3.4: Calor latente y capacidad calorífica

Estas son las propiedades físicas relevantes del agua y su significancia, todas las cuales están moldeadas por los enlaces de hidrógeno entre las moléculas polares de agua:

• Capacidad calorífica (la más alta de todos los sólidos y líquidos excepto NH ₃)
• Calor latente de fusión (más alto excepto NH ₃)
• Calor latente de evaporación (el más alto de todas las sustancias)
• Expansión térmica (en la primera sección mostramos que la temperatura de densidad máxima disminuye con el aumento de la salinidad)
• Conducción de calor (la más alta de todos los líquidos)
• Tensión superficial (la más alta de todos los líquidos)
• Poder de disolución (el “solvente universal” disuelve más sustancias en mayores cantidades que cualquier otro líquido)
• Transparencia (gran absorción de energía radiante)

La capacidad calorífica y el calor latente son propiedades clave que permiten que el agua (los océanos en particular) desempeñe un papel importante en la “regulación” del clima de la Tierra. El agua absorbe la energía solar y la libera lentamente; así, cuerpos de agua más grandes no cambian de temperatura rápidamente. De igual manera, el alto calor latente de vaporización (ver más adelante), indica que cuando el vapor de agua (derivado de la evaporación del agua en la superficie del océano impulsado por la recepción de energía solar a latitudes bajas) se condensa en gotitas de líquido a altas elevaciones o latitudes altas, el calor latente se libera en el medio ambiente. En la Lección 4, examinaremos este papel con más detalle, y ya hemos aludido al hecho de que los grandes lagos pueden ayudar a amortiguar los cambios de temperatura.

Capacidad de Calor

Un resultado directo del enlace de hidrógeno en el agua es la alta capacidad calorífica del agua. Como se señaló, una caloría es la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de 1 g de agua 1 °C La capacidad calorífica del agua en comparación con la de la mayoría de las otras sustancias es grande.

Calores Latentes de Fusión y Vaporización (consulte la figura a continuación)

Estrechamente relacionados con la inusualmente alta capacidad calorífica del agua están su alto calor latente de fusión y el calor latente de vaporización. Un sólido se convierte en un líquido a una temperatura llamada punto de congelación y un líquido se cambia a un gas a una temperatura definida como su punto de ebullición.

Al cambiar el estado de cualquier sustancia, es posible que no haya aumento de temperatura en ese punto donde se produzca un cambio de estado aunque se esté agregando calor continuamente. Toda la energía térmica se está utilizando para romper todos los enlaces (por ejemplo, entre moléculas polares de agua) necesarios para completar el cambio de estado. El calor que se agrega a 1 g de una sustancia en el punto de fusión para romper los enlaces requeridos para completar el cambio de estado de sólido a líquido es el calor latente de fusión. El calor aplicado para efectuar un cambio de estado en el punto de ebullición es el calor latente de vaporización. La cantidad de calor requerida para convertir 1 g de hielo en 1 g de agua, 80 Cal, se denomina calor latente de fusión, y es mayor para el agua que para cualquier otra sustancia que ocurre comúnmente. La cantidad de calor requerida para convertir el agua en vapor, 540 Cal, se denomina calor latente de vaporización. La figura ilustra la entrada de energía a una masa dada de agua que comienza como hielo muy frío y la trayectoria de temperatura que toma esa masa de agua con el aporte continuo de calor. El camino desde la condensación hasta el enfriamiento y la formación de hielo devuelve energía al ambiente.

Tensión superficial

Junto al mercurio, el agua tiene la tensión superficial más alta de todos los líquidos que ocurren comúnmente. La tensión superficial es una manifestación de la presencia del enlace de hidrógeno. Aquellas moléculas de agua que están en la superficie son fuertemente atraídas por las moléculas de agua debajo de ellas por sus enlaces de hidrógeno. Si se disminuye el diámetro del recipiente, la combinación de cohesión, que mantiene unidas las moléculas de agua, y la atracción adhesiva entre las moléculas de agua y el recipiente de vidrio tirarán de la columna de agua a grandes alturas. A este fenómeno se le conoce como capilaridad. Esto es, en parte, lo que permite que las plantas se pongan de pie, cuando se pierde demasiada agua por la evapo-transpiración, se marchitan.

Crédito: wt.kimiq.com (el enlace es externo)

Capacidad calorífica y cambios de fase y calor latente.