El documento describe las propiedades del agua en sus tres estados - sólido, líquido y gaseoso - y el equilibrio entre ellos. Explica que el agua puede encontrarse como hielo por debajo de 0°C, como agua líquida entre 0-100°C, y como vapor por encima de 100°C. También describe cómo la temperatura y presión de ebullición y fusión varían con la presión, y cómo el agua alcanza el equilibrio entre sus fases.

1. La importancia del agua en la ingeniería difícilmente puede ser
exagerada, ya que aparece en toda clase de aplicaciones. En el campo
de la termodinámica técnica, es el componente esencial de las
máquinas de vapor, entre otras aplicaciones.
A modo de introducción, en este artículo se comentan algunas de las
propiedades de esta sustancia. En especial, sus aspectos
termodinámicos de su fase líquida, de su fase gaseosa y del estado de
equilibrio entre ambas.
2 Fases del agua
En sus estados más habituales, el agua se presenta en tres formas: una
sólida (hielo), una líquida (llamada simplemente agua) y una gaseosa
(vapor de agua). No son los únicos estados posibles, ya que existen
diferentes formas de hielo, según como cristalice.
A una presión ambiente de 101 kPa (1 atm), el agua se encuentra en
forma de hielo por debajo de la temperatura de fusión 273.15 K
(0.00°C) y de agua por encima de esta temperatura hasta la
temperatura de ebullición 373.13K (99.98°C). Por encima de esta
temperatura se encuentra en forma de vapor de agua.
La temperatura de fusión y la de ebullición son funciones de la presión.
 A una presión mayor la temperatura de ebullición se eleva. Así, a
una presión de 400 kPa, la temperatura de ebullición es de 417 K
(144°C). Este es el principio de las ollas a presión, que consiguen
alcanzar una mayor temperatura en forma líquida.
 La temperatura de fusión depende mucho menos de la presión. El
agua es excepcional respecto a la mayoría de las sustancias en
cuanto a que al aumentar la presión la temperatura de fusión
disminuye (normalmente aumenta). Este es el principio que permite
patinar sobre hielo. El hielo no es para nada resbaladizo. Sin
embargo, al ejercerse una presión sobre él se forma una fina capa
de agua que permite el deslizamiento.
Una mezcla de agua y hielo a la temperatura de fusión se encuentra en
equilibrio térmico. Ni el hielo se derrite, ni el agua se congela.
Asimismo, a la temperatura de ebullición, el agua se encuentra en
equilibrio térmico con el vapor de agua.
Existe una presión a la cual la temperatura de fusión y la de ebullición
se igualan. A la presión de 611.73 Pa (6.11 mbar) y la temperatura de
273.16 K se produce el equilibrio térmico entre las tres fases. A este
punto se lo conoce como punto triple del agua.

2. 3 Propiedades del agua
Si tenemos una cantidad de agua (líquida) a una cierta temperatura y la
presión a la que se encuentra es superior a la que produciría ebullición
a esa temperatura, se dice que es un líquido comprimido (ya que la
presión exterior la mantiene en estado líquido) o líquido
subenfriado (ya que se encuentra por debajo de su temperatura de
ebullición).
Esta es la situación habitual entre 0°C y 100°C a la presión de una
atmósfera. A esta presión, el agua tiene una densidad que es
aproximadamente igual a 1000 kg/m³. Esta densidad, no obstante,
depende ligeramente de la temperatura
T(°C) ρ (kg/m³) T(°C) ρ (kg/m³) T(°C) ρ (kg/m³)
0.01 999.8 35 994.1 70 978
5 1000 40 992.3 75 975
10 999.7026 45 990.2 80 972
15 999.1026 50 988 85 968
20 998.2071 55 986 90 965
25 997.0479 60 983 95 962
30 995.6502 65 980 100 958

3. De esta tabla y esta gráfica, salta a la vista otra propiedad del agua que
la hace diferente al resto de sustancias: la densidad no disminuye
monótonamente, sino que tiene un máximo. Esto quiere decir que, en
general el agua caliente es más ligera que el agua fría y por tanto,
tenderá a ir hacia la superficie, pero a temperaturas próximas a 0°C la
tendencia se invierte y el agua más caliente es más pesada que la fría.
El máximo de densidad se alcanza a 4ºC. Esto es lo que se conoce
como anomalía térmica del agua.
Esta propiedad permite que el agua de un lago no se congele por
completo. Si no hubiera anomalía, el agua más caliente quedaría en la
superficie, donde se iría enfriando, cayendo al fondo y siendo sustituida
por agua caliente, que se enfriaría a su vez, etc, hasta que todo
quedara congelado. Al existir la anomalía esto no se produce porque el
agua más caliente se queda abajo y el calor solo se pierde por
conducción y no por convección, lo que es mucho más lento.
A partir de estos valores puede hallarse el coeficiente de dilatación
volumétrica
que a 4°C se anula y a 20°C vale

