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Calor latente

El calor latente (también conocido como energía latente o calor de transformación ) es la energía liberada o absorbida por un cuerpo o un sistema termodinámico durante un proces...

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El calor latente (también conocido como energía latente o calor de transformación ) es la energía liberada o absorbida por un cuerpo o un sistema termodinámico durante un proceso a temperatura constante, generalmente una transición de fase de primer orden , como la fusión o la condensación.

El calor latente puede entenderse como energía oculta que se suministra o extrae para cambiar el estado de una sustancia sin modificar su temperatura ni su presión. Esto incluye el calor latente de fusión (de sólido a líquido), el calor latente de vaporización (de líquido a gas) y el calor latente de sublimación (de sólido a gas). [ 1 ] [ 2 ]

El término fue introducido alrededor de 1762 por el químico escocés Joseph Black . Black utilizó el término en el contexto de la calorimetría , donde una transferencia de calor provocaba un cambio de volumen en un cuerpo mientras su temperatura permanecía constante.

A diferencia del calor latente, el calor sensible es energía que se transfiere en forma de calor , lo que produce un cambio de temperatura en un cuerpo.

Uso

Gráfico de temperatura de las fases del agua calentada de −100 ° C a 200 ° C : el ejemplo de la línea discontinua muestra que para fundir y calentar 1 kg de hielo a −50 ° C hasta convertirlo en agua a 40 ° C se necesitan 600 kJ .

Los términos calor sensible y calor latente se refieren a la energía transferida entre un cuerpo y su entorno, definida por la presencia o ausencia de un cambio de temperatura; dependen de las propiedades del cuerpo. El calor sensible se percibe o se siente durante un proceso como un cambio en la temperatura corporal. El calor latente es la energía transferida durante un proceso sin que se produzca un cambio de temperatura corporal, por ejemplo, en un cambio de fase (sólido/líquido/gas).

Tanto el calor sensible como el latente se observan en muchos procesos de transferencia de energía en la naturaleza. El calor latente está asociado con el cambio de fase del agua atmosférica u oceánica ( vaporización , condensación , congelación o fusión ), mientras que el calor sensible es la energía transferida que se manifiesta en el cambio de temperatura de la atmósfera, el océano o el hielo, sin que se produzcan dichos cambios de fase, aunque sí está asociado con cambios de presión y volumen.

El uso original del término, introducido por Black, se aplicaba a sistemas que se mantenían intencionalmente a temperatura constante. Dicho uso hacía referencia al calor latente de expansión y a otros calores latentes relacionados. Estos calores latentes se definen independientemente del marco conceptual de la termodinámica. [ 3 ]

Cuando un cuerpo se calienta a temperatura constante mediante radiación térmica en un campo de microondas, por ejemplo, puede expandirse en una cantidad descrita por su calor latente con respecto al volumen o calor latente de expansión , o aumentar su presión en una cantidad descrita por su calor latente con respecto a la presión . [ 4 ]

El calor latente es la energía liberada o absorbida por un cuerpo o un sistema termodinámico durante un proceso a temperatura constante. Dos formas comunes de calor latente son el calor latente de fusión ( fusión ) y el calor latente de vaporización ( ebullición ). Estos nombres describen la dirección del flujo de energía al pasar de una fase a otra: de sólido a líquido y de líquido a gas.

En ambos casos, el cambio es endotérmico , lo que significa que el sistema absorbe energía. Por ejemplo, cuando el agua se evapora, se requiere un aporte de energía para que las moléculas de agua superen las fuerzas de atracción entre ellas y realicen la transición de agua a vapor.

Si el vapor se condensa en forma líquida sobre una superficie, la energía latente del vapor, absorbida durante la evaporación, se libera sobre la superficie en forma de calor sensible del líquido .

El elevado valor de la entalpía de condensación del vapor de agua es la razón por la que el vapor es un medio de calentamiento mucho más eficaz que el agua hirviendo, aunque también es más peligroso.

Meteorología

En meteorología , el flujo de calor latente es el flujo de energía desde la superficie terrestre hacia la atmósfera , asociado a la evaporación o transpiración del agua en la superficie y a la posterior condensación del vapor de agua en la troposfera . Es un componente importante del balance energético de la superficie terrestre. El flujo de calor latente se ha medido comúnmente mediante la técnica de la relación de Bowen o, más recientemente desde mediados del siglo XX, mediante el método de covarianza de remolinos .

