Calor de vaporización
El calor latente es la cantidad de energía requerida por una sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). Se debe tener en cuenta que esta energía en forma de calor se invierte para el cambio de fase y no para un aumento de la temperatura.
Latente, en latín, quiere decir escondido, y se llamaba así porque, al no notarse un cambio de temperatura mientras se produce el cambio de fase (a pesar de añadir calor), este se quedaba escondido. La idea proviene de la época en la que se creía que el calor era una sustancia fluida denominada calórico. Por el contrario, el calor que se aplica cuando la sustancia no cambia de fase y aumenta la temperatura, se llama calor sensible.
Cuando se aplica calor a un trozo de hielo, va subiendo su temperatura hasta que llega a 0 °C (temperatura de cambio de estado); a partir de ese momento, aunque se le siga aplicando calor, la temperatura no cambiará hasta que se haya fundido del todo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo. Una vez fundido el hielo la temperatura volverá a subir hasta llegar a 100 °C; desde ese momento, la temperatura se mantendrá estable hasta que se evapore toda el agua.
El concepto fue introducido alrededor de 1762 por el químico escocés Joseph Black.
Esta cualidad se utiliza en la cocina, en refrigeración, en bombas de calor y es el principio por el que el sudor enfría el cuerpo.
Cada sustancia tiene sus propios calores latentes de fusión y vaporización.
Cuando se da el calor latente, es necesario dar también la temperatura a la que se produce, porque, en menor cantidad, también hay evaporación o fusión a otras temperaturas (por ejemplo, la evaporación del sudor en la piel ocurre a temperaturas inferiores a 100 ºC), con valores distintos de calor latente.
El agua tiene un calor de vaporización alto ya que, para romper los puentes de hidrógeno que enlazan las moléculas, es necesario suministrar mucha energía; también tiene un calor de fusión alto. Una de las ventajas del elevado calor de vaporización del agua es que permite a determinados organismos disminuir su temperatura corporal. Esta refrigeración es debida a que, para evaporarse, el agua de la piel (por ejemplo, el sudor) absorbe energía en forma de calor del cuerpo, lo que hace disminuir la temperatura superficial. Otro buen ejemplo del calor latente de vaporización del agua es cuando se riega el suelo: el agua se evapora y absorbe energía, por lo que el ambiente se refresca.
Es importante saber que no todos los sistemas materiales tienen el mismo calor latente, sino que cada sustancia tiene sus propios calores latentes de fusión y vaporización.
Cambios de estado
Normalmente, una sustancia experimenta un cambio de temperatura cuando absorbe o cede calor al ambiente que le rodea. Sin embargo, cuando una sustancia cambia de fase absorbe o cede calor sin que se produzca un cambio de su temperatura. El calor Q que es necesario aportar para que una masa m de cierta sustancia cambie de fase es igual a
donde L se denomina calor latente de la sustancia y depende del tipo de cambio de fase.
Por ejemplo, para que el agua cambie de sólido (hielo) a líquido, a 0ºC se necesitan 334000 J/kg o 334 kJ/kg. Para que cambie de líquido a vapor a 100 ºC se precisan 2260000 J/kg.
Los cambios de estado se pueden explicar de forma cualitativa del siguiente modo:
En un sólido los átomos y moléculas ocupan las posiciones fijas de los nudos de una red cristalina. Un sólido tiene en ausencia de fuerzas externas un volumen fijo y una forma determinada.
Los átomos y moléculas vibran, alrededor de sus posiciones de equilibrio estable, cada vez con mayor amplitud a medida que se incrementa la temperatura. Llega un momento en el que vencen a las fuerzas de atracción que mantienen a los átomos en sus posiciones fijas y el sólido se convierte en líquido. Los átomos y moléculas siguen unidos por las fuerzas de atracción, pero pueden moverse unos respecto de los otros, lo que hace que los líquidos se adapten al recipiente que los contiene pero mantengan un volumen constante.
