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13.3: Cambio de Fase y Calor Latente

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    objetivos de aprendizaje

    • Describir el calor latente como una forma de energía

    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 agua que gotea 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 entornos de baja temperatura.

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    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; así, no hay aumento en la temperatura. De igual manera, se necesita energía para vaporizar un líquido, porque las moléculas en 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 en 0 ºC hasta que todo el hielo se haya derretido. Por el contrario, la energía se libera durante la congelación y condensación, generalmente en forma de energía térmica. El trabajo se realiza mediante fuerzas cohesivas cuando las moléculas se juntan. La energía correspondiente debe ser desprendida (disipada) para que puedan 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 fuerza. 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 requerido para cambiar la fase de una muestra de masa m viene dado por

    \(\mathrm{Q=mL_f}\)(fusión o congelación)

    \(\mathrm{Q=mL_v}\)(evaporar o condensar)

    donde el calor latente de fusión, Lf, y el calor latente de vaporización, L v, son constantes materiales que se determinan experimentalmente.

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    Transiciones de fase: (a) Se requiere energía para superar parcialmente las fuerzas de atracción entre las moléculas en un sólido para formar un líquido. Esa misma energía debe ser eliminada para que se produzca la congelación. (b) Las moléculas se separan por grandes distancias al pasar de líquido a vapor, requiriendo energía significativa para superar la atracción molecular. Se debe eliminar la misma energía para que tenga lugar 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 L f como L v dependen de la sustancia, particularmente de la fuerza de sus fuerzas moleculares como se señaló anteriormente. L f y L v se denominan colectivamente coeficientes de calor latente. Están latentes, u ocultas, porque en los cambios de fase, la energía entra o sale de un sistema sin provocar un cambio de temperatura en el sistema; así, en efecto, la energía se oculta. Tenga en cuenta que la fusión y vaporización son procesos endotérmicos en el sentido de que absorben o requieren energía, mientras que la congelación y la condensación son procesos exotérmicos ya que liberan energía.

    Calentando el 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 derretir un kilogramo de hielo a 0º C y producir un kilogramo de agua a 0°C. Usando la ecuación para un cambio de temperatura y el valor para el agua (334 kJ/kg), encontramos que Q=MLF= (1.0kg) (334kJ/kg) =334kJ es la energía para derretir 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 0ºC a 79.8ºC. 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 (100ºC 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 a los cambios de temperatura sin un cambio de fase.

    Los cambios de fase pueden tener un enorme efecto estabilizador (ver figura abajo). Considera agregar calor a velocidad constante a una muestra de hielo inicialmente a -20 ºC. Inicialmente la temperatura del hielo sube linealmente, absorbiendo calor a una velocidad constante de 0.50 cal/GC hasta alcanzar 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 sube, absorbiendo calor a una nueva tasa constante de 1.00 cal/GC (recuerde que los calores específicos dependen de la fase). A 100ºC, el agua comienza a hervir y la temperatura vuelve a permanecer constante hasta que el agua absorbe 539 cal/g de calor para completar este cambio de fase. Cuando todo el líquido se ha convertido en vapor, la temperatura vuelve a subir, absorbiendo calor a una velocidad de 0.482 cal/GC.

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    Calentamiento y Cambios de Fase del Agua: Un gráfico de temperatura versus energía agregada. El sistema se construye de manera que ningún vapor se evapore mientras el hielo se calienta para convertirse en agua líquida, y de manera que, cuando se produce la vaporización, el vapor permanece dentro del 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 descuidado mencionar hasta ahora es la sublimación, la transición del sólido directamente en vapor. El caso opuesto, donde las transiciones de vapor directamente a un sólido, se llama deposición. La sublimación tiene su propio calor latente L s y se puede utilizar de la misma manera que L v y L f.

    Puntos Clave

    • Se requiere energía para cambiar la fase de una sustancia, como la energía para romper los enlaces entre las moléculas en un bloque de hielo para que pueda derretirse.
    • Durante un cambio de fase la energía mi ser sumada o restada de un sistema, pero la temperatura no va a cambiar. La temperatura cambiará solo cuando se haya completado el cambio de fase.
    • El calor Q requerido para cambiar la fase de una muestra de masa m viene dado por\(\mathrm{Q=mL_f}\) (fusión o congelación) y\(\mathrm{Q=mL_v}\) (evaporación o condensación), donde\(\mathrm{L_f}\) y\(\mathrm{L_v}\) son el calor latente de fusión y el calor latente de vaporización, respectivamente.

    Términos Clave

    • calor latente de fusión: la energía requerida para la transición de una unidad de una sustancia de sólido a líquido; equivalentemente, 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; equivalentemente, 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 tal manera que no pasa por la fase intermedia, líquida

    LICENCIAS Y ATRIBUCIONES

    CONTENIDO CON LICENCIA CC, COMPARTIDO PREVIAMENTE

    CC CONTENIDO LICENCIADO, ATRIBUCIÓN ESPECÍFICA

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