El calor latente es la cantidad de energía requerida por una sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). Se debe tener en cuenta que esta energía en forma de calor se invierte para el cambio de fase y no para un aumento de la temperatura.
Latente, del latín latens, o escondido, denominación referida al no notarse un cambio de temperatura del sistema mientras se produce un cambio de fase (a pesar de añadir o sustraer energía). La idea proviene de la época en la que se creía que el calor era una sustancia fluida denominada calórico. Por el contrario, el calor que se aplica cuando la sustancia no cambia de fase y aumenta la temperatura, se llama calor sensible.
Cuando hay calor hacia una porción de hielo, aumenta su temperatura hasta que llega al Punto de fusión (temperatura de cambio de estado sólido a líquido); a partir de ese momento, aunque siga fluyendo calor, la energía aportada se invierte al cambio de estado del sistema. Únicamente cuando todo el sistema ha alcanzado el nuevo estado (en este ejemplo el estado gaseoso), se comenzará a observar aumento de la temperatura del sistema.
El concepto fue introducido alrededor de 1762 por el químico escocés Joseph Black.
Esta cualidad se utiliza en la cocina, en refrigeración, en bombas de calor y es el principio por el que el sudor enfría el cuerpo.
Calor latente de algunas sustancias
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Cada sustancia tiene sus propios calores latentes de fusión y vaporización.
Calor LatenteSustanciaFusiónVaporización°CkJ/kgcal/g°CkJ/kgcal/gAgua033479,71002260539,8Amoníaco−77,73753180−33,341369327
Cuando se da el calor latente, es necesario dar también la temperatura a la que se produce, porque, en menor cantidad, también hay evaporación o fusión a otras temperaturas (por ejemplo, la evaporación del sudor en la piel ocurre a temperaturas inferiores a 100 °C), con valores distintos de calor latente.
El agua tiene un calor de vaporización alto ya que, para romper los puentes de hidrógeno que enlazan las moléculas, es necesario suministrar mucha energía; también tiene un calor de fusión alto. Una de las ventajas del elevado calor de vaporización del agua es que permite a determinados organismos disminuir su temperatura corporal. Esta refrigeración es debida a que, para evaporarse, el agua de la piel (por ejemplo, el sudor) absorbe energía en forma de calor del cuerpo, lo que hace disminuir la temperatura superficial. Otro buen ejemplo del calor latente de vaporización del agua es cuando se riega el suelo: el agua se evapora y absorbe energía, por lo que el ambiente se refresca.
Es importante saber que no todos los sistemas materiales tienen el mismo calor latente, sino que cada sustancia tiene sus propios calores latentes de fusión y vaporización.
Cambios de estado
Normalmente, una sustancia experimenta un cambio de temperatura cuando absorbe o cede calor al ambiente que le rodea. Sin embargo, cuando una sustancia cambia de fase absorbe o cede calor sin que se produzca un cambio de su temperatura. El calor Q que es necesario aportar para que una masa m de cierta sustancia cambie de fase es igual a
Q = m L {displaystyle Q=mL}
donde L se denomina calor latente de la sustancia y depende del tipo de cambio de fase.
Por ejemplo, para que el agua cambie de sólido (hielo) a líquido, a 0 °C se necesitan 334000 J/kg o 334 kJ/kg. Para que cambie de líquido a vapor a 100 °C se precisan 2260000 J/kg.
Los cambios de estado se pueden explicar de forma cualitativa del siguiente modo:
En un sólido los átomos y moléculas ocupan las posiciones fijas de los nudos de una red cristalina. Un sólido tiene en ausencia de fuerzas externas un volumen fijo y una forma determinada.
Los átomos y moléculas vibran, alrededor de sus posiciones de equilibrio estable, cada vez con mayor amplitud a medida que se incrementa la temperatura. Llega un momento en el que vencen a las fuerzas de atracción que mantienen a los átomos en sus posiciones fijas y el sólido se convierte en líquido. Los átomos y moléculas siguen unidos por las fuerzas de atracción, pero pueden moverse unos respecto de los otros, lo que hace que los líquidos se adapten al recipiente que los contiene pero mantengan un volumen constante.
