Solidificación
La solidificación es el cambio de estado de líquido a sólido que se produce al perder energía térmica.
La solidificación es el cambio de estado en el que una sustancia pasa de líquido a sólido al perder energía térmica. Ocurre a una temperatura característica, el punto de solidificación, que coincide con el punto de fusión, y libera al entorno una cantidad de calor llamada calor latente de fusión.
¿Qué es la solidificación?
El nombre procede del latín solidus («firme, compacto») y el sufijo -ficare, «hacer». En un líquido, las partículas se mueven y se deslizan unas sobre otras. Al enfriarse pierden energía cinética, las fuerzas de atracción dominan y las partículas quedan ancladas en posiciones fijas alrededor de las cuales solo vibran. Si ese orden es periódico, se forma un sólido cristalino; si es desordenado, se forma un sólido amorfo o vidrio.
Es el proceso inverso de la fusión. A una presión dada, una sustancia pura se funde y se solidifica a la misma temperatura. Para el agua a presión normal, esa temperatura es de 0 °C. No debe confundirse con la licuefacción ni con la condensación, que parten de un gas.
Cómo ocurre
- Enfriamiento del líquido: la temperatura baja hasta alcanzar el punto de solidificación.
- Nucleación: aparecen pequeños grupos ordenados de partículas, los núcleos, a partir de impurezas o paredes del recipiente.
- Crecimiento: los núcleos crecen y las partículas se van incorporando a la red.
- Meseta de temperatura: mientras queda líquido, la temperatura se mantiene constante, porque el calor que se extrae es el calor latente.
- Enfriamiento del sólido: una vez solidificado todo, la temperatura vuelve a bajar.
A veces un líquido muy puro y en reposo puede enfriarse por debajo de su punto de solidificación sin cristalizar, estado llamado sobreenfriamiento. Cualquier perturbación puede provocar entonces una solidificación súbita.
Calor latente de solidificación
La energía liberada al solidificar una masa m es:
donde Lf es el calor latente de fusión (el mismo valor, con el signo contrario, que se absorbe al fundir). Se mide en J/kg. Es la base del estudio del calor y de la temperatura en los cambios de estado.
| Sustancia | Punto de solidificación (°C) | Lf aproximado (kJ/kg) |
|---|---|---|
| Agua | 0 | 334 |
| Aluminio | 660 | 397 |
| Plomo | 327 | 23 |
| Mercurio | −39 | 11 |
Un caso particular es el agua: al solidificar se expande aproximadamente un 9 %, por lo que el hielo (unos 917 kg/m³) flota sobre el agua líquida y las tuberías pueden reventar si se congelan.
Ejemplos y aplicaciones
- Congelación de alimentos: el agua de los tejidos pasa a hielo y frena el desarrollo de microorganismos.
- Fundición de metales: el metal fundido se vierte en moldes y solidifica con la forma deseada.
- Soldadura: el metal de aportación fundido se solidifica y une las piezas.
- Fabricación de vidrio, chocolate y velas: el material fluido se enfría hasta quedar rígido.
- Formación de rocas ígneas: el magma se enfría y cristaliza lentamente (granito) o con rapidez (basalto).
- Impresión 3D: el material fundido se deposita capa a capa y se solidifica al instante.
Para ver el panorama completo, consulta los estados del agua y la diferencia entre sólido, líquido y gaseoso, así como las propiedades del sólido y del líquido.
Ejercicios resueltos
1. ¿Cuánto calor se libera al solidificar 2 kg de agua a 0 °C? (Lf = 334 kJ/kg)
Q = m·Lf = 2 · 334 = 668 kJ.
2. Se enfrían 500 g de agua de 20 °C hasta convertirlos en hielo a 0 °C. ¿Cuánto calor hay que extraer? (c = 4180 J/kg·K)
Enfriar el líquido: 0,5 · 4180 · 20 = 41 800 J. Solidificar: 0,5 · 334 000 = 167 000 J. Total = 208 800 J (≈ 209 kJ).
3. ¿Qué calor desprenden 3 kg de aluminio fundido al solidificar a 660 °C? (Lf = 397 kJ/kg)
Q = 3 · 397 = 1191 kJ (≈ 1,19 MJ).
Preguntas frecuentes
¿Qué diferencia hay entre solidificación y congelación?
Son el mismo proceso: paso de líquido a sólido. Se usa «congelación» cuando la sustancia es agua u otro líquido que en la vida diaria se enfría con frío, y «solidificación» en general, por ejemplo para metales o cera.
¿Se absorbe o se libera calor al solidificar?
Se libera. El líquido cede al entorno el calor latente de fusión para que sus partículas se ordenen.
¿Por qué la temperatura permanece constante durante la solidificación?
Porque el calor que se extrae no baja la temperatura sino que se emplea en reorganizar las partículas. Hasta que no solidifica todo, la temperatura se mantiene en el punto de solidificación.
¿Cuál es el proceso contrario a la solidificación?
La fusión, en la que un sólido pasa a líquido al absorber calor.
¿Por qué el hielo flota?
Porque el agua se expande al solidificar y el hielo es menos denso que el agua líquida, unos 917 frente a 1000 kg/m³.
Referencias
- Çengel, Y. A. y Boles, M. A. Termodinámica. McGraw-Hill.
- Serway, R. A. y Jewett, J. W. Física para ciencias e ingeniería. Cengage Learning.
- Callister, W. D. Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales. Reverté.
Cómo citar este artículo
Equipo de Conceptualia. (2023). «Solidificación». Conceptualia. https://conceptualia.es/ciencias-naturales/fisica/solidificacion/
