FASE: Distinta función operacional durante un ciclo.

Sustancias y cambio de fase

Los cambios de fase de la materia describen las transformaciones físicas entre los estados sólido, líquido y gaseoso como consecuencia del intercambio de energía, principalmente en forma de calor. Durante estos procesos no se altera la composición química de la sustancia, sino la distancia y movilidad de sus partículas. La fusión convierte un sólido en líquido, mientras que el congelamiento produce el proceso inverso. La evaporación transforma un líquido en gas y la condensación revierte ese cambio. La sublimación permite el paso directo de sólido a gas, y la deposición ocurre cuando un gas se convierte directamente en sólido. Estos fenómenos son fundamentales en física, química, meteorología e ingeniería.

Todas las sustancias pueden existir en tres fases diferentes: sólido, líquido y vapor. El agua es un ejemplo clásico de una sustancia que utilizamos casi todos los días en sus tres fases. Para el agua, estas tres fases tienen nombres específicos, lo que puede resultar algo confuso al utilizarla como modelo. A la forma sólida la llamamos hielo, a la forma líquida simplemente la llamamos agua, y a la forma de vapor la llamamos vapor.

• 1. Sólido. (Solid)
• 2. Líquido. (Liquid)
• 3. Gaseoso. (Gaseous)
• 4. Fusión. (Melting / Fusion)
• 5. Congelamiento. (Freezing / Solidification)
• 6. Evaporación. (Evaporation)
• 7. Condensación. (Condensation)
• 8. Sublimación. (Sublimation)
• 9. Deposición (sublimación inversa). (Deposition)
• 10. Cambio de fase. (Phase change)
• 11. Intercambio de calor. (Heat exchange)
• 12. Estados de la materia. (States of matter)

Lo que es común en estas tres fases es que las moléculas de agua permanecen inalteradas. Es decir, el hielo, el agua y el vapor, todos tienen la misma fórmula química: H₂O. Sin embargo, lo que cambia es la disposición y la energía de las moléculas. En la fase sólida (hielo), las moléculas están organizadas en una estructura rígida y ocupan menos espacio. En la fase líquida (agua), las moléculas están más dispersas y se mueven con mayor libertad, permitiendo que el agua fluya. En la fase de vapor, las moléculas se separan aún más, moviéndose rápidamente, lo que les permite ocupar un volumen mucho mayor.

Cuando una sustancia pasa de un estado a otro, esto implica un cambio en la energía interna del sistema, lo que puede ocurrir de diferentes maneras dependiendo de la sustancia y las condiciones externas. Este proceso se conoce como cambio de fase y ocurre debido a la variación de temperatura y/o presión.

Cuando una sustancia pasa del estado sólido a la fase líquida, el proceso de transición se llama fusión. La fusión ocurre cuando la sustancia recibe calor, lo que aumenta la energía cinética de las moléculas y les permite superar las fuerzas de atracción que las mantienen unidas en la estructura sólida. Por ejemplo, el hielo comienza a derretirse a 0°C, lo que significa que las moléculas de agua en el hielo están ganando suficiente energía para liberarse de la estructura rígida y pasar al estado líquido.

Si el calor continúa siendo aplicado a la sustancia líquida, se alcanzará un punto en el que las moléculas tienen suficiente energía para escapar de la fase líquida y entrar en la fase de vapor. Este proceso se llama ebullición (o evaporación). La ebullición ocurre a una temperatura específica para cada sustancia, llamada punto de ebullición. Para el agua, este punto es a 100°C bajo condiciones normales de presión. En este proceso, las moléculas de agua reciben suficiente energía para superar la atracción entre ellas y escapar como vapor, lo que provoca la formación de burbujas de gas dentro del líquido.

Cuando se va en la dirección opuesta, llevando una sustancia del vapor a la fase líquida, el proceso de transición se llama condensación. La condensación ocurre cuando el vapor pierde calor, lo que reduce la energía de las moléculas y permite que se agrupe nuevamente en la forma líquida. Este proceso es observable cuando el vapor de agua se enfría y forma gotas de agua, como en los vidrios de una ventana durante una mañana fría.

