Las tres etapas del calentamiento del agua

el
Física con Juan

Bloque de hielo calentado de -20 °C a 20 °C

En esta entrada vamos a describir qué ocurre cuando un bloque de hielo se calienta desde \(-20\,^\circ\text{C}\) hasta \(20\,^\circ\text{C}\). El proceso tiene tres etapas: calentamiento del hielo, fusión y calentamiento del agua líquida.

Índice de la explicación

    El problema

    Un bloque de hielo se calienta desde \(-20\,^\circ\text{C}\) hasta \(20\,^\circ\text{C}\). Queremos describir las etapas del proceso.

    Idea esencial: no todo el calor que recibe una sustancia aumenta su temperatura. A veces el calor se emplea en cambiar de estado.

    Las tres etapas del proceso

    Calentamiento del hielo

    El hielo parte de \(-20\,^\circ\text{C}\) y llega hasta \(0\,^\circ\text{C}\). La temperatura aumenta, pero la sustancia sigue siendo hielo.

    Fusión del hielo

    Al llegar a \(0\,^\circ\text{C}\), el hielo empieza a fundirse. Durante esta etapa, la temperatura permanece constante. El calor recibido se emplea en pasar de sólido a líquido.

    Calentamiento del agua líquida

    Una vez que todo el hielo se ha transformado en agua líquida, la temperatura vuelve a subir desde \(0\,^\circ\text{C}\) hasta \(20\,^\circ\text{C}\).

    Fórmulas de cada etapa

    Podemos llamar \(Q_1\), \(Q_2\) y \(Q_3\) al calor absorbido en cada etapa.

    Etapa 1: calor para calentar el hielo

    \[ Q_1=m\,c_{\text{hielo}}\,\Delta T_1 \]

    Aquí \(m\) es la masa del hielo, \(c_{\text{hielo}}\) es el calor específico del hielo y \(\Delta T_1\) es el aumento de temperatura desde \(-20\,^\circ\text{C}\) hasta \(0\,^\circ\text{C}\).

    Etapa 2: calor para fundir el hielo

    \[ Q_2=m\,L_f \]

    Aquí \(L_f\) es el calor latente de fusión. En esta etapa hay cambio de estado, pero no hay cambio de temperatura.

    Etapa 3: calor para calentar el agua líquida

    \[ Q_3=m\,c_{\text{agua}}\,\Delta T_2 \]

    Aquí \(c_{\text{agua}}\) es el calor específico del agua líquida y \(\Delta T_2\) es el aumento de temperatura desde \(0\,^\circ\text{C}\) hasta \(20\,^\circ\text{C}\).

    Calor total absorbido:
    \[ Q_{\text{total}}=Q_1+Q_2+Q_3 \]

    Tabla resumen

    Etapa Qué ocurre Temperatura Fórmula
    1 El hielo se calienta Sube de \(-20\,^\circ\text{C}\) a \(0\,^\circ\text{C}\) \(Q_1=m\,c_{\text{hielo}}\,\Delta T_1\)
    2 El hielo se funde Permanece en \(0\,^\circ\text{C}\) \(Q_2=m\,L_f\)
    3 El agua líquida se calienta Sube de \(0\,^\circ\text{C}\) a \(20\,^\circ\text{C}\) \(Q_3=m\,c_{\text{agua}}\,\Delta T_2\)

    Gráfica temperatura-tiempo

    La gráfica del proceso tiene una forma muy característica. Primero sube la temperatura del hielo, después aparece una meseta en \(0\,^\circ\text{C}\), y finalmente sube la temperatura del agua líquida.

    tiempo T -20 °C 0 °C 20 °C t₀ t₁ t₂ t₃ hielo se calienta fusión agua se calienta
    Observación importante: la parte horizontal de la gráfica no significa que no se esté aportando calor. Significa que el calor se emplea en el cambio de estado.

    Conclusión

    Al calentar hielo desde \(-20\,^\circ\text{C}\) hasta \(20\,^\circ\text{C}\), no basta con pensar que la temperatura sube todo el rato. El proceso tiene una etapa intermedia en la que la temperatura permanece constante: la fusión.

    Resumen final:
    \[ \text{hielo frío} \longrightarrow \text{hielo a }0\,^\circ\text{C} \longrightarrow \text{agua a }0\,^\circ\text{C} \longrightarrow \text{agua a }20\,^\circ\text{C} \]

    Esta es una de las ideas más importantes de la calorimetría: el calor puede aumentar la temperatura o producir un cambio de estado.

    Ejercicio resuelto en formato vídeo

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