Explicación de por qué el hielo se derrite en el agua

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El agua normalmente se produce como un líquido, aunque en las regiones polares existe en forma sólida. Una persona sedienta pone unos cubitos de hielo en un vaso de agua. Si el vaso se deja por más de unos pocos minutos, el hielo se derrite. A continuación, el agua fría se calienta a temperatura ambiente. Ten en cuenta que el hielo no se calienta. En su lugar, cambia la estructura entre las moléculas y se derrite; cambia de "fase".

Punto de fusión

Cada sustancia estable puede existir en al menos tres formas: sólido, líquido y gas. Los sólidos se convierten en líquidos cuando alcanzan una temperatura denominada punto de fusión. Los líquidos se convierten en gases cuando alcanzan un punto de ebullición. Los sólidos no se convierten en líquidos y los líquidos no se convierten en sólidos de forma instantánea. Más bien, ocurren "transiciones de fase". Una transición de fase es un cambio en la arquitectura molecular, es decir, en la forma en las que las moléculas individuales se alinean como un cuerpo colectivo, un trozo de hielo, un charco de agua, una nube de vapor. Tal vez sea más simple de entender las transiciones de las fases de fusión y de ebullición, considerando primero sus opuestos: condensación y congelación.

Condensación

Las moléculas gaseosas de agua tienen libertad para moverse, con muy poca interferencia entre sí. Éstas no están unidas. Esto es debido a que contienen suficiente energía para superar las atracciones electrostáticas entre las moléculas. Si la temperatura disminuye, las moléculas de gas tienen menos energía y velocidad para poder mantener su libertad. En su lugar, las fuerzas de atracción las acercan las unas a las otras. A medida que la energía de calor continúa siendo eliminada, eventualmente las atracciones se vuelven demasiado potentes, y la fase de gas se sustituye por la fase líquida. Cada molécula tiene ahora sólo un poco de independencia; conserva cierta fluidez.

Congelación

Cuanto más energía calórica se extrae del agua fría, su temperatura desciende hasta que alcanza la proximidad del punto de congelación. La extracción de pequeños incrementos de energía térmica en este punto no bajan la temperatura. Más bien, fuerza a las moléculas de líquido a alinearse en una superficie sólida rígida y cristalina, la configuración de energía más baja para el agua. Después de que se haya completado, la eliminación de la energía adicional de nuevo disminuye la temperatura. El hielo puede ser enfriado por debajo de su punto de congelación sin cambio estructural adicional.

La inversión del proceso

En un sistema de dos fases de hielo en el agua, las moléculas de agua proporcionan calor al hielo ligeramente más frío, que lo absorbe. La energía adicional induce un cambio de fase, permitiendo que las moléculas de hielo escapen de su configuración de energía más baja y formen el agua líquida. A medida que el calor externo es proporcionado por el entorno, es absorbido por el aumento del volumen de agua, el cual repite el proceso hasta que no quede hielo. Sin embargo, más calentamiento eleva la temperatura de sistema monofásico actual que consiste únicamente de agua líquida.