Finalmente, cuando una sustancia pasa del estado líquido al sólido, el proceso de transición se llama congelación o solidificación. Durante la congelación, las moléculas pierden energía y se organizan en una estructura ordenada y más compacta, lo que resulta en un sólido. En el caso del agua, esta transición ocurre a 0°C, lo que da lugar a la formación de hielo.

Además de estos cambios básicos de fase, existen otros fenómenos como la sublación y la desublimación. La sublimación es el proceso mediante el cual una sustancia pasa directamente de la fase sólida a la fase de vapor, sin pasar por el estado líquido, como ocurre con el hielo seco (dióxido de carbono sólido). La desublimación, por otro lado, es el proceso inverso, en el que el vapor se convierte directamente en sólido, como cuando la nieve se forma a partir de vapor de agua en la atmósfera.

En resumen, los cambios de fase son un fenómeno fundamental en la ciencia, y su comprensión es clave para muchas aplicaciones cotidianas y procesos industriales, desde la congelación de alimentos hasta el diseño de sistemas de refrigeración y calefacción.

Términos relacionados destacados :

• Calor de fusión (Fusion heat)
• Calor de vaporización (Vaporization heat)
• Calor (Heat)
• Calor específico (Specific heat)
• Calor latente (Latent heat)
• Condensación (Condensation)
• Cristalización (Crystallization)
• Depósito (Deposition)
• Ebullición (Boiling)
• Energía interna (Internal energy)
• Entalpía (Enthalpy)
• Evaporación (Evaporation)
• Fase (Phase)
• Fusión (Fusion)
• Humedad (Humidity)
• Ionización (Ionization)
• Punto de ebullición (Boiling point)
• Punto de congelación (Freezing point)
• Punto de fusión (Melting point)
• Punto crítico (Critical point)
• Presión de vapor (Vapor pressure)
• Sublimación (Sublimation)
• Temperatura crítica (Critical temperature)
• Temperatura de congelación (Freezing temperature)
• Temperatura de ebullición (Boiling temperature)
• Temperatura de fusión (Melting temperature)
• Transición de fase (Phase transition)
• Vapor (Vapor)

Es importante destacar que el calor latente es la cantidad de energía necesaria para cambiar el estado de una sustancia sin variar su temperatura. Por ejemplo, el calor latente de fusión es la energía requerida para fundir una sustancia, mientras que el calor latente de vaporización es la energía necesaria para vaporizarla. Estos conceptos son esenciales en la termodinámica y en la ingeniería de procesos térmicos.

Además, la presión de vapor es la presión ejercida por un vapor en equilibrio con su fase condensada a una temperatura dada. Este concepto es crucial para entender fenómenos como la ebullición y la evaporación, ya que la ebullición ocurre cuando la presión de vapor del líquido iguala la presión atmosférica.

La comprensión de estos términos y procesos es esencial en diversas aplicaciones científicas y tecnológicas, incluyendo la ingeniería química, la meteorología y la física de materiales.

(fase). Refiriéndose a una magnitud sinusoidal, ángulo variable que corresponde a su representación como una sinusoide.

(fase). Posición angular de una onda alterna respecto de un punto de referencia en el ciclo.

Fase, ángulo de fase y diferencia de fase

La fracción de ciclo que ha transcurrido desde que una corriente o voltaje ha pasado por un punto de referencia (normalmente 0°) se denomina fase o ángulo de fase.
Phase or phase angle: The fraction of a cycle that has elapsed since a current or voltage passed a reference point (usually 0°).

Más frecuentemente, los términos fase o diferencia de fase se utilizan para comparar dos o más voltajes o corrientes alternos de la misma frecuencia que alcanzan sus valores cero y máximos en diferentes instantes.
Phase difference: Used to compare two or more AC voltages or currents of the same frequency that reach zero and peak values at different times.