Cuando se incrementa aún más la temperatura, se vencen las fuerzas de atracción que mantienen unidos a los átomos y moléculas en el líquido. Las moléculas están alejadas unas de las otras, se pueden mover por todo el recipiente que las contiene y solamente interaccionan cuando están muy próximas entre sí, en el momento en el que chocan. Un gas adopta la forma del recipiente que lo contiene y tiende a ocupar todo el volumen disponible.
Un ejemplo clásico en el que se utilizan los conceptos de calor específico y calor latente es el siguiente:
Determinar el calor que hay que suministrar para convertir 1g de hielo a -20 ºC en vapor a 100ºC. Los datos son los siguientes:
Calor específico del hielo ch=2090 J/(kg K)
Calor de fusión del hielo Lf=334000 J/kg
Calor específico del agua c=4180 J/(kg K)
Calor de vaporización del agua Lv=2260000 J/kg
Etapas:
Se eleva la temperatura de 1g de hielo de -20ºC (253 K) a 0ºC (273 K)
Q1=0.001·2090·(273-253)=41.8 J
Se funde el hielo
Q2=0.001·334000=334 J
Se eleva la temperatura del agua de 0º C (273 K) a 100 ºC (373 K)
Q3=0.001·4180·(373-273)=418 J
Se convierte 1 g de agua a 100ºC en vapor a la misma temperatura
Q4=0.001·2260000=2260 J
El calor total Q=Q1+Q2+Q3+Q4=3053.8 J.
Si disponemos de una fuente de calor que suministra una energía a razón constante de q J/s podemos calcular la duración de cada una de las etapas
En la figura, que no se ha hecho a escala, se muestra cómo se va incrementando la temperatura a medida que se aporta calor al sistema. La vaporización del agua requiere de gran cantidad de calor como podemos observar en la gráfica y en los cálculos realizados en el ejemplo.
La figura de abajo, está hecha a escala con el programa Excel de Microsoft, tomando los datos de la tabla Calor, Q Temperatura, T 0 -20 41.8 0 375.8 0 793.8 100 3053.8 100
Medida del calor latente de fusión
Se llena un termo con hielo y se cierra. A través del tapón se pasa un largo tubo de vidrio de pequeña sección S y dos cables que conectan con una resistencia por la que circula una corriente eléctrica que calienta el hielo para convertirlo en agua a 0ºC.
Se añade agua a través del tubo para rellenar la botella y propio el tubo.
En la parte izquierda de la figura, se muestra la situación inicial. En la parte derecha, la situación al cabo de un cierto tiempo t después de conectar la resistencia a una batería.
La resistencia eléctrica calienta el hielo, se funde y el volumen del sistema disminuye, como consecuencia, pasa agua del tubo de vidrio al termo. Medimos la variación de altura del agua en el tubo vertical graduado.
El experimento consiste en medir la energía necesaria para reducir el volumen del sistema en una determinada cantidad a temperatura constante y a presión constante.
En el estado inicial tenemos una masa M de hielo de densidad ρh=0.917 g/cm3 en un volumen V0.
M= ρh·V0
Al cabo de un cierto tiempo t, una masa Δm de hielo se ha convertido en agua de densidad ρa=1.0 g/cm3, El volumen V del sistema disminuye
La variación de volumen, en valor absoluto, es
Para fundir una masa Δm de hielo y convertirla en agua se necesita una cantidad de calor
Q=Lf·Δm
donde Lf es el calor latente de fusión
Al disminuir el volumen del sistema, el agua del tubo vertical entra en el termo, disminuyendo la altura en ΔV=SΔh
Podemos medir el calor Q que suministra la resistencia eléctrica en el tiempo t.
Q=i2·R·t
Medimos la variación de la altura Δh de agua en el tubo de vidrio vertical y despejamos el calor latente de fusión Lf
Ejemplo:
La sección del tubo vertical vale S=0.1782 cm2
La densidad del hielo ρh=0.917 g/cm3
La densidad del agua ρa=1.0 g/cm3
Se precisan Q=13140 J para que el nivel de agua en el tubo vertical disminuya Δh=20 cm. Todos estos procesos se utilizan en la materia que es Es decir es todo aquello que ocupa un sitio en el espacio, se puede tocar, se puede sentir, se puede medir, etc.