Física y química en 3 º de la ESO

La Materia: calor latente

Calor latente

El calor latente (L) es la energía requerida por una cantidad de sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización).

Su unidad de medida en el S.I. es el Julio/kilogramo (J/kg).

Q = m·L

Q = calor
m = masa
L = calor latente

Es una energía que se invierte en cambiar de estado y no en aumentar la temperatura de la sustancia. Es una propiedad característica de cada sustancia.

Cuando se aplica calor a un trozo de hielo, va subiendo su temperatura hasta que llega a 0 °C (temperatura de cambio de estado); a partir de ese momento, aunque se le siga aplicando calor, la temperatura no cambiará hasta que se haya fundido del todo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo. Una vez fundido el hielo, la temperatura volverá a subir hasta llegar a 100 °C; desde ese momento, la temperatura se mantendrá estable hasta que se evapore todo el agua.

En la siguiente tabla vemos algunos valores de calor latente (L en cal/g) a una atmósfera de presión de algunas sustancias:

• Agua 80
• Hierro 6
• Cobre 42
• Plata 21
• Platino 27
• Oro 16
• Mercurio 2.8
• Plomo 5.9

Ejemplo:

Calcular la cantidad de calor que se requiere para cambiar 100 gramos de hielo a –15°C en agua a 0°C.

Solución:

Para que el hielo eleve su temperatura de –15° C hasta el punto de fusión a 0°C, se necesita una cantidad de calor que se calcula con la ecuación:

Q = m·Ce·ΔT

Q = calor
m = masa
Ce = calor específico
ΔT = incremento de temperatura

 

Q₁ = 100g · 0.50cal/g°C · 15°C = 750 calorías.

Para que el hielo se funda y se tenga agua a 0°C se aplica la ecuación de calor latente que hemos dado en esta lección.

Q = m·L

sustituimos el calor latente de fusión del agua según la tabla anterior, donde:

Q₂ = 100gr · 80cal/gr = 8000 calorías.

La cantidad de calor total sería Q_t=Q₁+Q₂=8750 calorías.

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Medida del calor latente de fusión

Se llena un termo con hielo y se cierra. A través del tapón se pasa un largo tubo de vidrio de pequeña sección S y dos cables que conectan con una resistencia por la que circula una corriente eléctrica que calienta el hielo para convertirlo en agua a 0ºC. Se añade agua a través del tubo para rellenar la botella y propio el tubo. En la parte izquierda de la figura, se muestra la situación inicial. En la parte derecha, la situación al cabo de un cierto tiempo t después de conectar la resistencia a una batería. La resistencia eléctrica calienta el hielo, se funde y el volumen del sistema disminuye, como consecuencia, pasa agua del tubo de vidrio al termo. Medimos la variación de altura del agua en el tubo vertical graduado.

El experimento consiste en medir la energía necesaria para reducir el volumen del sistema en una determinada cantidad a temperatura constante y a presión constante.

En el estado inicial tenemos una masa M de hielo de densidad ρ_h=0.917 g/cm³ en un volumen V₀.

M= ρ_h·V₀

Al cabo de un cierto tiempo t, una masa Δm de hielo se ha convertido en agua de densidad ρ_a=1.0 g/cm³, El volumen V del sistema disminuye

La variación de volumen, en valor absoluto, es

Para fundir una masa Δm de hielo y convertirla en agua se necesita una cantidad de calor

Q=L_f·Δm

donde L_f es el calor latente de fusión

Al disminuir el volumen del sistema, el agua del tubo vertical entra en el termo, disminuyendo la altura en ΔV=SΔh

Podemos medir el calor Q que suministra la resistencia eléctrica en el tiempo t.

Q=i²·R·t

Medimos la variación de la altura Δh de agua en el tubo de vidrio vertical y despejamos el calor latente de fusión L_f

Ejemplo:

• La sección del tubo vertical vale S=0.1782 cm²
• La densidad del hielo ρ_h=0.917 g/cm³
• La densidad del agua ρ_a=1.0 g/cm³

Se precisan Q=13140 J para que el nivel de agua en el tubo vertical disminuya Δh=20 cm

Calor latente de un cambio de fase

Cuando se produce un cambio de fase, la sustancia debe absorber o ceder una cierta cantidad de calor para que tenga lugar. Este calor será positivo (absorbido) cuando el cambio de fase se produce de izquierda a derecha en la figura, y negativo (cedido) cuando la transición de fase tiene lugar de derecha a izquierda.

