17.11: Calores de Vaporización y Condensación
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Los recursos naturales para la generación de energía eléctrica han sido tradicionalmente cascadas, petróleo, carbón o energía nuclear. Se están realizando investigaciones para buscar otras fuentes renovables para hacer funcionar los generadores. Los sitios geotérmicos (como los géiseres) están siendo considerados por el vapor que producen. Las capacidades se pueden estimar conociendo la cantidad de vapor que se libera en un momento dado en un sitio en particular.
Calor de Vaporización y Condensación
La energía se absorbe en el proceso de convertir un líquido en su punto de ebullición en un gas. Al igual que con el punto de fusión de un sólido, la temperatura de un líquido hirviendo permanece constante y la entrada de energía pasa a cambiar el estado. El calor molar de vaporización\(\left( \Delta H_\text{vap} \right)\) de una sustancia es el calor absorbido por un mol de esa sustancia a medida que se convierte de un líquido a un gas. A medida que un gas se condensa en un líquido, se libera calor. El calor molar de condensación\(\left( \Delta H_\text{cond} \right)\) de una sustancia es el calor liberado por un mol de esa sustancia a medida que se convierte de un gas a un líquido. Dado que la vaporización y condensación de una sustancia dada son los procesos exactamente opuestos, el valor numérico del calor molar de vaporización es el mismo que el valor numérico del calor molar de condensación, pero de signo opuesto. En otras palabras,\(\Delta H_\text{vap} = -\Delta H_\text{cond}\).
Cuando\(1 \: \text{mol}\) de agua a\(100^\text{o} \text{C}\) y la\(1 \: \text{atm}\) presión se convierte en\(1 \: \text{mol}\) de vapor de agua a\(100^\text{o} \text{C}\),\(40.7 \: \text{kJ}\) de calor se absorbe de los alrededores. Cuando\(1 \: \text{mol}\) de vapor de agua\(100^\text{o} \text{C}\) se condensa a agua líquida en\(100^\text{o} \text{C}\),\(40.7 \: \text{kJ}\) de calor se libera en los alrededores.
\[\begin{array}{ll} \ce{H_2O} \left( l \right) \rightarrow \ce{H_2O} \left( g \right) & \Delta H_\text{vap} = 40.7 \: \text{kJ/mol} \\ \ce{H_2O} \left( g \right) \rightarrow \ce{H_2O} \left( l \right) & \Delta H_\text{cond} =-40.7 \: \text{kJ/mol} \end{array}\nonumber \]
Otras sustancias tienen diferentes valores para sus calores molares de fusión y vaporización; estas sustancias se resumen en la siguiente tabla.
| Sustancia | \(\Delta H_\text{fus}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\) | \(\Delta H_\text{vap}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\) |
|---|---|---|
| Amoníaco\(\left( \ce{NH_3} \right)\) | \ (\ Delta H_\ texto {fus}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\) "style="vertical-align:middle;" >5.65 | \ (\ Delta H_\ texto {vap}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\) "style="vertical-align:middle;" >23.4 |
| Etanol\(\left( \ce{C_2H_5OH} \right)\) | \ (\ Delta H_\ texto {fus}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\) "style="vertical-align:middle;" >4.60 | \ (\ Delta H_\ texto {vap}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\) "style="vertical-align:middle;" >43.5 |
| Metanol\(\left( \ce{CH_3OH} \right)\) | \ (\ Delta H_\ texto {fus}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\) "style="vertical-align:middle;" >3.16 | \ (\ Delta H_\ texto {vap}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\) "style="vertical-align:middle;" >35.3 |
| Oxígeno\(\left( \ce{O_2} \right)\) | \ (\ Delta H_\ texto {fus}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\) "style="vertical-align:middle;" >0.44 | \ (\ Delta H_\ texto {vap}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\) "style="vertical-align:middle;" >6.82 |
| Agua\(\left( \ce{H_2O} \right)\) | \ (\ Delta H_\ texto {fus}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\) "style="vertical-align:middle;" >6.01 | \ (\ Delta H_\ texto {vap}\)\(\left( \text{kJ/mol} \right)\) "style="vertical-align:middle;" >40.7 |
Observe que para todas las sustancias, el calor de vaporización es sustancialmente mayor que el calor de fusión. Se requiere mucha más energía para cambiar el estado de un líquido a un gas que de un sólido a un líquido. Esto se debe a la gran separación de las partículas en estado gaseoso. Los valores de los calores de fusión y vaporización están relacionados con la fuerza de las fuerzas intermoleculares. Todas las sustancias de la tabla anterior, con excepción del oxígeno, son capaces de formar enlaces de hidrógeno. En consecuencia, los calores de fusión y vaporización del oxígeno son mucho más bajos que los demás.
Ejemplo\(\PageIndex{1}\)
¿Qué masa de vapor de metanol se condensa a un líquido a partir\(20.0 \: \text{kJ}\) del calor que se libera?
Solución
Paso 1: Enumere las cantidades conocidas y planifique el problema.
Conocido
- \(\Delta H = 20.0 \: \text{kJ}\)
- \(\Delta H_\text{cond} = -35.3 \: \text{kJ/mol}\)
- Masa molar\(\ce{CH_3OH} = 32.05 \: \text{g/mol}\)
Desconocido
Primero el\(\text{kJ}\) calor liberado en la condensación se multiplica por el factor de conversión\(\left( \frac{1 \: \text{mol}}{-35.3 \: \text{kJ}} \right)\) para encontrar los moles de metanol que se condensaron. Después, los moles se convierten en gramos.
Paso 2: Resolver.
\[-20.0 \: \text{kJ} \times \frac{1 \: \text{mol} \: \ce{CH_3OH}}{-35.3 \: \text{kJ}} \times \frac{32.05 \: \text{g} \: \ce{CH_3OH}}{1 \: \text{mol} \: \ce{CH_3OH}} = 18.2 \: \text{g} \: \ce{CH_3OH}\nonumber \]
Paso 3: Piensa en tu resultado.
La condensación es un proceso exotérmico, por lo que el cambio de entalpía es negativo. Se condensa ligeramente más de medio mol de metanol.
Resumen
- El calor molar de vaporización\(\left( \Delta H_\text{vap} \right)\) es el calor absorbido por un mol de una sustancia a medida que se convierte de un líquido a un gas.
- El calor molar de condensación\(\left( \Delta H_\text{cond} \right)\) es el calor liberado por un mol de una sustancia ya que se convierte de un gas a un líquido.
- Se ilustran ejemplos de cálculos que involucran el calor molar de vaporización y condensación.