Cuando se incrementa aún más la temperatura, se vencen las fuerzas de atracción que mantienen unidos a los átomos y moléculas en el líquido. Las moléculas están alejadas unas de las otras, se pueden mover por todo el recipiente que las contiene y solamente interaccionan cuando están muy próximas entre sí, en el momento en el que chocan. Un gas adopta la forma del recipiente que lo contiene y tiende a ocupar todo el volumen disponible.
Un ejemplo clásico en el que se utilizan los conceptos de calor específico y calor latente es el siguiente:
Determinar el calor que hay que suministrar para convertir 1g de hielo a -20 °C en vapor a 100 °C. Los datos son los siguientes:
Calor específico del hielo ch=2090 J/(kg K)
Calor de fusión del hielo Lf=334000 J/kg
Calor específico del agua c=4180 J/(kg K)
Calor de vaporización del agua Lv=2260000 J/kg
Etapas:
Se eleva la temperatura de 1g de hielo de -20 °C (253 K) a 0 °C (273 K)
Q1=0.001·2090·(273-253)=41.8 J
Se funde el hielo
Q2=0.001·334000=334 J
Se eleva la temperatura del agua de 0 °C (273 K) a 100 °C (373 K)
Q3=0.001·4180·(373-273)=418 J
Se convierte 1 g de agua a 100 °C en vapor a la misma temperatura
Q4=0.001·2260000=2260 J
El calor total Q=Q1+Q2+Q3+Q4=3053.8 J.
Si disponemos de una fuente de calor que suministra una energía a razón constante de q J/s podemos calcular la duración de cada una de las etapas
En la figura, que no se ha hecho a escala, se muestra cómo se va incrementando la temperatura a medida que se aporta calor al sistema. La vaporización del agua requiere de gran cantidad de calor como podemos observar en la gráfica y en los cálculos realizados en el ejemplo.
La figura de abajo, está hecha a escala con el programa Excel de Microsoft, tomando los datos de la tabla Calor, Q Temperatura, T 0 -20 41.8 0 375.8 0 793.8 100 3053.8 100
Medida del calor latente de fusión
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Se llena un termo con hielo y se cierra. A través del tapón se pasa un largo tubo de vidrio de pequeña sección S y dos cables que conectan con una resistencia por la que circula una corriente eléctrica que calienta el hielo para convertirlo en agua a 0 °C.
Se añade agua a través del tubo para rellenar la botella y propio el tubo.
En la parte izquierda de la figura, se muestra la situación inicial. En la parte derecha, la situación al cabo de un cierto tiempo t después de conectar la resistencia a una batería.
La resistencia eléctrica calienta el hielo, se funde y el volumen del sistema disminuye, como consecuencia, pasa agua del tubo de vidrio al termo. Medimos la variación de altura del agua en el tubo vertical graduado.
El experimento consiste en medir la energía necesaria para reducir el volumen del sistema en una determinada cantidad a temperatura constante y a presión constante.
En el estado inicial tenemos una masa M de hielo de densidad ρh=0.917 g/cm3 en un volumen V0.
M= ρh·V0
Al cabo de un cierto tiempo t, una masa Δm de hielo se ha convertido en agua de densidad ρa=1.0 g/cm3, El volumen V del sistema disminuye
La variación de volumen, en valor absoluto, es
Para fundir una masa Δm de hielo y convertirla en agua se necesita una cantidad de calor
Q=Lf·Δm
donde Lf es el calor latente de fusión
Al disminuir el volumen del sistema, el agua del tubo vertical entra en el termo, disminuyendo la altura en ΔV=SΔh
Podemos medir el calor Q que suministra la resistencia eléctrica en el tiempo t.