4. El agua es un líquido que se puede tratar como incompresible, ya que su
coeficiente de compresibilidad es extremadamente pequeño. A 20°C y
100 kPa
o, equivalentemente, su módulo de compresibilidad es
Esto quiere decir que para rangos ordinarios de presiones puede
suponerse que el volumen (o la densidad) dependen exclusivamente de
la temperatura, pero que incluso esta dependencia es pequeña.
El agua posee un calor específico que también es función de la
temperatura pero que, de nuevo, varía poco en el el rango de 0°C a
100°C, siendo su valor
4 Propiedades del vapor de agua
Por encima de la temperatura de ebullición, el agua se encuentra en
forma gaseosa. Al ser la temperatura superior a Tb, se dice que el vapor
está sobrecalentado.
El vapor de agua no siempre se puede tratar como un gas ideal, ya que
la cohesión entre sus moléculas provoca que se aleje de la hipótesis de
gas ideal (que supone que las partículas no interactúan entre sí). No
obstante, para altas temperaturas y bajas presiones (comparadas con
las de saturación) se puede hacer esta aproximación, al menos como
primera estimación de los resultados.
La densidad del vapor de agua en el punto de ebullición a una
atmósferas es, según esta aproximación
Dado que la densidad de masa del agua líquida a esta presión y
temperatura es de 958.4 kg/m³ resulta que en el equilibrio térmico el
agua es 1630 veces más densa que el vapor de agua.
5 Equilibrio agua-vapor

5. Cuando consideramos posibles situaciones con agua y vapor de agua (no
consideramos el hielo) tenemos tres posibilidades: que tengamos solo
agua, que tengamos un equilibrio de agua y vapor, o que tengamos solo
vapor.
El criterio que nos permite establecer cuál de las tres situaciones se va
a dar lo da la curva de saturación. Esta curva da la temperatura de
ebullición como función de la presión (o viceversa):
psat(kPa)
0 0.6105
5 0.8722
10 1.228
20 2.338
30 4.243
40 7.376
50 12.33
60 19.92
70 31.16
80 47.34
90 70.10
100 101.3
Esta una tabla experimental a la cual se puede ajustar con bastante
aproximación una curva casi exponencial
(p en kPa, T en °C)

6. Para una presión dada, si la temperatura es menor a la de saturación
tenemos solo agua en la fase líquida (luego veremos que no es
exactamente así). Se dice que tenemos agua subenfriada. Si la
temperatura es superior a la de saturación tenemos vapor
sobrecalentado. A la temperatura de saturación se produce equilibrio de
fases y térmico entre las dos fases, que se dicen saturadas (o que
tenemos una mezcla saturada).
Para entender el papel de la curva de saturación consideraremos tres
situaciones: Un recipiente hermético rígido solo con agua; un recipiente
solo con agua cerrado por un pistón; y un recipiente abierto al aire.
 Si tenemos un recipiente rígido en el que se ha hecho el vacío
absoluto y posteriormente se introduce agua sin llenarlo por
completo, se produce rápidamente la formación de vapor, ya que
algunas moléculas tienen energía suficiente para abandonar la fase
líquida. Este proceso se detiene cuando se alcanza la saturación.
Cuando la presión y la temperatura son las de saturación se produce
el equilibrio de fases. Cualquier nueva molécula que escapa del
agua es compensada por una que vuelve a ella.

7.  Si tenemos el mismo recipiente pero ahora en vez de ser rígido está
cerrado por un émbolo y desde fuera aplicamos una presión
exterior pext (la atmosférica, por ejemplo), superior a la de
saturación a la temperatura del sistema, la presión del vapor que se
forma no es capaz de soportar el émbolo, empujado desde fuera,
por lo que este impide la formación del vapor y tenemos solo agua
subenfriada. Si se formara una burbuja en el líquido lo haría a la
presión de saturación a esa temperatura. Puesto que la presión
exterior es superior, la burbuja no puede llegar a formarse.
Si ahora en este mismo recipiente vamos subiendo la temperatura
hasta que la presión de saturación correspondiente iguale a la
presión exterior, entonces el vapor es ya capaz de compensar la
presión exterior y permanecer en forma gaseosa. Es más,
cualquier burbuja que se forme en el interior del líquido lo hace
también a esa presión, por lo que no desaparece, sino que por el
principio de Arquímedes se ve empujada hacia arriba. El agua
pasa a la forma gaseosa de forma turbulenta, burbujeando. Se
dice que ha entrado en ebullición. Por eso la temperatura de
ebullición es la misma que la de saturación.
 En el caso de un recipiente abierto al aire tenemos dos
posibilidades: que el agua esté en equilibrio o que no lo esté. Si está
en equilibrio, se debe a que en el aire existe una cierta cantidad de
vapor de agua, de forma que la presión parcial (es decir, la parte de
la presión total debida al vapor de agua) iguala a la presión de
saturación a esa temperatura. Por ejemplo, a 20 °C, y 101.3 kPa, la
presión de saturación (o presión de vapor, como se llama en este
contexto) es de 2.3 kPa. Puesto que la total es de 101.3 kPa, la
proporción de moléculas de agua debe ser un 2.3% del total de
moléculas del aire. Se dice que tenemos aire húmedo saturado, con
una humedad relativa del 100%. Con esta humedad relativa,
cualquier nueva molécula que escape del agua es compensada con
una que vuelve a ella y se mantiene la situación de equilibrio.
Si el aire que ejerce la presión exterior está seco, o tiene una
presión parcial inferior a la de saturación (o, dicho de otra forma,
con una humedad relativa inferior al 100%), entonces no hay
equilibrio de fases. Las moléculas que escapan del agua no se
compensan por otras que vuelven, por lo que el líquido va
pasando gradualmente a la fase gaseosa sin ebullición. Se dice
que tenemos evaporación. Esta es la razón porque los charcos y la
ropa se secan expuestos al aire seco, pero no si hay mucha
humedad en el aire. ¿De qué sirve que le de el sol a la ropa? La
radiación solar no está en equilibrio térmico, sino que se

