Estados del agua
El agua existe de forma natural como hielo, agua líquida y vapor, y pasa de uno a otro según la temperatura y la presión.
El agua es la única sustancia común que existe de forma natural en la Tierra en los tres estados de la materia: sólido (hielo), líquido (agua) y gaseoso (vapor de agua). Pasar de uno a otro depende de la temperatura y de la presión, y cada cambio de estado absorbe o libera una gran cantidad de energía. Esa capacidad es clave para el clima, la vida y buena parte de la tecnología.
¿Cuáles son los estados del agua?
En condiciones normales de presión (1 atm, nivel del mar), el agua es sólida por debajo de 0 °C, líquida entre 0 °C y 100 °C, y gaseosa por encima de 100 °C. La molécula, H₂O, es polar y forma enlaces de hidrógeno con las vecinas; la intensidad de esos enlaces y la agitación térmica de las moléculas determinan el estado.
Agua sólida: el hielo
En el hielo, las moléculas se ordenan en una red cristalina hexagonal abierta, con vibraciones en posiciones fijas. Esa estructura deja huecos, por lo que el hielo ocupa alrededor de un 9 % más de volumen que el agua líquida y tiene menor densidad (unos 917 kg/m³ frente a unos 1 000 kg/m³). Por eso flota y los lagos se congelan de arriba hacia abajo, lo que permite que la vida siga en el fondo durante el invierno. El agua es, además, un caso excepcional: su densidad máxima como líquido se alcanza a unos 4 °C.
Existen varias formas cristalinas de hielo a presiones y temperaturas extremas, pero el hielo que conocemos es el hielo Ih.
Agua líquida
En el estado líquido, las moléculas se mueven unas sobre otras, rompiendo y formando enlaces de hidrógeno continuamente. El líquido adopta la forma del recipiente y es casi incompresible. Algunas propiedades notables son:
- Elevado calor específico, de 4,186 kJ/(kg·K), que le permite regular la temperatura de océanos y organismos.
- Gran poder disolvente, por su carácter polar.
- Tensión superficial alta (unos 0,072 N/m a 20 °C).
Agua gaseosa: el vapor
En el vapor de agua las moléculas están muy separadas y se mueven libremente. El vapor es invisible: lo que vemos al hervir una olla, o en una nube, son gotitas de agua líquida ya condensadas. Una parte del agua pasa a vapor a cualquier temperatura mediante evaporación, pero la ebullición, con formación de burbujas en todo el volumen, solo ocurre al alcanzar el punto de ebullición, que baja con la altitud al disminuir la presión.
Cambios de estado
| Cambio | Paso | Energía |
|---|---|---|
| Fusión | sólido → líquido (0 °C) | absorbe |
| Solidificación | líquido → sólido (0 °C) | libera |
| Vaporización | líquido → gas (100 °C) | absorbe |
| Condensación | gas → líquido | libera |
| Sublimación | sólido → gas | absorbe |
| Deposición | gas → sólido | libera |
Durante un cambio de estado la temperatura permanece constante: la energía se emplea en romper o formar enlaces, no en aumentar la agitación de las moléculas. Esa energía por unidad de masa es el calor latente.
Datos clave del agua
| Magnitud | Valor |
|---|---|
| Calor latente de fusión | 334 kJ/kg |
| Calor latente de vaporización (100 °C) | 2 257 kJ/kg |
| Calor específico del hielo | ≈ 2,1 kJ/(kg·K) |
| Calor específico del agua líquida | 4,186 kJ/(kg·K) |
| Calor específico del vapor | ≈ 2,0 kJ/(kg·K) |
| Punto triple | 0,01 °C y 611,66 Pa |
| Punto crítico | 373,9 °C y 22,06 MPa |
En el punto triple coexisten en equilibrio los tres estados. Por encima del punto crítico, el agua se vuelve un fluido supercrítico en el que ya no se distingue líquido de gas.
Influencia de la presión
La temperatura de ebullición depende de la presión: en una olla a presión, a unas 2 atm, el agua hierve a cerca de 120 °C, y en la cima del Everest, con poco más de un tercio de la presión del nivel del mar, hierve a unos 70 °C. Por eso los alimentos tardan más en cocerse en la montaña. La fusión también depende de la presión, aunque de forma mucho más leve: a mayor presión, el hielo funde a una temperatura ligeramente inferior.
Importancia y ciclo del agua
El ciclo hidrológico es un recorrido continuo entre estados: la radiación solar evapora agua de océanos y suelos, el vapor se eleva y se condensa en nubes, y las precipitaciones devuelven el agua como lluvia, nieve o granizo. Los cambios de estado transportan enormes cantidades de energía en forma de calor latente, motor de tormentas y huracanes. El hielo de glaciares y casquetes polares, a su vez, almacena la mayor parte del agua dulce del planeta.
Ejercicios resueltos
1. ¿Qué energía se necesita para fundir 2 kg de hielo que ya está a 0 °C? (L_f = 334 kJ/kg)
Q = m·L_f = 2 kg · 334 kJ/kg = 668 kJ.
2. ¿Cuánto calor hace falta para calentar 1 kg de agua desde 20 °C hasta 100 °C? (c = 4 186 J/(kg·K))
Q = m·c·ΔT = 1 · 4 186 · 80 = 334 880 J ≈ 335 kJ.
3. ¿Cuánta energía se necesita para evaporar 0,5 kg de agua que ya hierve a 100 °C? (L_v = 2 257 kJ/kg)
Q = m·L_v = 0,5 · 2 257 = 1 128,5 kJ ≈ 1,13 MJ. Evaporar el agua cuesta casi siete veces más energía que fundir la misma masa de hielo.
Preguntas frecuentes
¿Por qué el hielo flota en el agua?
Porque al congelarse las moléculas forman una red hexagonal abierta que ocupa más volumen. Con la misma masa y mayor volumen, el hielo tiene menor densidad (unos 917 kg/m³) que el agua líquida (cerca de 1 000 kg/m³).
¿A qué temperatura hierve el agua?
A 100 °C a nivel del mar (1 atm). La temperatura de ebullición disminuye al bajar la presión, de modo que en las montañas el agua hierve a menos de 100 °C.
¿Es visible el vapor de agua?
No. El vapor es un gas transparente. Lo que se ve sobre una taza caliente o en las nubes son microgotas de agua líquida formadas por condensación.
¿Existe un cuarto estado del agua?
El plasma, un gas ionizado, aparece si se calienta mucho el vapor, pero no ocurre de forma natural en la Tierra salvo en fenómenos como los rayos. También existen estados a presiones extremas, como el agua supercrítica o diversas fases de hielo.
¿Cambia la temperatura mientras el hielo se funde?
No. Mientras haya hielo y agua en equilibrio, la mezcla permanece a 0 °C, porque el calor absorbido se emplea en romper los enlaces de la red cristalina.
Referencias
- Ball, P. H₂O: A Biography of Water. Weidenfeld & Nicolson.
- Tipler, P. A. y Mosca, G. Física para la ciencia y la tecnología. Reverté.
- Serway, R. A. y Jewett, J. W. Física para ciencias e ingeniería. Cengage Learning.
Cómo citar este artículo
Equipo de Conceptualia. (2026). «Estados del agua». Conceptualia. https://conceptualia.es/ciencias-naturales/fisica/estados-del-agua/