Q=i2·R·t
Medimos la variación de la altura Δh de agua en el tubo de vidrio vertical y despejamos el calor latente de fusión Lf
Ejemplo:
La sección del tubo vertical vale S=0.1782 cm2
La densidad del hielo ρh=0.917 g/cm3
La densidad del agua ρa=1.0 g/cm3
Se precisan Q=13140 J para que el nivel de agua en el tubo vertical disminuya Δh=20 cm.Todos estos procesos se utilizan en la materia que es Es decir es todo aquello que ocupa un sitio en el espacio, se puede tocar, se puede sentir, se puede medir, etc.
Véase también
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Referencias
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Enlaces externos
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Definición de
ESCUCHAR
Si nos centramos en el terreno de la física, el calor es la energía que se traspasa de un cuerpo hacia a otro, capaz de generar un cambio de estado y la dilatación de estos cuerpos. Latente, por su parte, es aquello que se encuentra oculto o que parece inactivo.
La noción de calor latente alude al calor que, al ser recibido por un cuerpo, no incrementa su temperatura, sino que es utilizado para que se produzca un cambio de estado.
Es importante destacar que la temperatura es la magnitud física que se encarga de expresar el nivel del calor. En el caso del calor latente, por lo tanto, se trata de energía que no aumenta esa magnitud en el cuerpo.
Qué es el calor latente
Puede decirse que el calor latente es la energía que un cuerpo o sustancia requiere para cambiar su estado. Una sustancia en estado líquido, por ejemplo, necesita un determinado calor latente para pasar a una fase gaseosa. En este contexto el calor latente puede denominarse calor de evaporización. En un sentido similar, una sustancia sólida requiere de calor latente para pasar a un estado líquido: el calor de fusión.
Como el calor no se traduce en una variación de la temperatura mientras se desarrolla el cambio de estado, parece estar escondido. Por eso se habla de calor latente, ya que se añade calor a la sustancia sin que cambie su temperatura.
Puede servirte: Punto de fusión
Recorrido histórico
El uso de este concepto para describir el fenómeno que se observa cuando un cuerpo o una sustancia cambian de estado sin que el calor aplicado afecte su temperatura deriva de una época remota en la cual los científicos creían que el calor era una sustancia fluida, y la llamaban calórico.
Esto responde a un modelo denominado teoría calórica, la cual sirvió en su momento para explicar durante mucho tiempo los comportamientos y los rasgos físicos del calor, entendiéndolo como un fluido, el cual se decía que impregnaba la materia y era el causante de su calor.
Ver también: Modelo
Calor latente y calor sensible
Cuando el calor es aplicado a una sustancia que no registra un cambio de estado pero sí se incrementa su temperatura, los expertos hacen referencia al calor sensible. Cabe mencionar que ésta es la forma en la cual entendemos el calor en el habla cotidiana, ya que solamente atendemos la variación de temperatura.
Con respecto al calor sensible, la mayoría de los experimentos llevados a cabo apuntan a que para afectar la temperatura de un cuerpo dado necesitamos aplicar una cantidad de calor directamente proporcional a su masa y a la delta de temperaturas que pretendemos alcanzar.
Sigue en: Calor específico
El ejemplo del hielo derritiéndose
Para continuar con la explicación del concepto de calor latente tomemos, por ejemplo, un experimento a través del cual aplicamos calor a un cubo de hielo; dado que este último se encuentra a una temperatura por debajo de los 0 °C, donde el agua debió cambiar de estado líquido a sólido en primer lugar para que obtuviésemos el trozo de hielo, deberemos alcanzar ese umbral y cruzarlo si queremos ver el proceso inverso.
Desde el momento en el cual alcancemos los 0 °C y hasta que el cubo de hielo se haya fundido por completo, su temperatura no cambiará. La razón de esta interrupción en el aumento de calor se debe al principio expuesto en los primeros párrafos: el calor latente no se utiliza para afectar la temperatura del cuerpo, sino para producir su fusión.
Como es de esperarse, una vez que el trozo de hielo se haya fundido, la temperatura del agua comenzará a elevarse hasta alcanzar el siguiente punto de cambio de estado, que en este caso son los 100 °C, donde nuevamente la temperatura se mantendrá estable hasta que toda la sustancia se evapore.
Ver además: Punto de congelación
