Calor latente y cambios de fase: Física HSC explicada
Aprende por qué puede transferirse energía durante la fusión, la ebullición, la congelación y la condensación sin cambiar la temperatura. Incluye modelos claros, cálculos resueltos, errores comunes y práctica al estilo HSC.
Coloca un cubo de hielo a \(0^\circ\text{C}\) en una habitación cálida y transfiérele energía. ¿Qué ocurre con su temperatura mientras se derrite?
Una predicción tentadora es que la temperatura debe aumentar porque está entrando energía en el hielo. Pero mientras el hielo está cambiando realmente de agua sólida a agua líquida, su temperatura permanece aproximadamente en \(0^\circ\text{C}\).
Entonces, ¿adónde va la energía?
Ese es el problema que resuelve el calor latente. Durante un cambio de estado, la energía puede entrar o salir de una sustancia sin cambiar su temperatura. La energía modifica cómo están dispuestas sus partículas y con qué intensidad interactúan, en lugar de simplemente hacer que su movimiento aleatorio sea más rápido.
01La temperatura no es lo mismo que la energía interna
Antes de estudiar el calor latente, conviene separar dos ideas que es fácil confundir.
La temperatura nos informa sobre el movimiento microscópico aleatorio de las partículas. En el modelo del HSC, una temperatura más alta corresponde a una mayor energía cinética media de las partículas.
La energía interna es un concepto más amplio. Incluye:
- energía cinética microscópica, asociada con el movimiento de las partículas
- energía potencial microscópica, asociada con las posiciones e interacciones de las partículas
Esta distinción explica por qué una sustancia puede ganar energía sin calentarse.
Imagina una fiesta abarrotada en la que todos se dan la mano. Dar a las personas más energía cinética haría que se movieran con mayor intensidad. Eso sería parecido a aumentar la temperatura.
Pero supón que, en cambio, utilizas la energía para separar a unas personas de otras. Puede que no se muevan más rápido, pero su disposición cambia. Eso se parece más a lo que ocurre durante la fusión o la ebullición.
La analogía tiene límites. Las moléculas no son personas que se dan la mano deliberadamente, y las fuerzas intermoleculares no son agarres de manos literales. Lo útil de la analogía es simplemente que la energía puede cambiar el movimiento o la disposición.
02¿Qué ocurre durante un cambio de fase?
Considera hielo en su punto de fusión.
Las moléculas de agua del sólido están dispuestas en una estructura relativamente ordenada. Vibran, pero permanecen en sus posiciones debido a las atracciones intermoleculares.
Ahora transfiere energía al hielo.
Al principio, podrías esperar que las moléculas se movieran más rápido y que la temperatura aumentara. Sin embargo, mientras ocurre la fusión, gran parte de la energía transferida se utiliza para superar suficientemente las atracciones intermoleculares y permitir que las moléculas se reorganicen en el estado líquido.
La energía cinética media no aumenta de forma significativa durante el cambio de fase, por lo que la temperatura permanece aproximadamente constante.
Esta es la idea clave:
Durante un cambio de estado a presión constante, la transferencia de energía puede cambiar la energía potencial intermolecular de una sustancia sin cambiar su temperatura.
También ocurre el proceso inverso. Cuando un líquido se congela o un gas se condensa, la energía se transfiere fuera de la sustancia a medida que las partículas pasan a disposiciones con menor energía potencial intermolecular.
03Calor latente
La energía transferida durante un cambio de fase se denomina calor latente.
La palabra “latente” significa oculto. La transferencia de energía queda oculta para un termómetro porque la temperatura no cambia durante el cambio de fase idealizado.
Para una masa \(m\) que experimenta un cambio de fase completo,
\[ Q = mL \]
donde:
- \(Q\) es la energía transferida, medida en julios (J)
- \(m\) es la masa que experimenta el cambio de fase, medida en kilogramos (kg)
- \(L\) es el calor latente específico, medido en julios por kilogramo (\(\text{J kg}^{-1}\))
El calor latente específico indica cuánta energía se necesita para cambiar el estado de 1 kg de una sustancia sin cambiar su temperatura.
