Termodinámica y estabilidad · Última actualización: 2026-10-16

Fusión y congelación: el papel térmico de cambiar de fase: qué es y cómo se usa

La fusión transforma hielo en agua líquida; la congelación recorre el camino contrario. Ambas intercambian energía y por eso intervienen en nieve, granizo y lluvia que cambia de fase. Conviene empezar con tres preguntas: cuánta masa cambia, de dónde procede la energía y qué temperatura tiene cada material. Este artículo explica ocho balances originales para separar esas preguntas. Salvo el espesor del caso de AEMET, todas las entradas numéricas son educativas. Los resultados calculan necesidades térmicas bajo condiciones declaradas, sin proporcionar automáticamente tiempo de deshielo, tipo de precipitación o una previsión local.

1. La cuenta básica de fundir hielo

Usaremos un calor de fusión aproximado de 334000 J por kilogramo, adecuado como constante educativa cerca de 0 °C. Para 10 g de hielo que ya están a 0 °C, fundirlos por completo requiere 3340 J. Primero convierte 10 g en 0,010 kg y después multiplica por 334000 J/kg. La masa no desaparece: queda la misma masa de agua si el sistema no pierde material. La energía suministrada permite cambiar de fase. No hemos añadido el coste de calentar hielo inicialmente más frío, el recipiente o el entorno. Esa delimitación hace útil la cuenta y evita presentarla como consumo total de cualquier situación.

2. Congelar invierte el intercambio

Si 10 g de agua a 0 °C se convierten completamente en hielo a 0 °C, liberan aproximadamente 3340 J. Para que continúe el proceso, esa energía debe transferirse o almacenarse en otros componentes del sistema. No es una creación de energía. El agua pierde la contribución de entalpía asociada a la diferencia de fase y el receptor gana energía. Tampoco equivale a subir 3340 grados: los julios son energía, mientras que la temperatura depende del material y su capacidad térmica. Una vez completada la congelación, seguir extrayendo energía puede enfriar el hielo, otra etapa del balance.

3. Si el hielo empieza más frío

Ahora los mismos 10 g de hielo parten de−5 °C. Prescribe una capacidad específica constante de 2100 J/(kg K). Llevarlos a 0 °C exige 0,010×2100×5=105 J. Fundirlos después requiere 3340 J adicionales; total 3445 J hasta obtener agua a 0 °C. Son dos operaciones con unidades compatibles. El primer tramo cambia temperatura; el segundo cambia fase. El control inverso resta 3340 del total y recupera 105 J. Se han omitido pérdidas, variación de propiedades y energía del recipiente. Por tanto, el número es una referencia del material descrito, sin representar el consumo eléctrico o el tiempo de una máquina de deshielo.

4. Si el agua comienza templada

Prescribe 10 g de agua a 5 °C y capacidad específica constante de 4180 J/(kg K). Enfriarla hasta 0 °C requiere extraer 209 J. Completar luego la congelación a 0 °C exige extraer otros 3340 J; total 3549 J. El signo de la transferencia depende de si sigues el agua o el entorno: aquí hemos indicado magnitudes de energía retirada del agua. La cuenta presupone que la congelación se inicia y se completa; no predice cuándo aparece el primer cristal. Una temperatura negativa tampoco obliga a que cualquier gota esté congelada: la nucleación y la historia de la partícula importan.

5. Energía insuficiente y mezcla de fases

Entrega 1000 J a 10 g de hielo inicialmente a 0 °C, en un modelo a presión atmosférica, sin pérdidas y con equilibrio entre hielo y agua pura. Se funden 1000/334000≈0,002994 kg, unos 2,994 g. Permanecen aproximadamente 7,006 g de hielo. Mientras ambas fases coexisten bajo esas condiciones, el equilibrio se mantiene cerca de 0 °C. La suma de masas recupera 10 g; multiplicar la masa fundida por 334000 recupera 1000 J. Haber suministrado energía no exige que toda ella aparezca como subida de temperatura. Si faltara energía o masa en el inventario, no podríamos cerrar ese control.

6. Efecto parcial sobre un receptor de aire

Un balance independiente asigna 334 J de fusión de 1 g de hielo a un único receptor con capacidad térmica de 1004 J/K. Si toda la energía sale de ese receptor, su descenso sería 334/1004≈0,333 K. Si recibe la misma energía al congelarse agua, el signo se invierte. Es una contribución aislada con capacidad prescrita, sin resolver equilibrio completo entre aire, agua y hielo. No demuestra ascenso, descenso o viento. Para convertirlo en evolución atmosférica hay que incorporar mezclas, intercambio, presión y otros procesos. El ejemplo ayuda a entender dirección y escala sin atribuir una tormenta a un solo término.

7. Pasar de potencia a masa fundida

Supón 100 W/m² netos durante una hora destinados íntegramente a fundir hielo que ya está a 0 °C. Como una hora tiene 3600 s, la energía es 360000 J/m². Dividir por 334000 J/kg da aproximadamente 1,078 kg/m² fundidos. La palabra netos importa: no se ha usado sin más la radiación solar incidente. El tiempo solo entra porque se ha prescrito una potencia constante y su destino. Si hay calentamiento, pérdidas o menos hielo disponible, cambia la respuesta. Tampoco esta masa informa por sí sola del agua que sale del área: el líquido puede permanecer almacenado o desplazarse.

8. Un caso mediterráneo con datos separados

AEMET informó de 86 cm de nieve en Vilafranca, Castellón, el 21 de enero de 2020 durante Gloria. La nota no aporta aquí densidad ni energía de fusión. Como cálculo propio,0,86 m con densidad hipotética 100 kg/m³ serían 86 kg/m²; con 200 serían 172 kg/m². Suponiendo todo ese hielo a 0 °C, las necesidades de fusión serían 28,724 y 57,448 MJ/m². Esas masas y energías son condicionales: no fueron medidas en el episodio.

9. Cómo utilizarlo en meteorología

Un perfil térmico y la humedad ayudan a investigar qué cambios pueden ocurrir durante la caída, pero no sustituyen masa, tamaño y tiempo de exposición. El agua puede llegar líquida y congelarse sobre una superficie; la nieve puede perder parte de su hielo antes de tocar suelo. Distingue observación de partículas, cálculo energético y acumulación. Una temperatura del aire aislada no cierra los tres problemas.

10. Errores comunes y unidades

Fusión no es evaporación, ni congelación es deposición directa de vapor. Usa kilogramos con J/kg, segundos con vatios y diferencias de temperatura sin sumar 273,15.0 °C equivale a 273,15 K, pero 5 grados de diferencia equivalen a 5 K. Identifica siempre el sistema cuyo balance sigues, la fase inicial y final y los términos omitidos. Así una cifra aproximada conserva un significado claro.

Fuentes y lecturas recomendadas

J+A♾️ · Artículo revisado y ampliado en WikiMeteo.es