Fig. (A) Voltajes en fase; (B) la corriente adelanta al voltaje en 90°; (C) dos voltajes en oposición de fase.
Fig. (A) Voltages in phase; (B) current leads the voltage by 90°; (C) two voltages in phase opposition (180° out of phase).

Casos típicos de relación de fase

• En fase: dos señales pasan por cero y alcanzan sus máximos al mismo tiempo.
  In phase: Two signals cross zero and reach their maximum values simultaneously.
  \[ \phi = 0^\circ \]
• Desfasadas 90°: una señal adelanta o atrasa un cuarto de ciclo respecto de la otra.
  90° out of phase: One signal leads or lags the other by one quarter cycle.
  \[ \phi = 90^\circ = \frac{\pi}{2} \]
• Oposición de fase: los máximos de una coinciden con los mínimos de la otra.
  180° out of phase (opposition): The peak of one waveform coincides with the minimum of the other.
  \[ \phi = 180^\circ = \pi \]

Resistencia pura

En un circuito puramente resistivo, el voltaje y la corriente están en fase; sus máximos y mínimos ocurren simultáneamente.
Pure resistive circuit: Voltage and current are in phase and their peaks and zero crossings occur at the same time.

Ecuaciones instantáneas:
Instantaneous equations:

No existe desfase entre ambas magnitudes.
No phase shift exists between voltage and current.

Diferencia de fase matemática

La diferencia angular entre dos señales puede calcularse como:
The angular difference between two signals is given by:

donde:
\( \omega \) = velocidad angular (rad/s)
\( \Delta t \) = diferencia temporal

where: \( \omega \) = angular velocity (rad/s); \( \Delta t \) = time difference.

Interpretación física

Cuando la corriente adelanta al voltaje, el circuito es capacitivo; cuando la corriente atrasa, el circuito es inductivo.
When current leads voltage the circuit is capacitive; when current lags voltage the circuit is inductive.

CA en inductancia pura - AC in pure inductance

Si bien toda inductancia práctica tiene la resistencia del bobinado, de interés se considera una inductancia pura.
Although every practical inductor has winding resistance, for analysis it is treated as a pure inductance.

Debido a que la fem de autoinducción en una bobina se opone a cualquier cambio en la corriente, una inductancia en un circuito de CA ejerce un efecto continuo de choque sobre la corriente, reduciendo su magnitud y atrasándola 90° (1/4 de ciclo) respecto del voltaje aplicado.
Because the self-induced emf in a coil opposes any change in current, an inductance in an AC circuit continuously opposes the current, reducing its magnitude and causing it to lag the applied voltage by 90° (one quarter cycle).

La oposición al paso de la corriente se llama reactancia inductiva (XL) y está dada por:
The opposition to current flow is called inductive reactance (XL) and is given by:

La corriente en una inductancia pura es:
The current in a pure inductance is:

(donde I atrasa a E en 90°).
(where current lags voltage by 90°).

Problema 1 - Problem 1

¿Cuál es la magnitud de la corriente (rms) que circula en una bobina de 5 H conectada a 220 V, 50 Hz?
What is the magnitude of the rms current in a 5-H choke connected to 220 V, 50 Hz?

CA en capacidad pura - AC in pure capacitance

Un condensador conectado a una fuente de CA se carga alternativamente en direcciones opuestas y permite la circulación de corriente alterna.
A capacitor connected to an AC source alternately charges in opposite directions and therefore allows alternating current to flow.

La corriente está limitada por la reactancia capacitiva (XC):
The current is limited by capacitive reactance (XC):

En un circuito capacitivo la corriente adelanta al voltaje en 90°.
In a capacitive circuit the current leads the voltage by 90°.

Problema 2 - Problem 2

Un voltaje de 220 V, 60 Hz se aplica a un condensador de 25 μF. Determinar la corriente.
A voltage of 220 V, 60 Hz is applied to a 25 μF capacitor. Determine the current.

o directamente:
or directly: