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cambio en el estado de la materia

Hay tres estados/fases de la materia, a saber, sólido, líquido y gas. La misma materia puede existir en las tres fases bajo diferentes condiciones de temperatura y presión. Por ejemplo, el hielo (sólido) a 0° cuando se calienta se convierte en agua (líquido) a 0 °C, que al calentarse más se convierte en vapor (gas) a 100 °C. Así, a una presión atmosférica, el agua se encuentra en las tres fases a diferentes temperaturas.

El proceso de cambio de un estado a otro a temperatura constante se llama cambio de fase . Se trae debido al intercambio de calor.
El cambio de fase sólida a líquida se conoce como fusión , mientras que el cambio inverso de líquido a sólido se denomina congelación. El cambio de líquido a vapor se conoce como vaporización, mientras que el cambio inverso de gas a líquido se denomina condensación (o licuefacción). El cambio directo de sólido a vapor se llama sublimación y el cambio inverso de vapor a sólido se llama deposición.

FUSIÓN Y CONGELACIÓN

El cambio de fase sólida a líquida por la absorción de calor a una temperatura constante se llama fusión. El La temperatura constante a la que un sólido cambia a líquido se llama punto de fusión del sólido. El cambio inverso de líquido a fase sólida con liberación de calor a una temperatura constante se denomina congelación y la temperatura a la que un líquido se congela a sólido se denomina punto de congelación. La energía térmica se absorbe durante la fusión y se rechaza durante la congelación a una temperatura constante.

La curva de calentamiento del hielo durante el derretimiento.

Mira el gráfico de arriba. La temperatura del hielo permanece constante igual a 0 °C en la parte AB hasta que todo el hielo se derrite. El calor suministrado durante este tiempo se utiliza para derretir el hielo. Después de esto, la temperatura del agua formada por el derretimiento del hielo comienza a subir desde 0 °C (parte BC).

VAPORIZACIÓN O EBULLICIÓN

El cambio de fase líquida a gas (o vapor) en la absorción de calor a una temperatura constante se llama vaporización. La temperatura particular a la que ocurre la vaporización se denomina punto de ebullición del líquido. De manera similar, el cambio de fase de vapor a fase líquida en la liberación de calor a una temperatura constante se denomina condensación y la temperatura particular a la que se produce la condensación se denomina punto de condensación del vapor.
La energía térmica se absorbe a una temperatura constante durante la vaporización, mientras que la misma cantidad de energía térmica se libera durante la condensación a esa temperatura para la misma masa de la sustancia.

La curva de calentamiento del agua.

En el punto A, el agua está a temperatura ambiente (20 °C) y luego, con la absorción de energía térmica, la temperatura del agua aumenta continuamente en la parte AB donde está en estado líquido. En el punto B comienza la ebullición y la temperatura no aumenta más en la parte BC, la energía calorífica se absorbe continuamente y representa la ebullición del agua, siendo B el punto de ebullición del agua.

¿Por qué añadimos sal al cocinar las legumbres? Esto se basa en el hecho de que agregar impurezas aumenta el punto de ebullición del agua. Añadimos sal mientras cocinamos las legumbres, así el agua aporta suficiente energía térmica a su contenido antes de hervir y así la cocción se hace más fácil y rápida. ¿Por qué se tarda más en cocinar los alimentos en las colinas que en las llanuras? Esto se basa en el hecho de que el punto de ebullición disminuye con una disminución de la presión. En altitudes elevadas como cerros o montañas, la presión atmosférica es baja, por lo que en estos lugares el agua hierve a una temperatura inferior a los 100 °C y por lo tanto no aporta la energía calorífica necesaria a su contenido para cocinar. Por lo tanto, cocinar lleva mucho más tiempo en esos lugares.

CALOR LATENTE Y CALOR LATENTE ESPECÍFICO

Durante el cambio de fase de una sustancia que tiene lugar a temperatura constante, se absorbe o libera una cantidad considerable de energía térmica.   Dado que la energía térmica absorbida o liberada en un cambio de fase no se manifiesta externamente por ningún aumento o disminución de la temperatura, se denomina calor latente.
El calor latente, cuando se expresa por unidad de masa de una sustancia, se llama calor latente específico y se denota con el símbolo L.

La unidad SI de calor latente específico es J kg ^-1 , otras unidades comunes son cal g ^-1 .
1 cal g ^-1 = 4,2 × 10 ³ J kg ^-1

El calor de fusión es la energía térmica que debe retirarse para solidificar cierta masa o cantidad de fluido o agregarse para fundir cierta masa o cantidad de sólido. También se le llama calor latente de fusión. El calor latente de vaporización es el calor consumido o descargado cuando la materia se desintegra, cambiando de estado de líquido a estado gaseoso a una temperatura constante.
El calor latente específico de fusión del hielo es la energía calorífica necesaria para derretir una unidad de masa de hielo a 0 °C en agua a 0 °C sin ningún cambio de temperatura. El calor latente específico de congelación del hielo es la energía térmica liberada cuando una unidad de masa de agua a 0 °C se congela en hielo a 0 °C sin ningún cambio de temperatura. Para el hielo, el calor latente específico de fusión es 336 000 J kg ^-1 , lo que significa que 1 kg de hielo a 0 °C absorbe 336 000 J de energía térmica para convertirse en agua a 0 °C. Para la vaporización, es la cantidad de calor (540 cal g ⁻¹ ) que se espera que transforme 1 g de agua en 1 g de vapor de agua. Una medida similar de calor se libera en el movimiento del escenario durante la acumulación de 1 g de vapor de agua en 1 g de agua.

Explicación del calor latente de fusión sobre la base del modelo cinético
De acuerdo con el modelo cinético, las moléculas en un sólido vibran alrededor de su posición media. La energía total de una molécula es la suma de la energía cinética (que depende de la temperatura) debida a su movimiento y su energía potencial (que depende de la fuerza de atracción entre las moléculas y de la separación entre ellas). Cuando un sólido se convierte en líquido sin un cambio de temperatura, la cinética promedio de las moléculas no cambia, pero la separación entre las moléculas en promedio aumenta. Se requiere algo de energía para aumentar la separación contra las fuerzas de atracción entre las moléculas (es decir, para aumentar la energía potencial de las moléculas). Por lo tanto, la energía térmica suministrada durante la fusión se utiliza solo para aumentar la energía potencial de las moléculas y se denomina calor latente de fusión.

Ejemplos

• La nieve en las montañas no se derrite toda a la vez: la razón es que el hielo tiene un alto calor latente de fusión específico (336000 J kg ^-1 ). Se convierte en agua lentamente a medida que obtiene la energía térmica del sol. Si el calor latente hubiera sido bajo, toda la nieve se habría derretido en poco tiempo al recibir el calor del sol y habría inundaciones en los ríos.
• En los países fríos, el agua de los lagos y estanques no se congela de golpe: la razón es que el calor específico latente de fusión del hielo es suficientemente alto, por lo que el agua de los lagos y estanques tendrá que liberar una gran cantidad de calor para el entorno antes de congelarse. La capa de hielo formada sobre la superficie del agua, que es un mal conductor del calor, también evitará la pérdida de calor del agua del lago, por lo que no se congelará de golpe.
• Las bebidas se enfrían más rápidamente al agregar un trozo de hielo que el agua helada a 0 °C: esto se debe a que 1 gramo de hielo a 0 °C requiere 336 J de energía térmica de la bebida para derretirse en el agua a 0 °C. C. Estas bebidas liberan 336 J adicionales de energía térmica a 1 gramo de hielo a 0 °C, que a 1 gramo de agua helada a 0 °C.

• La sudoración provoca enfriamiento: la sudoración es una función corporal que salva vidas y ayuda a regular la temperatura corporal. Cuando hace calor o la temperatura de su cuerpo aumenta debido al ejercicio o la fiebre, el sudor se libera a través de los conductos de la piel. Contiene 90% de agua. Las gotas de sudor presentes en su cuerpo utilizan el calor del cuerpo para la transición de fase de líquido a vapor. Esto da como resultado un efecto refrescante que ayuda a mantener la temperatura corporal y refresca el cuerpo.
• Siempre tenga cuidado al abrir la tapa de una olla cuando el agua en ella está hirviendo: El agua tiene un gran calor latente específico de vaporización. Cuando el vapor se condensa en la piel de su brazo, se libera una gran cantidad de calor latente, lo que provoca quemaduras graves.

Pregunta 1: ¿ Cuánta energía térmica se requiere para derretir 10 kg de hielo? (Calor latente específico del hielo = 336 J g ^-1 )
Solución: m = 10 kg, L = 336 J g ^-1
Energía calorífica requerida = mL = 10000 × 336 = 3360000 J

Pregunta 2: La temperatura de 250 gramos de agua a 40 °C se baja a 0 °C añadiéndole hielo. Encuentre la masa de hielo agregada. (El calor latente específico del hielo es 336 J g ^-1 y la capacidad calorífica específica del agua es 4,2 J g ^-1 K ^-1 )
Solución: Energía térmica perdida por el agua = energía térmica ganada por el hielo
La caída de temperatura es 40 − 0 = 40 °C.
Calor perdido por el agua = m⋅c⋅Δt = 250 × 4,2 × 40 = 42000 J
Calor ganado por el hielo = 42000 = masa de hielo × 336 ⇒ masa de hielo = 42000 ∕ 336 = 125 g

Pregunta 3: 10125J de energía térmica hierve 4,5 g de agua a 100 °C en vapor a 100 °C, encuentre el calor latente del vapor en unidades SI.
Solución: Calor latente del vapor L = 10125 J ∕ (4,5 × 10 ^-3 ) kg = 2250 × 10 ³ J∕kg