Dos tipos comunes son:
| Cambio de fase | Calor latente específico | Qué hace la energía |
|---|---|---|
| sólido \(\leftrightarrow\) líquido | calor latente específico de fusión, \(L_f\) | cambia la disposición sólido-líquido |
| líquido \(\leftrightarrow\) gas | calor latente específico de vaporización, \(L_v\) | separa las partículas mucho más |
Para el agua, algunos valores aproximados útiles son:
\[ L_f = 3.34 \times 10^5\ \text{J kg}^{-1} \]
y
\[ L_v = 2.26 \times 10^6\ \text{J kg}^{-1} \]
Observa que \(L_v\) es mucho mayor que \(L_f\). Convertir agua líquida en gas requiere mucha más energía por kilogramo que fundir hielo.
¿Por qué?
Durante la fusión, las moléculas permanecen bastante cerca unas de otras. Durante la vaporización, se separan mucho más, por lo que se necesita considerablemente más energía para superar las atracciones intermoleculares.
Ejemplo resuelto: ¿Cuánta energía derrite una cantidad de hielo?
Un bloque de hielo de \(0.150\ \text{kg}\) está a \(0^\circ\text{C}\). Calcula la energía necesaria para derretirlo por completo. Usa \(L_f = 3.34 \times 10^5\ \text{J kg}^{-1}\).
Paso 1
El hielo ya está en su punto de fusión, por lo que no es necesario calcular un aumento de temperatura. La energía se utiliza únicamente para el cambio de fase.
Paso 2
\[ Q = mL \]
Paso 3
\[ \begin{aligned} Q &= (0.150)(3.34 \times 10^5)\\ &= 5.01 \times 10^4\ \text{J} \end{aligned} \]
Paso 4
El hielo necesita
\[ \boxed{Q = 5.01 \times 10^4\ \text{J}} \]
o \(50.1\ \text{kJ}\), para derretirse por completo.
Durante este proceso de fusión, el agua permanece aproximadamente a \(0^\circ\text{C}\). La energía transferida aumenta su energía interna al cambiar la disposición molecular, no al elevar su temperatura.
04¿Por qué no funciona aquí \(Q = mc\Delta T\)?
Puede que ya conozcas la ecuación
\[ Q = mc\Delta T \]
donde \(c\) es la capacidad calorífica específica.
Esta ecuación describe la transferencia de energía asociada con un cambio de temperatura dentro de un mismo estado.
El calor latente describe la transferencia de energía asociada con un cambio de estado.
Esto proporciona una regla útil para decidir:
| ¿Qué está ocurriendo? | Ecuación |
|---|---|
| La temperatura cambia, pero el estado permanece igual | \(Q = mc\Delta T\) |
| El estado cambia a temperatura constante | \(Q = mL\) |
| Ocurren ambos procesos | Divide el proceso en etapas separadas |
No intentes hacer encajar todo un proceso de calentamiento en una sola ecuación.
Por ejemplo, calentar hielo que está por debajo de \(0^\circ\text{C}\), fundirlo y después calentar el agua líquida requiere tres cálculos de energía diferentes. El proceso físico cambia, por lo que también cambia la ecuación.
05Una curva de calentamiento muestra adónde va la energía
Supón que se suministra energía de manera constante a una sustancia.
Mientras permanece en una sola fase, su temperatura aumenta. En una gráfica de temperatura frente a energía, la línea tiene pendiente ascendente.
Cuando alcanza una temperatura de cambio de fase, la gráfica se vuelve horizontal mientras ocurre el cambio de fase. Se sigue añadiendo energía, pero la temperatura permanece aproximadamente constante.
Después, una vez completado el cambio de fase, la transferencia continua de energía vuelve a elevar la temperatura.
Una sección horizontal no significa que no esté ocurriendo nada.
De hecho, puede transferirse una gran cantidad de energía mientras la gráfica permanece horizontal.
La sección horizontal solo significa que la temperatura no está cambiando.
Ejemplo resuelto: Calentamiento y después fusión
Una muestra de hielo de \(0.200\ \text{kg}\) comienza a \(-10.0^\circ\text{C}\). Se calienta hasta que se ha fundido por completo a \(0^\circ\text{C}\).