Historia

Fondo

Enfriamiento por evaporación

William Cullen

En 1748, se publicó en The Edinburgh Physical and Literary Essays un relato de un experimento realizado por el médico y químico escocés William Cullen . Cullen había utilizado una bomba de aire para reducir la presión en un recipiente con éter dietílico . No se extrajo calor del éter, pero este hirvió, aunque su temperatura disminuyó. [ 5 ] [ 6 ] Y en 1758, en un día cálido en Cambridge , Inglaterra, Benjamin Franklin y su colega científico John Hadley experimentaron humedeciendo continuamente la bola de un termómetro de mercurio con éter y utilizando un fuelle para evaporarlo. [ 7 ] Con cada evaporación posterior , el termómetro marcaba una temperatura más baja, llegando finalmente a 7 °F (−14 °C) . Otro termómetro mostraba que la temperatura ambiente se mantenía constante en 65 °F (18 °C) . En su carta Cooling by Evaporation , Franklin señaló que «se puede ver la posibilidad de congelar a un hombre hasta la muerte en un cálido día de verano». [ 8 ]    

Calor latente

José Negro

La palabra inglesa latent proviene del latín latēns , que significa yace oculto . [ 9 ] [ 10 ] El término calor latente fue introducido en la calorimetría alrededor de 1750 por Joseph Black , comisionado por productores de whisky escocés en busca de cantidades ideales de combustible y agua para su proceso de destilación para estudiar los cambios del sistema, tales como de volumen y presión, cuando el sistema termodinámico se mantenía a temperatura constante en un baño térmico.

Se sabía que cuando la temperatura del aire superaba el punto de congelación —convirtiéndose entonces el aire en la fuente de calor obvia— la nieve se derretía muy lentamente y la temperatura de la nieve derretida se aproximaba a su punto de congelación. [ 5 ] En 1757, Black comenzó a investigar si, por lo tanto, se requería calor para la fusión de un sólido, independientemente de cualquier aumento de temperatura. Hasta donde Black sabía, la opinión general en ese momento era que la fusión iba inevitablemente acompañada de un pequeño aumento de temperatura, y que no se necesitaba calor adicional más allá del que este aumento de temperatura requeriría por sí mismo. Sin embargo, pronto Black pudo demostrar que se requería mucho más calor durante la fusión del que podía explicarse solo por el aumento de temperatura. [ 11 ] [ 12 ] También pudo demostrar que un líquido libera calor durante su congelación; de nuevo, mucho más del que podía explicarse solo por la disminución de su temperatura. [ 13 ]

Black comparaba el cambio de temperatura de dos cantidades idénticas de agua, calentadas por medios idénticos, una de las cuales, por ejemplo, se había derretido a partir de hielo, mientras que la otra se había calentado desde un estado líquido frío. Al comparar las temperaturas resultantes, podía concluir que, por ejemplo, la temperatura de la muestra derretida a partir de hielo era 140  °F menor que la de la otra muestra, por lo que la fusión del hielo absorbía 140 "grados de calor" que no podían medirse con el termómetro, pero que debían suministrarse, por lo que era "latente" (oculto). Black también dedujo que tanto calor latente como el suministrado para hervir el destilado (dando así la cantidad de combustible necesaria) también debía absorberse para condensarlo de nuevo (dando así el agua de refrigeración requerida). [ 14 ]

Cuantificación del calor latente

En 1762, Black anunció la siguiente investigación y resultados a una sociedad de profesores en la Universidad de Glasgow. [ 15 ] Black había colocado masas iguales de hielo a 32  °F (0  °C) y agua a 33  °F (0,6  °C) respectivamente en dos recipientes idénticos y bien separados. El agua y el hielo se calentaron uniformemente a 40  °F por el aire de la habitación, que se mantenía a una temperatura constante de 47  °F (8  °C). Por lo tanto, el agua había recibido 40  –  33  =  7 “grados de calor”. El hielo se había calentado durante 21 veces más tiempo y, por lo tanto, había recibido 7  ×  21  =  147 “grados de calor”. [ a ] ​​La temperatura del hielo había aumentado en 8  °F. El hielo había absorbido así 8 “grados de calor”, que Black denominó calor sensible , manifestado como un aumento de temperatura, que podía sentirse y medirse. Además, 147 – 8 = 139 “grados de calor” fueron absorbidos como calor latente , manifestándose como un cambio de fase en lugar de un cambio de temperatura. [ 16 ] [ 17 ]

Black demostró a continuación que se necesitaba una temperatura del agua de 176  °F para derretir una masa igual de hielo hasta que alcanzara los 32  °F. Por lo tanto, parecía que se necesitaban 176  – 32  =  144 “grados de calor” para derretir el hielo. El valor moderno para el calor de fusión del hielo sería de 143 “grados de calor” en la misma escala (79,5 “grados de calor Celsius”). [ 18 ] [ 15 ]

Finalmente, Black aumentó la temperatura de una masa de agua y luego vaporizó una masa igual de agua mediante calentamiento uniforme. Demostró que se necesitaban 830 grados de calor para la vaporización, basándose nuevamente en el tiempo requerido. El valor moderno para el calor de vaporización del agua sería de 967 grados de calor en la misma escala. [ 19 ]

James Prescott Joule

Más tarde, James Prescott Joule caracterizó la energía latente como la energía de interacción en una configuración dada de partículas, es decir, una forma de energía potencial , y el calor sensible como una energía que era indicada por el termómetro, [ 20 ] relacionando esta última con la energía térmica .

calor latente específico

Un calor latente específico ( L ) expresa la cantidad de energía en forma de calor ( Q ) necesaria para efectuar completamente un cambio de fase de una unidad de masa ( m ), generalmente 1 kg , de una sustancia como una propiedad intensiva :

L=Qmetro.{\displaystyle L={\frac {Q}{m}}.}

Las propiedades intensivas son características del material y no dependen del tamaño ni de la extensión de la muestra. En la literatura se suelen citar y tabular el calor latente específico de fusión y el calor latente específico de vaporización para muchas sustancias.

A partir de esta definición, el calor latente para una masa dada de una sustancia se calcula mediante:

Q=metroL{\displaystyle Q={m}{L}}

dónde:

Q es la cantidad de energía liberada o absorbida durante el cambio de fase de la sustancia (en kJ o en BTU ),
m es la masa de la sustancia (en kg o en lb ), y
L es el calor latente específico de una sustancia en particular (en kJ  kg −1 o en BTU  lb −1 ), ya sea L f para fusión o L v para vaporización.

Tabla de calores latentes específicos

La siguiente tabla muestra los calores latentes específicos y las temperaturas de cambio de fase (a presión estándar) de algunos fluidos y gases comunes.

Calor latente específico para la condensación del agua en las nubes

El calor latente específico de condensación del agua en el rango de temperatura de −25  °C a 40  °C se aproxima mediante la siguiente función cúbica empírica:

Lagua(T)≈(2500.8−2.36T+0,0016T2−0,00006T3) J/g,{\displaystyle L_{\text{agua}}(T)\approx \left(2500.8-2.36T+0.0016T^{2}-0.00006T^{3}\right)~{\text{J/g}},}[ 25 ]

donde la temperaturaT{\displaystyle T}se toma como el valor numérico en °C.

Para la sublimación y la deposición desde y hacia el hielo, el calor latente específico es casi constante en el rango de temperatura de −40  °C a 0  °C y puede aproximarse mediante la siguiente función cuadrática empírica:

Lhielo(T)≈(2834.1−0,29T−0,004T2) J/g.{\displaystyle L_{\text{hielo}}(T)\approx \left(2834.1-0.29T-0.004T^{2}\right)~{\text{J/g}}.}[ 25 ]

Variación con la temperatura (o la presión)

Dependencia de la temperatura de los calores de vaporización del agua, el metanol, el benceno y la acetona.

A medida que la temperatura (o la presión) aumenta hasta el punto crítico , el calor latente de vaporización cae a cero.

Véase también

Notas

  1. ↑ Estos “grados de calor” dependían del contexto y solo podían utilizarse cuando las circunstancias eran idénticas, salvo por el único factor que se investigaba. Cuando Black investigó el calor específico, los “grados de calor” se basaron en el cambio de temperatura multiplicado por la masa. Cuando Black investigó el calor latente, se basaron en el cambio de temperatura multiplicado por el tiempo transcurrido. Claramente, estas unidades no eran equivalentes.