El calor absorbido o cedido en un cambio de fase no se traduce en un cambio de temperatura, ya que la energía suministrada o extraída de la sustancia se emplea en cambiar el estado de agregación de la materia. Este calor se denomina calor latente.

Latente en latín quiere decir escondido, y se llama así porque, al no cambiar la temperatura durante el cambio de estado, a pesar de añadir calor, éste se quedaba escondido sin traducirse en un cambio de temperatura.

Calor latente (L) o calor de cambio de estado, es la energía absorbida o cedida por unidad de masa de sustancia al cambiar de estado. De sólido a líquido este calor se denomina calor latente de fusión, de líquido a vapor calor latente de vaporización y de sólido a vapor calor latente de sublimación.

El calor latente para los procesos inversos (representados en azul en la figura anterior) tienen el mismo valor en valor absoluto, pero serán negativos porque en este caso se trata de un calor cedido.

En el Sistema Internacional, el calor latente se mide en J/kg.

La cantidad de calor que absorbe o cede una cantidad m de sustancia para cambiar de fase viene dada por:

calor latente es la energía requerida por una cantidad de sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). Se debe tener en cuenta que esta energía en forma de calor se invierte para el cambio de fase y no para un aumento de la temperatura. Antiguamente se usaba la expresión calor latente para referirse al calor de fusión o de vaporización. Latente, en latín, quiere decir escondido, y se llamaba así porque, al no notarse un cambio de temperatura mientras se produce el cambio de fase (a pesar de añadir calor), este se quedaba escondido. La idea proviene de la época en la que se creía que el calor era una sustancia fluida denominada calórico. Por el contrario, el calor que se aplica cuando la sustancia no cambia de fase y aumenta la temperatura, se llama calor sensible. Cuando se aplica calor a un trozo de hielo, va subiendo su temperatura hasta que llega a 0 °C (temperatura de cambio de estado); a partir de ese momento, aunque se le siga aplicando calor, la temperatura no cambiará hasta que se haya fundido del todo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo. Una vez fundido el hielo la temperatura volverá a subir hasta llegar a 100 °C; desde ese momento, la temperatura se mantendrá estable hasta que se evapore toda el agua. El concepto fue introducido alrededor de 1762 por el químico escocés Joseph Black. Esta cualidad se utiliza en la cocina, en refrigeración, en bombas de calor y es el principio por el que el sudor enfría el cuerpo. Es importante saber que cada materia tiene un calor latente distinto; cada sustancia tiene sus propios calores latentes de fusión y vaporización. Agua: de fusión: 334 kJ/kg (79,7 cal/g) a 0 °C; de vaporización: 2257 kJ/kg (539,4 cal/g) a 100 °C. Amoníaco: de fusión: 753 kJ/kg (180 kcal/kg) a −77,73 °C; de vaporización: 1369 kJ/kg (327 kcal/kg) a −33,34 °C. Cuando se expresa el calor latente de una sustancia, es necesario dar también la temperatura a la que se produce, porque también hay vaporización o fusión, en menor cantidad, a otras temperaturas (por ejemplo, la evaporación del sudor en la piel se produce a temperaturas inferiores a 100 °C) y, en esos casos, el calor latente tiene valores distintos. El agua tiene un calor de vaporización alto ya que, para romper los puentes de hidrógeno que enlazan las moléculas, es necesario suministrar mucha energía; también tiene un calor de fusión alto. Una de las ventajas del elevado calor de vaporización del agua es que permite a determinados organismos disminuir su temperatura corporal. Esta refrigeración se debe a que, para evaporarse, el agua de la piel (el sudor) absorbe energía en forma de calor del cuerpo, lo que hace disminuir la temperatura superficial. Otro buen ejemplo del calor latente de vaporización del agua es cuando se riega el suelo: el agua se evapora y absorbe energía, por lo que el ambiente se refresca.