Usa:
- capacidad calorífica específica del hielo \(c = 2.10 \times 10^3\ \text{J kg}^{-1}\text{K}^{-1}\)
- calor latente específico de fusión \(L_f = 3.34 \times 10^5\ \text{J kg}^{-1}\)
Calcula la energía total transferida.
Paso 1
Hay dos etapas:
- calentar el hielo sólido desde \(-10.0^\circ\text{C}\) hasta \(0^\circ\text{C}\)
- fundir el hielo a \(0^\circ\text{C}\)
Usar únicamente \(Q=mL\) omitiría la primera etapa. Usar únicamente \(Q=mc\Delta T\) omitiría el cambio de fase.
Paso 2
El cambio de temperatura es
\[ \Delta T = 0 - (-10.0) = 10.0\ \text{K} \]
Por lo tanto,
\[ \begin{aligned} Q_1 &= mc\Delta T\\ &= (0.200)(2.10 \times 10^3)(10.0)\\ &= 4.20 \times 10^3\ \text{J} \end{aligned} \]
Paso 3
\[ \begin{aligned} Q_2 &= mL_f\\ &= (0.200)(3.34 \times 10^5)\\ &= 6.68 \times 10^4\ \text{J} \end{aligned} \]
Paso 4
\[ \begin{aligned} Q_{\text{total}} &= Q_1 + Q_2\\ &= 4.20 \times 10^3 + 6.68 \times 10^4\\ &= 7.10 \times 10^4\ \text{J} \end{aligned} \]
Por lo tanto,
\[ \boxed{Q_{\text{total}} = 7.10 \times 10^4\ \text{J}} \]
Aproximadamente el \(94\%\) de esta energía se utiliza para la fusión, en lugar de para elevar la temperatura del hielo desde \(-10^\circ\text{C}\) hasta \(0^\circ\text{C}\). Esta comparación muestra por qué los cambios de fase pueden absorber grandes cantidades de energía sin producir un aumento de temperatura.
06Temperatura constante no significa energía interna constante
Esta es la principal idea errónea que hay que corregir.
Un estudiante ve una sección horizontal en una curva de calentamiento y piensa:
“La temperatura es constante, así que las partículas no están ganando energía.”
Esto parece razonable si se consideran la temperatura y la energía interna como la misma magnitud. No lo son.
Durante la fusión o la ebullición:
- la energía continúa entrando en la sustancia
- la temperatura permanece aproximadamente constante
- la energía cinética media permanece aproximadamente constante
- la energía potencial intermolecular aumenta
- la energía interna total aumenta
Durante la congelación o la condensación, el sentido se invierte:
- la energía sale de la sustancia
- la temperatura permanece aproximadamente constante
- la energía potencial intermolecular disminuye
- la energía interna total disminuye
Por lo tanto, dos muestras a la misma temperatura pueden tener energías internas diferentes si están en fases distintas.
Por ejemplo, \(1\ \text{kg}\) de vapor de agua a \(100^\circ\text{C}\) contiene más energía interna que \(1\ \text{kg}\) de agua líquida a \(100^\circ\text{C}\). La condensación del vapor libera una gran cantidad de energía aunque la temperatura pueda permanecer en \(100^\circ\text{C}\) durante el cambio de fase.
07La fusión y la ebullición no rompen las moléculas
Otro error tentador es afirmar que el calor latente “rompe los enlaces dentro de las moléculas”.
En un cambio de fase físico ordinario, las moléculas siguen siendo químicamente las mismas.
Cuando el agua hierve,
\[ \ce{H2O(l) -> H2O(g)} \]
los enlaces covalentes \(\ce{O-H}\) dentro de cada molécula de agua no se rompen. Sigue siendo \(\ce{H2O}\).
Lo que cambia es la separación y la organización de las moléculas, lo que implica superar las atracciones intermoleculares entre moléculas distintas.
Esta distinción es importante porque romper enlaces químicos intramoleculares describiría un cambio químico, no una ebullición ordinaria.
08¿Qué determina cuánto dura un cambio de fase?
