Física Ilimitada
Calor latente
El calor latente es la energía asociada con un cambio de fase de una sustancia.
Objetivos de aprendizaje
Describir el calor latente como una forma de energía
Conclusiones clave
Puntos clave
- La energía se requiere para cambiar la fase de una sustancia, como la energía para romper los enlaces entre moléculas en un bloque de hielo para que pueda derretirse.
- Durante un cambio de fase, la energía se agrega o se resta de un sistema, pero la temperatura no cambiará. La temperatura cambiará solo cuando se haya completado el cambio de fase.
- El calor Q se necesita para cambiar la fase de una muestra de masa m está dada por \text{Q}=\text{mL}_{\text{f}} (fusión o de congelación) y \text{Q}=\text{mL}_{\text{v}} (evaporación o condensación), donde Lf y Lv son el calor latente de fusión y el calor latente de vaporización, respectivamente.
Términos clave
- calor latente de fusión: la energía necesaria para hacer la transición de una unidad de una sustancia de sólida a líquida; de forma equivalente, la energía liberada cuando una unidad de una sustancia pasa de líquido a sólido.
- calor latente de vaporización: la energía requerida para la transición de una unidad de una sustancia de líquido a vapor; de forma equivalente, la energía liberada cuando una unidad de una sustancia pasa de vapor a líquido.
- sublimación: la transición de una sustancia de la fase sólida directamente al estado de vapor de modo que no pase a través de la fase líquida intermedia
Calor latente
Anteriormente, hemos discutido el cambio de temperatura debido a la transferencia de calor. No se produce ningún cambio de temperatura por transferencia de calor si el hielo se derrite y se convierte en agua líquida (es decir, durante un cambio de fase). Por ejemplo, considere el goteo de agua de carámbanos que se derriten en un techo calentado por el Sol. Por el contrario, el agua se congela en una bandeja de hielo enfriada por un entorno de temperatura más baja.
Carámbano de fusión: El calor del aire se transfiere al hielo haciendo que se derrita.
Se requiere energía para fundir un sólido porque los enlaces cohesivos entre las moléculas en el sólido deben romperse para que las moléculas puedan moverse a energías cinéticas comparables; por lo tanto, no hay aumento de temperatura. De manera similar, se necesita energía para vaporizar un líquido, porque las moléculas de un líquido interactúan entre sí a través de fuerzas atractivas. No hay cambio de temperatura hasta que se complete un cambio de fase. La temperatura de un vaso de limonada inicialmente a 0 ºC se mantiene a 0 ºC hasta que todo el hielo se haya derretido. Por el contrario, la energía se libera durante la congelación y la condensación, generalmente en forma de energía térmica. El trabajo se realiza mediante fuerzas cohesivas cuando las moléculas se unen. La energía correspondiente debe ser emitida (disipada) para permitirles permanecer juntos.
La energía involucrada en un cambio de fase depende de dos factores principales: el número y la fuerza de los enlaces o pares de fuerzas. El número de enlaces es proporcional al número de moléculas y, por lo tanto, a la masa de la muestra. La fuerza de las fuerzas depende del tipo de moléculas. El calor Q se necesita para cambiar la fase de una muestra de masa m está dada por
\text{Q}=\text{mL}_{\text{f}} (fusión o congelación)
\text{Q}=\text{mL}_{\text{v}} (evaporación o condensación)
donde el calor latente de fusión (Lf, y el calor latente de vaporización, Lv, son constantes del material que se determinan experimentalmente.
Transiciones de fase: (a) Se requiere energía para superar parcialmente las fuerzas de atracción entre moléculas en un sólido para formar un líquido. Esa misma energía debe eliminarse para que se produzca la congelación. (b) Las moléculas están separadas por grandes distancias al pasar del líquido al vapor, lo que requiere una energía significativa para superar la atracción molecular. Se debe eliminar la misma energía para que se produzca la condensación. No hay cambio de temperatura hasta que se complete un cambio de fase.
El calor latente es una propiedad intensiva medida en unidades de J / kg. Tanto el Lf como el Lv dependen de la sustancia, en particular de la fuerza de sus fuerzas moleculares, como se señaló anteriormente. Lf y Lv se denominan colectivamente coeficientes de calor latente. Están latentes, u ocultos, porque en los cambios de fase, la energía entra o sale de un sistema sin causar un cambio de temperatura en el sistema; por lo tanto, en efecto, la energía está oculta. Tenga en cuenta que la fusión y la vaporización son procesos endotérmicos en el sentido de que absorben o requieren energía, mientras que la congelación y la condensación son procesos exotérmicos a medida que liberan energía.
Calentando hielo: Andrew Vanden Heuvel explora el calor latente mientras intenta enfriar su refresco.
Cantidades significativas de energía están involucradas en los cambios de fase. Veamos, por ejemplo, cuánta energía se necesita para fundir un kilogramo de hielo a 0º C para producir un kilogramo de agua a 0°C. Usando la ecuación para un cambio de temperatura y el valor del agua (334 kJ/kg), encontramos que Q=mLf=(1,0 kg)(334kJ/kg)=334kJ es la energía para fundir un kilogramo de hielo. Esto es mucha energía, ya que representa la misma cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de agua líquida de 0 ° C a 79,8 ° C. Se requiere aún más energía para vaporizar el agua; se necesitarían 2256 kJ para cambiar 1 kg de agua líquida en el punto de ebullición normal (100 ° C a presión atmosférica) a vapor (vapor de agua). Este ejemplo muestra que la energía para un cambio de fase es enorme en comparación con la energía asociada con los cambios de temperatura sin un cambio de fase.
Los cambios de fase pueden tener un enorme efecto estabilizador (ver la figura a continuación). Considere agregar calor a una velocidad constante a una muestra de hielo inicialmente a -20 ºC. Inicialmente, la temperatura del hielo aumenta linealmente, absorbiendo calor a una velocidad constante de 0,50 cal/g⋅C hasta que alcanza los 0 ºC. Una vez a esta temperatura, el hielo comienza a derretirse hasta que toda la muestra se haya derretido, absorbiendo un total de 79,8 cal/g de calor. La temperatura permanece constante a 0 ºC durante este cambio de fase. Una vez que todo el hielo se ha derretido, la temperatura del agua líquida aumenta, absorbiendo calor a una nueva tasa constante de 1,00 cal/g⋅C (recuerde que las calores específicas dependen de la fase). A 100ºC, el agua comienza a hervir y la temperatura permanece constante hasta que el agua absorbe 539 cal/g calor para completar este cambio de fase. Cuando todo el líquido se ha convertido en vapor, la temperatura aumenta de nuevo, absorbiendo calor a una velocidad de 0,482 cal / g⋅C.
Calentamiento y Cambios de fase del Agua: Un gráfico de temperatura versus energía añadida. El sistema está construido para que ningún vapor se evapore mientras el hielo se calienta para convertirse en agua líquida, y para que, cuando se produce la vaporización, el vapor permanezca en el sistema. Los largos tramos de valores de temperatura constante a 0ºC y 100ºC reflejan el gran calor latente de fusión y vaporización, respectivamente.
Un cambio de fase que hemos olvidado mencionar hasta ahora es la sublimación, la transición de sólido directamente en vapor. El caso opuesto, donde el vapor se transforma directamente en un sólido, se llama deposición. La sublimación tiene su propio calor latente Ls y se puede usar de la misma manera que Lvand Lf.
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