CALOR LATENTE DE CAMBIO DE ESTADO

¿Siempre que un cuerpo absorbe o cede energía cambia de estado?

No. Definitivamente no. En general, si un cuerpo absorbe energía térmica sólo se produce un incremento en su temperatura; y si la cede, sólo se produce un descenso en ella. Pero como vimos, hay ciertos valores o rangos de temperatura, específicos para cada tipo de materia, en los que se puede producir un cambio de estado.

Entonces, la energía invertida en el proceso por una cierta cantidad de materia recibe el nombre de CALOR LATENTE DE CAMBIO DE ESTADO y su valor, al igual que el valor de la temperatura a la que se produce el cambio, es característico de cada cambio de estado y de la naturaleza de cada sustancia.

La energía necesaria para que una sustancia cambie de estado es:

Q =±mL

Donde m es la masa considerada y L es el calor latente. La unidad de Q en el SI son los J/kg.

Calor latente de fusión Lf es el término empleado cuando el cambio de estado es de sólido a líquido (el sólido se funde); y calor latente de vaporización Lv es el término empleado cuando el cambio de estado es de líquido a gas (el líquido se vaporiza). Los calores latentes de varias sustancias varían considerablemente, como se podrá apreciar en los valores recogidos en la siguiente tabla:

SUSTANCIA	PF (ºC)	Lf (x103 J/kg)	PEb (ºC)	Lv (x103 J/kg)
Hidrógeno	-259.31	58.6	-252.89	452
Nitrógeno	-209.97	25.5	-195.8	201
Oxígeno	-218.79	13.8	-183.0	213
Etanol	-114	104.2	78	854
Mercurio	-39	11.8	357	272
Agua	0.00	334	100.00	2256
Azufre	119	38.1	444.60	326
Plomo	327.3	24.5	1750	871
Antimonio	630.50	165	1440	561
Plata	960.80	88.3	2193	2336
Oro	1063.00	64.5	2660	1578
Cobre	1083	134	1187	5069

El signo positivo de la ecuación anterior corresponde a la energía que entra al sistema, causando vaporización o fusión. 

El signo negativo corresponde a la energía que sale del sistema, de modo que éste se congela o se condensa.

La representación gráfica de la temperatura de un sistema físico en función del tiempo, cuando el sistema absorbe o libera un calor constante por unidad de tiempo, se denomina CURVA DE CALENTAMIENTO o CURVA DE ENFRIAMIENTO.

Esta figura muestra cómo varía la temperatura cuando agregamos calor continuamente a una muestra de hielo con temperatura inicial menor que 0 ºC (punto a). La temperatura aumenta hasta llegar al punto de fusión (punto b). Al agregar más calor, la temperatura se mantiene constante hasta que se derrite todo el hielo (punto c). Luego, la temperatura aumenta otra vez, hasta llegar al punto de ebullición (punto d), donde se mantiene constante otra vez hasta que toda el agua ha pasado a la fase vapor (punto e). Si la tasa de aporte de calor es constante, la pendiente de la línea para la fase sólida (hielo) está más inclinada que para la fase líquida.

APLICACIONES DE LOS CAMBIOS DE ESTADO: MÉTODOS DE CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS

Acá dejo otros videos que puede servir como apoyo a la comprensión de conceptos de una forma más sencilla. Estos videos pueden orientarlos a obtener las respuestas a las preguntas de la ficha de trabajo, en las cuales se les pedía que se informaran acerca de la conservación de los alimentos.

EBULLICIÓN A PRESIÓN REDUCIDA

Estos videos si bien no son conceptualmente brillantes, como herramienta más sencilla para entender el concepto y repasar para la semestral, viene bárbaro. El tercer video muestra la misma técnica que empleamos nosotros en el laboratorio.

VAPORIZACIÓN

Es el pasaje de una sustancia en estado líquido a estado gaseoso, y puede tener lugar de dos formas:

A cualquier temperatura, donde el líquido pasa lentamente a estado gaseoso y el proceso recibe el nombre de EVAPORACIÓN. El proceso es lento porque son las partículas que se encuentran en la superficie del líquido en contacto con la atmósfera, las que se van "escapando" de la atracción de las demás partículas cuando adquieren suficiente energía para liberarse. Partículas del líquido que se encuentran en el interior del mismo, no podrán recorrer demasiado antes de ser capturadas de nuevo por las partículas que las rodean.

Basándonos en este razonamiento podemos explicar los factores que afectan la velocidad de evaporación:

- Si la temperatura aumenta, la energía cinética de las partículas es mayor; por lo que habrá más partículas capaces de vencer las fuerzas de atracción, ya que poseen energía suficiente para lograrlo.

- Según el líquido considerado, cuanto menores son las fuerzas de atracción entre partículas, menor será la energía necesaria para vencerlas y el líquido se evaporará más fácilmente (líquido volátil).

A una temperatura determinada, donde se produce el pasaje de líquido a gas en todo el volumen del líquido, y el proceso recibe el nombre de EBULLICIÓN. Cualquier partícula del interior o de la superficie adquiere suficiente energía para escapar de sus vecinas. Dicha energía le es proporcionada por la fuente calorífica que le ha llevado a esa temperatura. Esta temperatura -necesaria para alcanzar la ebullición- es característica de cada sustancia y se denomina punto de ebullición. 

El punto de ebullición, al igual que el punto de fusión, es independiente de la cantidad de sustancia, y no varía aún cuando ésta continúe calentándose. Sin embargo, es dependiente de la presión exterior. Si la presión exterior es de una atmósfera (1 atm), se llama punto de ebullición normal.

la relación entre el punto de ebullición y la presión exterior es que a medida que aumenta la presión sobre la superficie del líquido, aumenta el punto de ebullición, y viceversa.

Video: interpretación molecular del proceso de ebullición (dice evaporación, pero claramente se puede apreciar que no es así, ya que la animación describe un fenómeno a nivel de todo el líquido).

FUSIÓN

Es el pasaje de una sustancia en estado sólido a estado líquido por acción del calor. La temperatura constante a la que ocurre la fusión es característica de cada sustancia y se denomina punto de fusión. A esta temperatura existe un equilibrio entre el estado cristalino de alta ordenación y el estado líquido más desordenado.

¿Cómo se puede explicar que las partículas en estado sólido logren vencer las intensas fuerzas de atracción y se separen pasando a formar el estado líquido?

Evidentemente, para que las partículas logren separarse, deberán adquirir suficiente energía para vencer las intensas fuerzas de atracción que las mantienen muy juntas y unidas. A medida que el sólido va absorbiendo energía del ambiente, aumenta el movimiento de vibración de las partículas sin cambiar su posición. La manifestación macroscópica de este proceso es un aumento de temperatura.

En el momento en que algunas de las partículas del sólido tienen suficiente energía para vencer las fuerzas de atracción que las mantiene unidas, comienza el cambio de estado.

Macroscópicamente, la temperatura no varía porque la energía absorbida por las partículas es usada para vencer dichas fuerzas y no para aumentar su movimiento.

CAMBIOS DE ESTADO

La materia experimenta cambios constantemente. Así, por ejemplo, si colocamos agua en el congelador, ésta se congela, se transforma en hielo. Si dejamos un frasco de alcohol destapado, el volumen de líquido va disminuyendo porque éste se evapora; si mezclamos una cierta cantidad de sal de mesa en un vaso de agua, ésta se disuelve; etc. 

En algunas de estas transformaciones, la composición de la materia que experimenta el cambio NO SE MODIFICA: la sustancia es la misma antes y después del cambio, sólo se aprecia un cambio en su aspecto.

Los cambios de estado como la fusión de un sólido, la evaporación de un líquido, la condensación de un vapor y otras transformaciones, son CAMBIOS FÍSICOS.

UN CAMBIO FÍSICO ES UNA TRANSFORMACIÓN DE LA MATERIA EN LA CUAL SU COMPOSICIÓN NO SE MODIFICA

CAMBIO DE ESTADO es el proceso mediante el cual las sustancias pasan de un estado de agregación a otro. El estado físico depende de las fuerzas de cohesión que mantienen unidas a las partículas. La modificación de la presión o de la temperatura, modificará dichas fuerzas de cohesión pudiendo provocar un cambio de estado.

El pasaje desde un estado más ordenado a otro más desordenado (donde las partículas se mueven con más libertad entre sí) se denomina cambio de estado progresivo.

- Fusión.

- Vaporización.

- Sublimación.

El pasaje desde un estado de agregación más desordenado a otro más ordenado se denomina cambio de estado regresivo.

- Condensación.

- Solidificación.

- Deposición (o también, "sublimación inversa").

MIENTRAS DURE EL CAMBIO DE ESTADO, LA ENERGÍA IMPLICADA SE UTILIZA EN CAMBIAR EL ESTADO DE AGREGACIÓN DE LAS PARTÍCULAS, MANTENIÉNDOSE CONSTANTE LA TEMPERATURA (la energía cinética media de las partículas no varía).

EJERCICIOS RESUELTOS

EJERCICIOS RESUELTOS

EJERCICIOS RESUELTOS

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VIDEO RESUMEN: CALOR Y EQUILIBRIO TÉRMICO

• Calor: concepto y formas de propoagación.
• Principio de conservación de la energía.
• Equilibrio térmico.

EQUILIBRIO TÉRMICO

Cuando dos cuerpos están en contacto y a diferente temperatura, se produce entre ellos una transferencia de calor desde el cuerpo que está a mayor temperatura hacia el cuerpo que está a menor temperatura. Esta transferencia de calor ocurre hasta que ambos cuerpos alcanzan iguales valores de temperatura, al que se le denomina TEMPERATURA DE EQUILIBRIO, y la calculamos con las ecuaciones anteriores (ver temperatura final de una mezcla).

En este video se explica sencillamente, mediante una situación cotidiana, el fenómeno de equilibrio térmico.

TEMPERATURA FINAL DE UNA MEZCLA

Supongamos que introduzco un trozo de hierro a 80 ºC en una olla con agua. Pregunto:

¿Cuál será la temperatura final del agua con el hierro?

Para explicarte cómo se calcula esto, dejame primero comentarte la idea de PARED ADIABÁTICA. Una superficie es adiabática si es aislante del calor; es decir, que el calor no la puede atravesar. O sea, si vos consiguieras un recipiente total y absolutamente adiabático, cualquier cosa caliente que pusieras dentro de él no se enfriaría nunca.

Esto es teórico. Los recipientes adiabáticos no existen en la realidad. Lo más parecido es un termo, pero como sabés, el agua caliente puesta en un termo a la larga se enfría. En realidad, en un recipiente adiabático no puede salir calor de adentro, pero tampoco puede entrar el calor de afuera. Quiere decir que si ponés algo frío en un recipiente perfectamente adiabático, seguirá frío por los siglos de los siglos. (Repito, esto es teórico).

Entonces, pongamos 1 kg de agua a 20 ºC en un recipiente adiabático.
Ahora agreguemos 1 kg de hierro a 80 ºC. Después de un tiempo van a estar a la misma temperatura. (Tf tendrá que estar entre 20 y 80 ºC). Fijate cómo se calcula esa temperatura final. (importante).

Digo:

El Fe se va a enfriar (cede calor) y el agua se va a calentar (absorbe calor). Como no puede salir calor del recipiente porque es adiabático, el calor que pierde el agua tiene que ser el calor que gana el Fe. Entonces puedo poner :

Q ganado por el H2O  =  - Q cedido por el Fe

Le puse un signo negativo al calor cedido por el hierro porque para el Fe Tf es menor que Ti y por lo tanto, el signo de la variación va a ser negativo. Pasando al mismo miembro :

Q ganado por el H2O + Q cedido por el Fe = 0

Conclusión: si me dan dos sustancias cualesquiera que inicialmente están a distinta temperatura, las ponen en un recipiente adiabático y me piden calcular la temperatura final, tengo que plantear siempre :

Q ganado + Q cedido = 0

CAPACIDAD CALORÍFICA

También llamado "calor específico", representa la cantidad de calor que cede o toma un cuerpo al variar su temperatura. Es característico de cada sustancia y se expresa en J/gºC.

Q = m x Ce x ∆T


Ce = Q/ (m x ∆T)

El calor específico de un cuerpo vendría a ser una especie de inercia térmica. Es una magnitud que me da una idea de la resistencia que opone un cuerpo a ser calentado o enfriado. (A cambiar su temperatura , digamos).

Por ejemplo, el calor específico del agua vale 1. El del hierro vale 0,1. Eso quiere decir que es 10 veces más difícil calentar agua que hierro. ( Hay que entregar 10 veces mas energía ). Al agua no le gusta ser calentada. Se opone.
Aclaración: Cuando digo "calentado" quiero decir "calentado o enfriado". Si vos dejás una olla con agua hirviendo, va tardar más en enfriarse que un pedazo de hierro.

Entre paréntesis, esto es lo que pasa con el agua del mar. Se calienta durante el día y a la noche sigue calentita. Fijate que eso no pasa ni con las piedras ni con la arena de la playa. Están que arden durante el día pero apenas se va el sol, se enfrían enseguida. Esto pasa por que el calor específico de las piedras y de la arena es chico.

CONVENCIONES

En un sistema hay un cambio mensurable de Energía Interna (∆U) siempre que haya un intercambio de energía, que va a estar dado por la cantidad de calor tomado del medio o cedido hacia él y el trabajo realizado por el sistema hacia el entorno o sobre el sistema por el entorno.

Para aplicar en los cálculos las variaciones de calor y trabajo se utiliza una convención, que tiene su lógica:

Cuando un sistema absorbe calor su temperatura aumenta provocando un incremento en su energía interna. Al verse aumentada la energía interna, resulta evidente que el trabajo tenga signo positivo.

PROCESO ENDOTÉRMICO → Tf > Ti → Uf > Ui → Q > 0 → W > 0 → TRABAJO REALIZADO POR EL ENTORNO.

Cuando un sistema libera calor al ambiente disminuye su temperatura, provocando un descenso en su energía interna. Al verse disminuida la energía interna, el trabajo realizado tendrá signo negativo.

PROCESO EXOTÉRMICO → Tf < Ti → Uf < Ui → W < 0 → TRABAJO REALIZADO POR EL SISTEMA. 

 

Q		W
PROCESO	SIGNO	PROCESO	SIGNO
Endotérmico	Positivo (+)	Sobre el sistema	Positivo (+)
Exotérmico	Negativo (-)	Por el sistema	Negativo (-)

 

VIDEOS DE APOYO- CALOR vs TEMPERATURA

El desarrollo empieza en el video de abajo y termina en el de arriba. Estos videos tienen unos tantos errores en la terminología que emplean, de los cuales se darán cuenta muy fácilmente. Si hay dudas sobre algún concepto en especial, no olviden consultarlo en clase o en la bibliografía proporcionada. Adjunté estos videos pensando que les resultaría como una herramienta más accesible a todo este repaso que estamos haciendo para el parcial.

EN EL VIDEO DE ABAJO, EL TEMA QUE NOS INTERESA EMPIEZA A LOS 8 MINUTOS.

SISTEMAS TERMODINÁMICOS

Un sistema puede ser cualquier objeto, cualquier cantidad de materia, cualquier región del espacio, etc., seleccionado para estudiarlo y aislarlo (mentalmente) de todo lo demás, lo cual se convierte entonces en el entorno del sistema.

El sistema y su entorno forman el universo. 

La envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa de sus inmediaciones (entorno) se llama frontera del sistema y puede pensarse que tiene propiedades especiales que sirven para: 

a) aislar el sistema de su entorno, o para 

b) permitir la interacción de un modo específico entre el sistema y su ambiente.

Llamamos sistema, o medio interior, a la porción del espacio limitado por una superficie real o ficticia, donde se sitúa la materia estudiada. El resto del universo es el medio exterior. La distinción entre sistema y entorno es arbitraria: el sistema es lo que el observador ha escogido para estudiar.

 

Si la frontera permite la interacción entre el sistema y su entorno, tal interacción se realiza a través de los canales existentes en la frontera. Los canales pueden ser inespecíficos para interacciones fundamentales tales como el calor o la interacción mecánica o eléctrica, o muy específicos para interacciones de transporte.

Clasificación de sistemas

 

Sistema aislado es el sistema que no puede intercambiar materia ni energía con su entorno.

Sistema cerrado es el sistema que sólo puede intercambiar energía con su entorno, pero no materia.

Sistema abierto es el sistema que puede intercambiar materia y energía con su entorno. 

Propiedades microscópicas y macroscópicas de un sistema
 
Todo sistema posee una estructura microscópica (moléculas, ellas mismas formadas por átomos, ellos mismos formados por partículas elementales); de modo que uno puede considerar, a priori, las características microscópicas, propias de cada una de las partículas constitutivas del sistema, y las características macroscópicas correspondientes al comportamiento estadístico de estas partículas.

 
Sistema termodinámico

 
  Un sistema termodinámico es un sistema macroscópico, es decir, un sistema cuyo detalle de sus características microscópicas (comprendida la posición y la velocidad de las partículas en cada instante) es inaccesible y donde sólo son accesibles sus características estadísticas.   

CALOR

El calor es una forma de transferencia de energía debida únicamente a la diferencia de temperatura. Se representa con la letra Q.

Q = m x Ce x ∆T
ECUACIÓN DE JOULE
SÓLO LA APLICO CUANDO NO SE PRODUCE CAMBIO DE ESTADO.


Unidades:

Joule (J) - Sistema Internacional de Unidades.
Kilojoule (kJ) - múltiplo de Joule.

1 kJ ---- 1000 J

Caloría (cal)
Kilocaloría (kcal o Cal) - múltiplo de la caloría.

1 cal ---- 4.18 J

1 kcal ---- 1000 cal.

CONVERSIÓN DE UNIDADES

(kcal x 1000) = cal

(cal : 1000) = kcal

(J : 1000) = kJ

(kJ x 1000) = J

(cal x 4.18) = J

(J : 4.18) = cal.

DIFERENCIA DE TEMPERATURA

∆T = Tfinal - Tinicial

Ti = 20 ºC

Tf = 50 ºC 
                       

∆T = 50 ºC- 20 ºC

∆T = 30 ºC

Tf > Ti, variación positiva → T del sistema aumentó → El sistema absorbió calor → PROCESO ENDOTÉRMICO.

 Ti = 90 ºC
 Tf = 30 ºC


∆T = 30 ºC - 90 ºC
∆T = -60 ºC

Tf < Ti, variación negativa → T del sistema disminuyó → El sistema liberó calor → PROCESO EXOTÉRMICO.

RELACIONES ENTRE ESCALAS

Las relaciones entre las temperaturas relativas y absolutas se establecen matemáticamente de la siguiente manera:

ºF a ºC: (ºF - 32)/1.8

ºF a K: (ºF- 32)5/9 + 273.16

ºC a ºF: (ºC x 1.8) + 32

ºC a K: ºC + 273.16

K a ºF: (K- 273.16)9/5 + 32

K a ºC: K- 273.16

ESCALAS KELVIN Y FAHRENHEIT

 ESCALA KELVIN

Es la escala de temperatura del Sistema Internacional de Unidades
Esta escala se basa en las propiedades de los gases

Al valor –273.16 ºC que es la menor temperatura de la escala Celsius se le adjudica el valor 0 K (valor más pequeño de esta escala) y se le llama “cero absoluto”.
Al igual que la escala Celsius, la escala Kelvin es una escala centígrada (dividida en 100 partes) y el intervalo entre el punto de fusión y ebullición del agua es 100 K. Todos los valores en esta escala son positivos.

ESCALA FAHRENHEIT

Es la escala termométrica más común en EEUU, pero no se emplea generalmente en estudios científicos. Esta escala está dividida en 180 partes desde 32ºF a 212ºF, por lo tanto no es una escala centígrada.