¿Por qué la temperatura de una sustancia permanece constante durante un cambio de fase?

La temperatura no es más que una forma de evaluar la energía interna del sistema. Cuando la energía aumenta, la temperatura aumenta. Pero cuando ocurre una transición de fase, la energía adicional se gasta en la ruptura de enlaces u otros fenómenos similares, por lo que la temperatura sigue siendo la misma.

Imagine que agrega un poco más de temperatura al sistema, digamos agregando un poco de agua caliente en un balde de agua helada. El calor (energía en movimiento) fluirá para romper los enlaces moleculares en el hielo hasta que el sistema alcance el equilibrio. Hasta que todo el hielo se derrita, la temperatura de equilibrio está restringida al punto de fusión del hielo.

Si este no fuera el caso, puede imaginar una situación en la que quede algo de hielo pero la temperatura del agua a su alrededor aumente muy por encima de 0C. El sistema obviamente no está en equilibrio. De hecho, hacerlo aumentaría la entropía y está prohibido por la segunda ley. No tiene ningún sentido proponer calentar gradualmente un bloque de hielo homogéneo hasta que algún tiempo después quede algo de hielo y el resto sea vapor. Puede hacerlo agregando calor más rápido de lo que puede conducir a la superficie, digamos con un pulso láser o microondas, pero luego el sistema no está en equilibrio.

La razón por la que esto sucede es que, en lugar de que el calor llene a los termiones, se están creando más termiones. Un thermion es algo que responde a kT, por lo que cuando el agua pasa al vapor, se crean modos adicionales de excitación y el calor se dirige hacia ellos.

No sucede simultáneamente. Del agua a 32 F, el mismo calor para hacer hielo a 32 F, con un cambio de signo, lo enviaría a 176 F. Si solo tira 72 grados, entonces tiene la mitad de agua, la mitad de hielo.

Esa es la temperatura que las dos fases pueden coexistir, el intercambio de calor se realiza solo para cambiar el estado de la fase.