Cambio de Fase.
Es un hecho bien conocido
que en la naturaleza las sustancias se presentan en tres fases diferentes,
denominadas fase solida, fase liquida y fase gaseosa.
La presión y temperatura que
se aplican a una sustancia determinara en qué fase puede presentarse. Así pues
el hierro que en las condiciones ambientales se halla en estado sólido, se
podrá volver liquido conforme su temperatura se eleve; el agua, que normalmente
es liquida, podrá convertirse en gas por elevación de su temperatura.
Cuando una sustancia pasa de
una fase a otra, decimos que sufre un cambio de fase o un cambio de estado físico.
Los cambios de fase que
pueden ocurrir en una sustancia son los siguientes:
Fusión: cambio de estado sólido
a líquido por un aumento de calor.
Vaporización: cambio de líquido
a gaseoso por un aumento de calor.
Condensación: es el paso del
estado gaseoso a líquido al sustraer calor.
Solidificación: es el paso
del estado líquido al solido al sustraer calor.
Sublimación: es el paso del
estado sólido al gaseoso o viceversa, sin pasar por el estado líquido, por
aumento o disminución de calor.
La sublimación se hace
presente en el ciclo del agua, que puede encontrarse en estado sólido (hielo), líquido
(los océanos) o gaseoso (vapor). El ciclo hidrológico se desarrolla a partir de
la radiación del sol y
de la fuerza gravitatoria: el sol hace que el agua de los océanos se transforme
en vapor y pase a la atmósfera, hasta que vuelve a sus fases líquidas o sólidas
a través de las precipitaciones (lluvia, nieve). El agua también llega al
estado gaseoso por la sublimación de su estado sólido.
Calor latente.
Todas las sustancias
requieren de cierta cantidad de calor para que sus moléculas obtengan mayor
cantidad de energía, de manera que equilibren sus fuerzas de repulsión lo que significa que sus fuerzas de repulsión
sean mayores que las fuerzas de atracción, y la sustancia liquida pase a la
fase gaseosa.
La expresión calor latente
significa que permanece en espera de recibir más calor para efectuar su cambio
de fase, aunque no se incremente la temperatura, ya que durante el cambio no se
registra una variación.
Calor latente de fusión.
Para que el agua efectué un
cambio de fase, debe absorber 80 cal por cada gramo (la misma cantidad se
requiere para que el agua se funda o se solidifique).
Esto es, específicamente, el
calor latente de fusión para el agua, así como el agua necesita esa cantidad de
calorías, otro gramo de cualquier otra sustancia necesitaría una cantidad
distinta de calorías para efectuar un cambio de fase.
El
calor latente de fusión de una sustancia es la cantidad de calor
que requiere un gramo de solido para convertirse en un gramo de líquido sin
variar su temperatura, su ecuación es la siguiente:
E1) Lf=Q/m
Donde:
Q= cantidad de calor
suministrado, en cal
Lf=calor latente de fusión,
en cal/g
m=masa de la sustancia
por lo tanto el calor suministrado es
E2) Q=mLf
Escenario 1.- ¿Qué cantidad
de calor requieren 100g de hielo a -15°C para cambiar a agua, a 0°C?
Datos
Q1=?
Q2=?
QT=?
m= 100g
Ti=-15°C
Tf=0°C
Lf=80cal/g
Formula y desarrollo
(Resuelve en base a lo que se indica)
a)
Primero debemos encontrar cuantas calorías se
necesitan para pasar de -15°C a 0°C,
mediante la fórmula de cantidad de calor (Q). Q1=Q
Q1= (100g)(0.50cal/g°C)(0°C-(-15°C)
Q1=750cal.
b)
Para
que el hielo se funda se aplica la formula Q=m.Lf que se obtiene de la ecuación
E2 entonces Q2=Q
Q2=(100g)(80cal/g)
Q2=8000
c) Por último el calor total (QT) requerido es
la suma de Q1+Q2, entonces QT=Q1+Q2=8750
cal
Calor latente de vaporización.
El calor de vaporización de
una sustancia es la cantidad de calor que se requiere para cambiar 1g de
líquido en ebullición a 1g de vapor, manteniendo constante su temperatura.
E3) Lv=Q/m
Donde:
Lv= calor latente de
vaporización, en cal/g
Q= cantidad de calor en cal
m= masa de la sustancia, en gramos
Escenario 2.- Determinar el calor que
hay que suministrar para convertir 1g de hielo a -20 ºC en vapor a 100ºC. Los
datos son los siguientes:
- Calor
específico del hielo ch=2090 J/(kg K)
- Calor
de fusión del hielo Lf=334·103 J/kg
- Calor
específico del agua c=4180 J/(kg K)
- Calor
de vaporización del agua Lv=2260·103 J/kg
Graficar respuestas.
Etapas:
- Se
eleva la temperatura de 1g de hielo de -20ºC a 0ºC
Q1=0.001·2090·(0-(-20))=41.8
J
- Se funde el hielo
Q2=0.001·334·103=334
J
- Se
eleva la temperatura del agua de 0º C a 100 ºC
Q3=0.001·4180·(100-0)=418
J
- Se
convierte 1 g de agua a 100ºC en vapor a la misma temperatura
Q4=0.001·2260·103=2260
J
El calor total Q=Q1+Q2+Q3+Q4=3053.8
J.
