Calor latente: fusión, vaporización, solidificación, condensación
¿Qué es el calor latente?
El calor latente es la cantidad de calor que necesita absorber o desprender una sustancia para cambiar de estado físico o fase, manteniendo durante ese proceso la temperatura constante. El calor suministrado o liberado no se manifiesta, no se “siente” como es lo usual en una variación de temperatura; de allí el término de calor latente.
La palabra latente proviene del vocablo latino “latens” que significa escondido, por lo que el calor latente se comporta como si no existiese al mantenerse constante la temperatura. Pero sí existe: lo que sucede es que se consume totalmente en el cambio de fase o estado físico.
Si se toma como ejemplo el agua, los cambios de fase son los siguientes: el hielo (sólido) se funde a agua líquida (líquido) en un proceso llamado fusión; y el agua líquida a su vez se vaporiza para transformarse en vapor de agua (gas) en un proceso denominado vaporización.
Por otro lado, el vapor de agua se enfría a agua líquida en un proceso denominado condensación; y el agua líquida se convierte nuevamente en hielo en un proceso denominado solidificación.
Cada uno de estos cambios de fase tiene asociado un calor latente, que puede ser positivo (absorción) o negativo (liberación).
Calor latente de fusión
Es la cantidad de calor que debe suministrarse a una cantidad determinada de sustancia sólida para cambiar su estado físico de sólido a líquido. Durante la fusión no hay cambio de temperatura, por lo que mientras el sólido se funda o derrita el líquido que se genera de él tiene la misma temperatura que todo el sólido.
Generalmente, este calor se determina en el punto de fusión normal, que es la temperatura a la que el sólido comienza a fundirse bajo presión atmosférica. A esta temperatura existe un equilibrio o presencia simultánea al mismo tiempo del estado sólido y del estado líquido.
El estado sólido se caracteriza por la presencia de una estructura compacta a causa de la existencia de enlaces químicos de gran energía, que le confieren una rigidez estructural. Para la transformación de un sólido a líquido, se deben romper dichas interacciones, por lo que se consume (absorbe) energía con ese fin.
Un típico ejemplo es cuando se consume un helado, formado por agua, azúcar y otras sustancias. Es común observar que el helado, si no es consumido rápidamente, comienza a derretirse, es decir, a fundirse. Esto ocurre cuando la temperatura del helado alcanza el punto de fusión del hielo.
Ejemplos
Se enlistarán algunos ejemplos de calores latentes de fusión expresados en J/g; esto es, la energía que debe absorber un gramo de sólido para derretirse en el punto de fusión:
-Hielo 334.0
-Aluminio 380.0
-Azufre 38.1
-Cobre 134.0
-Etanol 104.0
–Mercurio 11.8
-Oro 64.5
-Plata 80.3
-Plomo 24.5
-Tungsteno 184
El hielo absorbe mucho calor no porque sus interacciones sean más fuertes, sino porque es capaz de disipar excepcionalmente el calor entre sus cristales.
Calor latente de vaporización
Es la cantidad de calor que absorbe una cantidad determinada de sustancia para pasar del estado líquido al estado gaseoso en el punto de ebullición normal. Es decir, es el calor que el líquido absorbe cuando hierve y se convierte en gas sin que haya un incremento de la temperatura.
En el seno del líquido las moléculas de las sustancias pueden interactuar por la formación de puentes de hidrógeno y por fuerzas de atracción entre las moléculas. Para pasar una sustancia del estado líquido al estado gaseoso hay que vencer estas fuerzas, por lo que hay que suministrar calor.
El calor sensible viene a ser el que absorbe el líquido solamente para incrementar su temperatura, lo cual dependerá de su calor específico. Mientras, el calor latente de vaporización es aprovechado para transformarlo directamente en vapor, proceso que es mucho más fácil en el punto de ebullición.