Referencias

  1. ↑ Perrot, Pierre (1998). De la A a la Z de la termodinámica . Oxford University Press. ISBN 0-19-856552-6.
  2. ↑ Clark, John OE (2004). The Essential Dictionary of Science . Barnes & Noble Books. ISBN 0-7607-4616-8.
  3. ↑ Bryan, GH (1907). Termodinámica. Un tratado introductorio que trata principalmente sobre los primeros principios y sus aplicaciones directas , BG Tuebner, Leipzig, páginas 9, 20–22.
  4. ↑ Maxwell, JC (1872). Teoría del calor , tercera edición, Longmans, Green, and Co., Londres, página 73.
  5. 1 2 West, JB (2014-06-15). "Joseph Black, dióxido de carbono, calor latente y los comienzos del descubrimiento de los gases respiratorios" . American Journal of Physiology. Lung Cellular and Molecular Physiology . 306 (12): L1057– L1063. doi : 10.1152/ajplung.00020.2014 . ISSN 1040-0605 . PMID 24682452 .  
  6. ↑ Ramsay, W. (1918). La vida y las cartas de Joseph Black, MD Constable. pp. 38– 39. 
  7. ↑ "Los escritos de Benjamin Franklin: Londres, 1757–1775" . Historycarper.com. Archivado del original el 28 de enero de 2011. Consultado el 14 de septiembre de 2010 .
  8. ↑ "Fundadores en línea: De Benjamin Franklin a John Lining, 17 de junio de 1758" . founders.archives.gov . Consultado el 30 de junio de 2021 .
  9. ↑ Harper, Douglas. "latente" . Diccionario etimológico en línea .
  10. ↑ Lewis, Charlton T. (1890). Un diccionario elemental de latín . Entrada para latens .
  11. ↑ Ramsay, William (1918). La vida y las cartas de Joseph Black, MD Constable. pág. 44. 
  12. ↑ Black, Joseph (1807). Robinson, John (ed.). Lecciones sobre los elementos de la química: impartidas en la Universidad de Edimburgo . Mathew Carey. págs. 111–112 . 
  13. ↑ Black, Joseph (1807). Robison, John (ed.). Lecciones sobre los elementos de la química: impartidas en la Universidad de Edimburgo . Mathew Carey. pág. 112. 
  14. ↑ Burke, James (1979). "Crédito donde corresponde". El día que el universo cambió . Episodio 6. El evento ocurre en el minuto 50 (34 minutos). BBC.
  15. 1 2 Black, Joseph (1807). Robinson, John (ed.). Lecciones sobre los elementos de la química: impartidas en la Universidad de Edimburgo . Mathew Carey. pág. 120. 
  16. ↑ Ramsay, W. (1918). La vida y las cartas de Joseph Black, MD Constable. pág. 44. 
  17. ↑ Black, Joseph (1807). Robinson, John (ed.). Lecciones sobre los elementos de la química: impartidas en la Universidad de Edimburgo . Mathew Carey. págs. 115–117 . 
  18. ↑ Ramsay, W. (1918). La vida y las cartas de Joseph Black, MD Constable. pág. 45. 
  19. ↑ Ramsay, W. (1918). La vida y las cartas de Joseph Black, MD Constable. pp. 45– 46. 
  20. ↑ Joule, JP (1884), The Scientific Paper of James Prescott Joule , The Physical Society of London, p. 274, Me inclino a creer que ambas hipótesis se comprobarán: que en algunos casos, particularmente en el caso del calor sensible, o como lo indica el termómetro, se encontrará que el calor consiste en la fuerza viva de las partículas de los cuerpos en los que se induce; mientras que en otros, particularmente en el caso del calor latente, los fenómenos se producen por la separación de partícula a partícula, de modo que hacen que se atraigan entre sí a través de un espacio mayor. Conferencia sobre la materia, la fuerza vital y el calor. 5 y 12 de mayo de 1847.
  21. ↑ Chickos, James S.; Acree, William E. (2002). "Entalpías de sublimación de compuestos orgánicos y organometálicos. 1910–2001" . Journal of Physical and Chemical Reference Data . 31 (2): 537– 698. doi : 10.1063/1.1475333 . ISSN 0047-2689 . 
  22. ↑ Yaws, Carl L. (2011). Manual de Yaws sobre las propiedades de los elementos químicos . Knovel.
  23. ↑ Elert, Glenn (2021). "Calor latente" . El libro de texto hipertextual de física .
  24. ↑ "Ácido fórmico" . NIST WebBook . Instituto Nacional de Estándares y Tecnología . Consultado el 31 de julio de 2024 .
  25. 1 2 Ajustes de curvas polinómicas a la Tabla 2.1. RR Rogers; MK Yau (1989). Un curso breve de física de nubes (3.ª ed.). Pergamon Press. pág. 16. ISBN   0-7506-3215-1.