Si un calentador suministra una potencia constante \(P\), entonces
\[ P = \frac{Q}{t} \]
donde:
- \(P\) es la potencia en vatios (W), equivalente a julios por segundo
- \(Q\) es la energía transferida en julios
- \(t\) es el tiempo en segundos
Como un cambio de fase requiere \(Q=mL\),
\[ t = \frac{mL}{P} \]
para un sistema ideal en el que toda la energía del calentador llega a la sustancia.
Esto permite hacer una predicción útil.
Dos masas iguales de agua se calientan con calentadores idénticos. Una masa se está fundiendo a \(0^\circ\text{C}\), y la otra está hirviendo a \(100^\circ\text{C}\). ¿Qué cambio de fase tarda más?
La ebullición, porque el calor latente específico de vaporización es mucho mayor que el calor latente específico de fusión.
En un experimento real, parte de la energía también se transfiere al recipiente y al entorno. El cálculo simple supone que esas pérdidas son despreciables, a menos que la pregunta proporcione suficiente información para incluirlas.
09Preguntas y soluciones
Pregunta 1
Una pieza de hielo de \(0.0800\ \text{kg}\) a \(0^\circ\text{C}\) se derrite por completo. Usa \(L_f = 3.34 \times 10^5\ \text{J kg}^{-1}\).
Calcula la energía transferida al hielo.
Solución 1
El hielo necesita \(\boxed{2.67 \times 10^4\ \text{J}}\) de energía para derretirse por completo.
Como el hielo ya está en su punto de fusión y solo ocurre un cambio de fase, usa
\[ Q=mL_f \]
Sustituyendo,
\[ \begin{aligned} Q &= (0.0800)(3.34\times10^5)\\ &=2.672\times10^4\ \text{J} \end{aligned} \]
Por lo tanto,
\[ \boxed{Q=2.67\times10^4\ \text{J}} \]
La temperatura permanece aproximadamente en \(0^\circ\text{C}\) mientras el hielo se derrite. La energía aumenta la energía interna al cambiar la disposición molecular, en lugar de aumentar la temperatura.
Pregunta 2
Un calentador de \(1.20\ \text{kW}\) suministra energía a \(0.500\ \text{kg}\) de agua que ya está hirviendo a \(100^\circ\text{C}\). Supón que toda la energía del calentador se transfiere al agua.
Usa \(L_v = 2.26\times10^6\ \text{J kg}^{-1}\).
Calcula el tiempo necesario para vaporizar toda el agua.
Solución 2
El agua tarda aproximadamente \(\boxed{942\ \text{s}}\), o \(\boxed{15.7\ \text{min}}\), en vaporizarse por completo.
Primero calcula la energía necesaria:
\[ \begin{aligned} Q &= mL_v\\ &=(0.500)(2.26\times10^6)\\ &=1.13\times10^6\ \text{J} \end{aligned} \]
La potencia del calentador es
\[ 1.20\ \text{kW}=1.20\times10^3\ \text{W} \]
Usando
\[ P=\frac{Q}{t} \]
se obtiene
\[ \begin{aligned} t&=\frac{Q}{P}\\ &=\frac{1.13\times10^6}{1.20\times10^3}\\ &=9.42\times10^2\ \text{s} \end{aligned} \]
Por lo tanto,
\[ \boxed{t=942\ \text{s}\approx15.7\ \text{min}} \]
El cálculo supone una transferencia de energía perfecta. Un calentador real generalmente tardaría más porque parte de la energía calentaría el recipiente y el aire circundante.
Pregunta 3
Un estudiante calienta una sustancia pura a presión constante mediante un calentador que suministra energía a un ritmo constante. Durante cuatro minutos, la temperatura medida permanece constante.
El estudiante afirma: “El calentador debe haber dejado de transferir energía porque la temperatura de la sustancia no está aumentando.”
Explica por qué esta conclusión no está justificada e identifica una observación que podría apoyar una explicación diferente.
Solución 3
La conclusión del estudiante no está justificada porque una sustancia puede absorber energía a temperatura constante mientras experimenta un cambio de fase.
Durante la fusión o la ebullición, la energía transferida puede aumentar la energía potencial intermolecular de la sustancia en lugar de aumentar la energía cinética media de sus partículas. Por lo tanto, la temperatura puede permanecer constante aunque siga entrando energía.