Ejemplos
A continuación se enlistan ejemplos de algunos líquidos con sus respectivos calores latentes de vaporización expresados nuevamente en J/g:
-Ácido acético 402
-Acetona 518
-Agua 2256
-Alcohol etílico 846
-Azufre 1510
-Benceno 390
-Dióxido de carbono 574
-Cloro 293
-Éter 377
-Glicerina 974
-Mercurio 295
-Oxígeno 214
Nótese el enorme calor latente del agua líquida: 1 g de agua líquida (alrededor de 1 mL) necesita absorber 2256 J para vaporizarse. El agua líquida disipa todavía mucho mejor el calor que recibe en comparación al hielo.
Calor latente de solidificación
Es el calor que debe desprender una cantidad determinada de sustancia para pasar de su estado líquido a su estado sólido en el punto de solidificación o congelamiento. Otra vez, hasta que el líquido no se haya solidificado por completo, la temperatura se mantendrá constante.
El proceso de solidificación es inverso al proceso de fusión, por lo que los valores del calor latente de solidificación y los del calor latente de fusión son iguales, pero de signos contrarios.
Las moléculas de una sustancia en el estado líquido se mueven con cierta libertad debido a la energía que poseen. Por lo tanto, para pasar a la fase sólida las moléculas deben liberar energía en forma de calor, lo que permite mayor interacción entre las moléculas de la sustancia.
La interacción entre las moléculas favorece la formación de los enlaces químicos propios de la fase sólida. Un ejemplo de esto ocurre cuando se coloca agua líquida en los recipientes para la formación de hielo en el congelador de la nevera. El congelador extrae calor del agua líquida y esta se va solidificando para convertirse en hielo.
Ejemplos
Abajo se enlistan algunos ejemplos de calores latentes de solidificación (en J/g) para algunos líquidos:
-Agua (-334)
-Aluminio (-380)
-Azufre (-38)
-Cobre (-134)
-Etanol (-104)
Calor latente de condensación
Es la cantidad de calor que debe desprenderse o liberarse de una determinada cantidad de sustancia, para pasar del estado gaseoso al estado líquido. El gas que se condensa y el líquido formado mantienen la misma temperatura durante la condensación.
La condensación es un proceso contrario a la vaporización. El calor latente de condensación tiene el mismo valor que el calor latente de vaporización, pero con signo contrario, y en el punto de ebullición. Un ejemplo de esto es cuando se cocina y el vapor se condensa en la cara interna de las ollas.
Las moléculas gaseosas se mueven libremente impulsadas por la energía que poseen. Por eso, deben liberar energía para permitir que se establezca entre las moléculas de la sustancia las interacciones intermoleculares propias del estado líquido.
En la naturaleza existen muchos otros ejemplos del fenómeno de condensación del agua. El vapor de agua asciende en la atmósfera y se condensa en las nubes en forma de gotas de agua.
También se observa la presencia de gotitas de agua en los vidrios de los automóviles, producto de la condensación de agua por un descenso de la temperatura que ocurre en la madrugada, constituyendo el llamado rocío.
Ejemplos
Para finalizar, se enlistarán para algunos vapores sus respectivos calores latentes de condensación expresados, una vez más, en J/g:
-Ácido acético (-402)
-Acetona (-518)
-Agua (-2256)
-Alcohol etílico (-846)
-Azufre (-1510)
-Benceno (-390)
Referencias
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Química. (8va ed.). CENGAGE Learning.
- Walter J. Moore. (1963). Physical Chemistry. In Chemical kinetics. Fourth edition, Longmans.
- Wikipedia. (2020). Latent heat. Recuperado de: en.wikipedia.org
- The Editors of Encyclopaedia Britannica. (2020). Latent heat. Recuperado de: britannica.com
- Engineering ToolBox. (2003). Fluids: Latent Heat of Evaporation. Recuperado de: engineeringtoolbox.com
- Lumen Learning. (s.f.). Phase Change and Latent Heat. Recuperado de: courses.lumenlearning.com