapor de agua, a una determinada temperatura, al llegar a la presión correspondiente a la curva, empieza a condensarse. Esto último es cierto siempre que la temperatura sea inferior a la llamada temperatura crítica, característica de cada sustancia. Por encima de la temperatura crítica una sustancia en fase vapor no puede condensarse por aumento de la presión. La presión necesaria para provocar la condensación a esa temperatura se llama presión crítica. El estado determinado por la temperatura y presión crítica se llama punto crítico.

Puntos característicos: fusión, ebullición y punto triple

Al calentar hielo a la presión de 1 atm, al llegar a 0 °C se alcanza la curva de equilibrio sólido‑líquido; es decir, se alcanza la temperatura de fusión y el hielo empieza a fundir. Entre 0 °C y 100 °C se tiene agua líquida, y a esta última temperatura se alcanza la curva de equilibrio líquido‑vapor y el agua hierve. A partir de 100 °C se tiene vapor de agua. En el punto en el que coinciden las tres curvas, se encuentran en equilibrio las tres fases: sólida, líquida y gaseosa. Este punto se llama punto triple y en él el número de grados de libertad es cero. La unidad de temperatura absoluta en termodinámica es el kelvin (K).

Liofilización (secado por congelación)

El diagrama de fases permite entender la liofilización. Se trata de un procedimiento para eliminar prácticamente toda la humedad de una sustancia sólida. Consta de dos etapas:

• Primera etapa: se enfría la sustancia desde las condiciones del laboratorio hasta una temperatura a la cual todos los restos de humedad se congelan. La presión se mantiene constante en esta etapa.
• Segunda etapa: se conecta el recipiente que contiene la sustancia a una bomba de vacío, de forma que se produzca el paso directo de agua sólida a vapor (sublimación).

Las dos etapas se: