Calor Y Fases De Cambio De Agua

10: CALOR Y CAMBIOS DE FASE DEL AGUA

10.1 INTRODUCCIÓN

El calor es una forma de energía que se transfiere de un cuerpo a otro únicamente en virtud de su diferencia de temperaturas. Todo cuerpo está constituido por un conjunto muy grande de átomos y moléculas y la suma de las energías cinéticas y potenciales de todas las partículas constituyentes del cuerpo se denomina energía interna. Cuando dos cuerpos se ponen en contacto térmico, el cuerpo que se encuentra a mayor temperatura transfiere parte de su energía interna al cuerpo de menor temperatura. Ésta energía transferida se denomina calor o energía térmica. Por ejemplo, cuando calentamos agua, inicialmente a la temperatura ambiente, el flujo de calor desde la cocina ocasiona que la energía interna de las moléculas del agua se incremente y ahora éstas se muevan con mayor rapidez, lo cual es más visible a medida que alcanzan la temperatura de ebullición.

Los cambios de fase de una sustancia son procesos que involucran transferencia de energía calorífica a temperatura constante y los más comunes que podemos apreciar, y aquí presentamos, son los cambios de fase del agua a la presión atmosférica.

10.2 EQUIVALENTE MECANICO DEL CALOR

James P. Joule (1818-1891), científico inglés, en 1843 demostró experimentalmente que el calor es una forma de energía. En su experimento, ver fig.3.1, un conjunto de pesos se dejan caer desde una altura determinada, haciendo girar las paletas que se encuentran dentro de un recipiente aislante con agua, es decir, se efectúa un trabajo mecánico sobre el agua. El equipo se diseña de manera que la pérdida de energía por fricción (en poleas, cojinetes, etc.) sea despreciable. Así, la energía potencial mecánica de las pesas aparece como energía para calentar el agua. Joule encontró que por cada 4,186 J de trabajo mecánico que se realizaba, la temperatura de un gramo de agua se incrementaba en 1°C.

Si designamos como una caloría, a la cantidad de calor que necesita un gramo de agua para incrementar su temperatura en 1°C, entonces:

1 cal = 4,186 J

Ésta relación se conoce como el equivalente mecánico del calor, la cual nos proporciona un factor de conversión entre calorías y Joules.

10.3 CAPACIDAD CALORÍFICA Y CALOR ESPECÍFICO

CAPACIDAD CALORÍFICA

Las sustancias difieren entre sí en la cantidad de calor que necesitan para experimentar el mismo cambio de temperatura. Por ejemplo, 1 Kg de agua necesita 1 Kcal (1 000 calorías) para elevar su temperatura en 1°C, mientras que 1 Kg de aluminio necesita solamente 0,22 Kcal para incrementar su temperatura en 1°C. Ésta característica que tienen las diferentes sustancias se le denomina capacidad calorífica. En general, si un cuerpo recibe una cantidad de calor Q y con ello su temperatura se incrementa en T, su capacidad calorífica es:

(10.1)

La capacidad calorífica de una sustancia o de un cuerpo se expresa en Kcal/°C y en el S.I. de unidades en J/°K.

CALOR ESPECÍFICO

Tal y como se ha definido la capacidad calorífica, ésta no es propia de cada sustancia, es decir pueden existir dos cuerpos de sustancias y masas diferentes pero con igual capacidad calorífica. Por ejemplo la capacidad calorífica de 1 Kg de agua es 1 Kcal/°C y de 4,5 Kg de aluminio es igual, 1Kcal/°C.

Se define el calor específico de una sustancia como la cantidad de calor que necesita la unidad de masa para incrementar su temperatura en 1°C, expresado matemáticamente:

(10.2)

Así, el calor específico es un coeficiente propio de cada sustancia o material y se expresa en Kcal/Kg °C y en el S.I. en J/Kg K.

Si se conoce el calor específico de una sustancia, se puede conocer la cantidad de calor que se necesita suministrar a una determinada masa de esa sustancia para producirle un cierto incremento de temperatura, esto es:

Q = c m T (10.3)

Según las ecs. (10.1) y (10.2) la relación entre la capacidad calorífica y el calor específico es:

C = c m (10.4)

10.4 CALOR LATENTE Y CAMBIOS DE FASE DEL AGUA

CALOR LATENTE

En general, la materia puede existir en tres fases: sólido, líquido o gas. La fase de una sustancia depende tanto de su presión como de su temperatura. Además, si un cuerpo de algún tipo de material o sustancia recibe o cede calor, se calienta o enfría, respectivamente. Sin embargo, cuando se produce un cambio de fase, la energía calorífica que recibe o cede ocasiona la disociación (rompimiento de enlaces) o asociación de sus moléculas y esto sucede a temperatura constante.

El calor latente L de una sustancia, es el calor necesario que recibe o cede la unidad de masa para cambiar de fase. Así, la expresión para determinar el calor que hay que suministrar a una determinada masa “m” para producirle un cambio de fase, es,

Q = mL, (10.5)

Los calores latentes de una sustancia son iguales para procesos inversos, por ejemplo, los calores latentes de fusión y solidificación son iguales y los calores latentes de vaporización y condensación, también.

CAMBIOS DE FASE DEL AGUA

En la fig. 10.2, se grafica temperatura Vs calor para ilustrar los cambios de fase que experimenta 1Kg de hielo, inicialmente a –10°C, ubicado dentro de un recipiente abierto al aire, al cual se le suministra calor a ritmo constante. Dentro del recipiente se ubica un termómetro para registrar la temperatura en todo el proceso.

El calor latente de fusión del agua (igual al de solidificación), es:

LF = LS = 80 Kcal/kg

El calor latente de vaporización del agua (igual al de condensación), es:

LV = LC = 540 Kcal/kg

10.5 CALORÍMETRO DE MEZCLA

Un calorímetro es un recipiente que se diseña y se construye de modo que térmicamente

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