8. encuentra a una temperatura muy superior y proporciona más
energía a las moléculas para que escapen al aire, acelerando el
proceso. Pero de nuevo, si el aire está saturado, tampoco así se
secaría la ropa.
6 Diagrama V-T y p-V
Si representamos en una gráfica como varía el volumen de una cierta
cantidad de agua al aumentar la temperatura a una presión constante
obtenemos tres tramos (no consideramos la presencia del hielo):
Para temperaturas por debajo de la de saturación, tenemos agua
subenfriada y el volumen varía muy ligeramente por efecto de la
temperatura. Hay dilatación volumétrica, pero esta es pequeña. Esto se
representa por una línea que es casi vertical.
Cuando se alcanza la temperatura de saturación (o de ebullición) el
agua comienza a convertirse en vapor. Puesto que el vapor es mucho
menos denso que el agua (la densidad del vapor de agua a 1 bar y 100°C
es de 0.6kg/m³, mientras que la densidad del agua es 960kg/m³, del
orden de 2000 veces la del vapor), el volumen aumenta al producirse el
cambio de fase. Durante este proceso no se modifica la temperatura.
Varía la cantidad de agua y de vapor, pero siguen en equilibrio térmico.
El tramo correspondiente en la gráfica es una línea horizontal.
En este tramo tenemos la mezcla saturada. Pasamos de 100% de agua
líquida (y 0% de vapor) en el extremo izquierdo a 100% de vapor de agua
en el extremo derecho. Para un punto intermedio habrá una cierta
proporción de cada fase. Se denomina calidad (o título) del vapor a la

9. fracción molar del vapor de agua en la mezcla. Así un vapor con un
título del 80% quiere decir que el 80% de los moles son de vapor de agua
y el 20% de agua líquida. Dado que el vapor y el agua tienen el mismo
peso molecular, la calidad también equivale a la fracción de masa de
vapor. En general, la calidad puede calcularse observando que las
propiedades extensivas, como el volumen varían linealmente con la
fracción molar
siendo VL el volumen ocupado si hay un 100% de agua y Vv su valor si hay
un 100% de vapor. En lugar del volumen pueden usarse otras
propiedades extensivas como la energía interna o la entropía.
El estudio de la calidad de vapor es importante porque en una turbina
no interesa que al enfriarse el vapor se formen gotitas de agua que
dañan la estructura. Interesa entonces que el vapor esté a una
temperatura superior a la de saturación, es decir, esté sobrecalentado.
Llega un momento en que todo el agua se convierte en vapor. A partir
de ahí, ya el comportamiento es el de un gas, aunque no ideal.
Tenemos vapor sobrecalentado. Para que el vapor de agua pueda
tratarse como un gas ideal es necesario que su temperatura sea muy
alta o su presión muy baja. No obstante, la ecuación del gas ideal sirve
para dar una estimación de los resultados.
Si consideramos la misma gráfica pero para una presión superior
obtenemos una nueva isobara por encima de la que teníamos, ya que la
temperatura de saturación aumenta con la presión. Vemos que es menor
la diferencia entre los volúmenes ocupados por el agua saturada (a
punto de entrar en ebullición) y el vapor saturado (cuando justo todo el
agua se ha convertido en vapor). Los dos puntos se van acercando hasta
que se llega al llamado punto crítico, a partir del cual el agua se
convierte en vapor sin que haya un cambio de fase, sino una variación
continua.

10. Si trazamos la gráfica de las isotermas, considerando la variación del
volumen con la presión obtenemos una curva similar. A la izquierda
tenemos el líquido comprimido o subenfriado, en el cual las isotermas
son casi verticales, pues el agua es prácticamente incompresible. Luego
sigue una recta horizontal,, mientras se produce el cambio de fase a
presión constante. Cuando se completa esta y solo tenemos vapor
sobrecalentado, el comportamiento es aproximadamente hiperbólico,
como diría la ley de Boyle.
La dependencia conjunta entre presión, volumen y temperatura puede
representarse como una superficie en tres dimensiones. La tres vistas
corresponden a los tres tipos de gráfica: V-T (planta), p-V (alzado) y p-T

11. (perfil). En esta gráfica, el punto triple se ve como una línea triple, ya
que para una misma presión y temperatura puede haber diferentes
volúmenes, según la proporción de hielo, agua y vapor que tengamos.