Una observación que apoyaría esta explicación sería un cambio visible en la proporción de las dos fases. Por ejemplo, el material sólido podría desaparecer gradualmente durante la fusión, o el líquido podría convertirse gradualmente en vapor durante la ebullición.
La trampa consiste en suponer que la temperatura mide la energía interna total. No es así. Una temperatura constante nos indica que el movimiento térmico asociado con la temperatura no está aumentando de forma significativa, no que no esté ocurriendo ninguna transferencia de energía.
Pregunta 4
Dos recipientes aislados contienen cada uno \(0.100\ \text{kg}\) de agua.
El recipiente A contiene agua líquida a \(100^\circ\text{C}\).
El recipiente B contiene vapor de agua a \(100^\circ\text{C}\).
Un estudiante sostiene que las dos muestras deben tener la misma energía interna porque tienen la misma masa, la misma sustancia y la misma temperatura.
Evalúa el razonamiento del estudiante.
Solución 4
El recipiente B tiene mayor energía interna, a pesar de que ambas muestras tienen la misma masa y temperatura.
Las temperaturas iguales indican energías cinéticas medias de las partículas comparables en el modelo simplificado del HSC. Sin embargo, la energía interna incluye tanto la energía cinética microscópica como la energía potencial intermolecular.
El vapor de agua tiene una energía potencial intermolecular mucho mayor porque sus moléculas están mucho más separadas que en el líquido.
Si el vapor se condensa a \(100^\circ\text{C}\), transfiere energía al entorno mientras permanece aproximadamente a la misma temperatura durante la condensación:
\[ Q=mL_v \]
Para la muestra de \(0.100\ \text{kg}\),
\[ \begin{aligned} Q&=(0.100)(2.26\times10^6)\\ &=2.26\times10^5\ \text{J} \end{aligned} \]
Por lo tanto, el vapor puede liberar aproximadamente
\[ \boxed{2.26\times10^5\ \text{J}} \]
al convertirse en líquido a la misma temperatura.
El error del estudiante consiste en tratar la temperatura como una medida completa de la energía interna. La fase importa porque la contribución de la energía potencial intermolecular es diferente.
Pregunta 5
Un calentador suministra potencia constante a una muestra que inicialmente contiene tanto hielo como agua líquida a \(0^\circ\text{C}\). Después de cierto tiempo, todo el hielo se ha derretido, pero el termómetro ha permanecido en \(0^\circ\text{C}\).
Un estudiante quiere calcular la energía suministrada usando \(Q=mc\Delta T\). Otro estudiante quiere usar \(Q=mL_f\).
Explica qué enfoque es apropiado. Después, indica un dato que debe conocerse antes de poder calcular un valor numérico de la energía.
Solución 5
La ecuación del calor latente \(Q=mL_f\) es el modelo apropiado para la propia fusión, pero la masa \(m\) debe ser la masa de hielo que realmente se derrite, no necesariamente la masa total del hielo más el agua líquida.
La ecuación
\[ Q=mc\Delta T \]
no es útil para el cambio de fase porque
\[ \Delta T=0 \]
daría incorrectamente \(Q=0\). Sin embargo, se necesita energía porque la fase está cambiando.
En su lugar,
\[ Q=m_{\text{ice melted}}L_f \]
Por lo tanto, la información que falta es la masa inicial de hielo, o información equivalente que permita determinar esa masa.
La suposición implícita es importante. Si el recipiente contiene inicialmente una mezcla de hielo y agua líquida, solo el hielo experimenta fusión. Usar la masa total de agua en \(Q=mL_f\) sobreestimaría la energía necesaria.
10Lo que el calor latente te permite comprender después
El calor latente ofrece una visión más completa de la transferencia de energía térmica. El cambio de temperatura es solo uno de los posibles resultados de transferir energía. Una sustancia también puede utilizar esa energía para cambiar su disposición microscópica mientras su temperatura permanece constante.
Esta distinción resulta especialmente útil al analizar curvas de calentamiento, curvas de enfriamiento, calorimetría y conservación de la energía. En estos problemas, la habilidad principal no consiste en memorizar otra ecuación. Consiste en identificar qué proceso físico está ocurriendo en cada etapa y, después, elegir la ecuación que corresponde a ese proceso.