9.2: Cambio de Estado

Según mi diccionario, la palabra “latente” significa “presente o existente y capaz de desarrollo pero no manifiesto”.

En un líquido en su punto de congelación hay presente o existente algo de calor, el cual es capaz de desarrollarse pero no se manifiesta. Es decir, el líquido guarda secretamente algo de calor latente. Cuando el líquido se congela, cede este calor latente a su entorno. El calor ahora se manifiesta.

Definición: El calor latente de congelación de una cantidad de líquido en su punto de congelación es el calor que se le da a su entorno cuando se congela. Su unidad SI es el joule.

Asimismo, definimos el calor latente específico y el calor latente molar de un líquido en su punto de congelación como el calor que se da cuando la masa unitaria, o una cantidad molar, respectivamente, se congela. Las unidades SI son J kg ⁻¹ y J kilomol ⁻¹ respectivamente.

Un número angustiosamente grande de personas usa las palabras “calor latente” cuando significan “calor latente específico”. Así, cuando lees o escuchas las palabras “calor latente” hay que estar en guardia para decidir si esto es realmente lo que se quiere decir, o si se pretende “calor latente específico”.

El calor latente de fusión de un cuerpo sólido en su punto de fusión es el calor requerido para fundirlo. Esto es igual al calor que se da cuando el líquido se congela, de manera que, numéricamente, los calores latentes de congelación y de fusión (fusión) son los mismos, aunque de alguna manera la palabra “latente” parece menos apropiada para congelar, porque estás suministrando calor al sólido, en lugar de ver que el calor latente está siendo liberado por un líquido. Si lo prefieres podrías referirte al “calor latente” de la fusión simplemente como el “calor de fusión” —o como la “entalpía de fusión”.

Así mismo tenemos un calor latente de condensación de un vapor en su punto de condensación, y el calor latente de vaporización de un líquido en su punto de ebullición. Estos son iguales en magnitud. También podemos definir los calores latentes específicos y molares de condensación y vaporización. El término calor latente de transformación servirá para cubrir los cuatro procesos. El símbolo L (con subíndices apropiados si es necesario) se puede utilizar para cualquiera de los calores latentes de transformación.

El calor latente específico de fusión de hielo a presión atmosférica es de aproximadamente 3.36 × 105 J kg ⁻¹ o aproximadamente 80 cal g ⁻¹.

El calor latente específico de vaporización del agua a presión atmosférica es de aproximadamente 2.27 × 106 J kg ⁻¹ o aproximadamente 540 cal g ⁻¹.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Se mezclan 70 g de hielo a 0 ^o C con 150 g de agua a 100 ^o C. ¿Cuál es la temperatura final? (Lo hago 43º C.)

Solución

A regañadientes, por una vez, trabajaremos en calorías y gramos, y por supuesto la capacidad calorífica específica del agua es de aproximadamente 1 caloría por gramo por grado Celsius. El calor requerido para fundir los 70 g de hielo, y luego elevar su temperatura de 0 ^o C a t ^o C es de 70 × 80 + 70 t calorías. Este calor es suministrado por el agua caliente, que se enfría de 100 ^o C a t ^o C, es de 150% (100 − t) calorías. Equiparar los dos produce t = 43 ^o C.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Supongamos que aplicas 2.27 × 10 ⁶ J de energía a un kilogramo de agua, pero, en lugar de usar esa energía para vaporizar el agua, la usas para elevar el agua del suelo. ¿Qué tan alto sobre el suelo podrías levantarlo con esta energía? Puede que te sorprenda — ¡sin duda me sorprendió! Si tuvieras que usar la energía, no para vaporizar el agua, y no para elevarla sobre el suelo, sino para tirarla, ¿qué tan rápido, en millas por hora, podrías tirarla?

Para muchos líquidos existe una correlación muy aproximada entre el calor latente molar de vaporización y el punto de ebullición a presión atmosférica, estando la relación L/T generalmente en el rango de 70,000 a 100,000 J kmol ⁻¹ K ⁻¹.

Un último punto antes de proceder. Generalmente solo son los sólidos cristalinos (incluidos los metales) los que tienen un punto de fusión bastante definido. Las sustancias amorfas como los plásticos y el vidrio generalmente cambian de sólido a líquido en un rango de temperatura bastante grande. En efecto, no es obvio cuándo dejar de llamar a tal sustancia un sólido y comenzar a llamarla líquida. Algunos escritores describirían al vidrio como un “líquido” incluso cuando tiene todas las apariencias obvias de un sólido. Véase también la Sección 6.4 para una discusión más a este respecto. Las mezclas, aleaciones y soluciones, también, no tienen un punto de fusión tan definido como un sólido cristalino, y una solución salina no tiene un punto de ebullición tan definido (a una presión dada) como lo hace un líquido puro. Así, una solución salina en agua a presión de una atmósfera hierve a una temperatura un poco superior a 100 °C. Cuando parte del agua hierve, la solución restante está un poco más concentrada, por lo que el punto de ebullición se vuelve un poco más alto, y así sucesivamente.