Calores latentes de fusión y vaporización del agua

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Física · Calorimetría · Cambios de estado

Calor latente de fusión y vaporización

En esta clase calculamos el calor necesario para cambiar el estado del agua: primero de hielo a líquido y después de líquido a gas.

Índice de la clase

  • Qué ocurre durante un cambio de estado.
  • Por qué la temperatura no cambia durante la fusión o la vaporización.
  • Calor necesario para fundir hielo a \(0\,^\circ\text{C}\).
  • Calor necesario para vaporizar agua a \(100\,^\circ\text{C}\).
  • Diferencia entre calor latente de fusión y calor latente de vaporización.

Idea principal

Cuando una sustancia cambia de estado, por ejemplo de sólido a líquido o de líquido a gas, el calor que se le aporta no se usa para aumentar la temperatura.

Idea clave: durante un cambio de estado, la temperatura permanece constante. El calor se emplea en cambiar la estructura interna de la sustancia.

Por eso, en estos ejercicios no usamos la fórmula:

\[ Q = mc\Delta T \]

En su lugar usamos la fórmula del calor latente:

\[ Q = mL \]

donde:

  • \(Q\) es el calor necesario.
  • \(m\) es la masa de la sustancia.
  • \(L\) es el calor latente correspondiente al cambio de estado.

Ejercicio 1. Fundir hielo a \(0\,^\circ\text{C}\)

Enunciado

Calcula el calor necesario para transformar:

\[ 0{,}1\ \text{kg} \]

de hielo a \(0\,^\circ\text{C}\) en agua líquida a \(0\,^\circ\text{C}\).

Dato: \[ L_f = 334\ \text{kJ/kg} \] donde \(L_f\) es el calor latente de fusión del agua.

Solución paso a paso

Como el hielo está a \(0\,^\circ\text{C}\) y queremos pasarlo a agua líquida también a \(0\,^\circ\text{C}\), estamos ante un proceso de fusión.

Durante la fusión la temperatura no cambia, así que usamos:

\[ Q = mL_f \]

Primero pasamos el calor latente de fusión a julios por kilogramo:

\[ 334\ \text{kJ/kg} = 334\,000\ \text{J/kg} \]

Sustituimos los datos:

\[ Q = 0{,}1 \cdot 334\,000 \]
\[ Q = 33\,400\ \text{J} \]

También podemos escribir el resultado en kilojulios:

\[ 33\,400\ \text{J} = 33{,}4\ \text{kJ} \]
Resultado: \[ \boxed{Q = 33\,400\ \text{J} = 33{,}4\ \text{kJ}} \]

Ejercicio 2. Vaporizar agua a \(100\,^\circ\text{C}\)

Enunciado

Calcula el calor necesario para vaporizar:

\[ 0{,}2\ \text{kg} \]

de agua líquida a \(100\,^\circ\text{C}\).

Dato: \[ L_v = 2\,260\,000\ \text{J/kg} \] donde \(L_v\) es el calor latente de vaporización del agua.

Solución paso a paso

En este caso el agua ya está a \(100\,^\circ\text{C}\), que es la temperatura de ebullición del agua a presión atmosférica normal.

Queremos pasar el agua de líquido a gas. Por tanto, estamos ante un proceso de vaporización.

Durante la vaporización, la temperatura permanece constante. El calor que se aporta se usa para cambiar de estado, no para aumentar la temperatura.

Usamos la fórmula:

\[ Q = mL_v \]

Sustituimos los datos:

\[ Q = 0{,}2 \cdot 2\,260\,000 \]
\[ Q = 452\,000\ \text{J} \]

También podemos escribirlo en kilojulios:

\[ 452\,000\ \text{J} = 452\ \text{kJ} \]
Resultado: \[ \boxed{Q = 452\,000\ \text{J} = 452\ \text{kJ}} \]

Comparación de los dos procesos

En los dos ejercicios hemos usado la misma idea:

\[ Q = mL \]

Pero el calor latente no es el mismo en la fusión que en la vaporización. En el agua, el calor latente de vaporización es mucho mayor que el calor latente de fusión.

Proceso Fórmula Dato usado Resultado
Fusión \(Q=mL_f\) \(L_f=334\,000\ \text{J/kg}\) \(33\,400\ \text{J}\)
Vaporización \(Q=mL_v\) \(L_v=2\,260\,000\ \text{J/kg}\) \(452\,000\ \text{J}\)
Cuidado: en estos ejercicios no estamos calentando el agua dentro de una fase. Estamos cambiando de estado. Por eso aparece el calor latente.

Resumen final

Si una sustancia cambia de temperatura, usamos:

\[ Q = mc\Delta T \]

Si una sustancia cambia de estado a temperatura constante, usamos:

\[ Q = mL \]

En esta clase hemos visto dos casos fundamentales:

  • De sólido a líquido: fusión.
  • De líquido a gas: vaporización.

Ejercicio propuesto

Calcula el calor necesario para fundir:

\[ 0{,}25\ \text{kg} \]

de hielo a \(0\,^\circ\text{C}\).

Usa:

\[ L_f = 334\,000\ \text{J/kg} \]

Intenta resolverlo antes de mirar la solución en clase o en tu cuaderno.

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