Calorimetria Y Cambios De Fase

CALORIMETRIA Y CAMBIOS DE FASE

Calorimetría significa “medición de calor”.

CAMBIOS DE FASE

A un estado específico de la materia se le llama fase, como el agua que se encuentra en estado sólido líquido y gaseoso. Una transición de una fase a otra es un cambio de fase.

Para una presión dada, los cambios de fase se dan a una temperatura definida, generalmente acompañada por absorción o emisión de calor, y un cambio de volumen y densidad. Un ejemplo conocido de cambio de fase es la fusión del hielo. El efecto de agregar calor a este sistema no es elevar su temperatura sino cambiar su fase de sólida a líquida.

Para convertir 1 kg de hielo a 0 °C en 1 kg de agua líquida a 0 °C y a presión atmosférica normal, se necesitan 3.343105 J de calor. El calor requerido por unidad de masa se llama calor de fusión o calor latente de fusión, denotado con Lf. Para el agua a presión atmosférica normal, el calor de fusión es:

Lf = 3.34 3 105 J/kg = 79.6 cal/g =143 Btu/lb

Para fundir una masa m de material con calor de fusión Lf se requiere una cantidad de calor Q dada por:

Q = mLf

EQUILIBRIO DE FASES

En un material dado, a una presión dada, la temperatura de congelación es la

misma que la de fusión. En esta temperatura única, las fases líquida y sólida pueden coexistir en una condición llamada equilibrio de fases.

Algo similar sucede con la ebullición o evaporación, una transición de fase entre líquido y gas. El calor correspondiente (por unidad de masa) se llama calor de vaporización Lv. A presión atmosférica normal el calor de vaporización Lv del agua es:

2.256 3 106 J/kg = 539 cal/g = 970 Btu/lb

Es decir, necesitamos 2.256 3 106 J para convertir 1 kg de agua líquida a 100 °C en 1 kg de vapor de agua a 100 °C. En contraste, para elevar la temperatura de 1 kg de agua de 0 °C a 100 °C se requieren Q = mc DeltaT = (1.00 kg) (4190 J/kg * C°) (100 C°) =4.19 *10 5 J, menos de la quinta parte del calor necesario para la vaporización a 100 °C.

El enfriamiento por evaporación permite al ser humano mantener su temperatura corporal normal en climas desérticos.

La combustión total de 1 gramo de gasolina produce unos 46,000 J , así que el calor de combustión Lc de la gasolina es

Lc = 46,000 J/g =4.63107 J/kg

Al decir que un gramo de mantequilla de maní “contiene 6 calorías”, queremos decir que se liberan 6 Kcal de calor cuando los átomos de carbono e hidrógeno de la mantequilla reaccionan con oxígeno se convierten por completo en CO2 y H2O.

Ejercicio 17.8 cambio de temperatura sin cambio de fase

En el campo una geóloga bebe su café matutino de una taza de aluminio.

La taza tiene una masa de 0.120 kg e inicialmente está a 20.0 °C cuando se vierte en ella 0.300 kg de café que inicialmente estaba a 70.0 °C. ¿A qué temperatura alcanzarán la taza y el café el equilibrio térmico? (Suponga que el calor específico del café es el mismo del agua y que no hay intercambio de calor con el entorno.)

Análisis: Los dos objetos que se deben considerar son la taza y el café, en tanto que la incógnita es su temperatura final.

Datos

Masa de la taza: 0.120 kg

Masa del café: 0.300 kg

Calor especifico del agua: 4190 J/kg * K

Calor especifico del aluminio: 910 J/kg * K

Temperatura inicial del café: 70.0 °C.

Temperatura inicial de la taza: 20.0 °C

Formulas:

el calor (negativo) ganado por el café es

Qcafé = mcafé cagua DeltaTcafé

= (0.300 kg) (4190 J/kg * K)( T - 70.0 °C)

El calor (positivo) ganado por la taza de aluminio es

Qaluminio = maluminio caluminio DeltaTaluminio

=( 0.120 kg 2)(910 J/kg * K) 1(T - 20.0 °C )

Igualamos a cero la suma de estas dos cantidades de calor, obteniendo una ecuación algebraica para T:

Qcafé + Qaluminio =0

(0.300 kg 2)( 4190 J/kg* K)(T - 70.0 °C)+ (0.120 kg) (910 J/kg * K) (T -20.0 °C) = 0

La solución de esta ecuación da T = 66.0 °C.

Ejercicio 17.9 Cambios tanto de temperatura como de fase

Una estudiante de física desea enfriar 0.25 kg de Diet Omni-Cola (casi pura agua), que está a 25 °C, agregándole hielo que está a 220 °C. ¿Cuánto hielo debería ella agregar para que la temperatura final sea 0 °C con todo el hielo derretido, si puede despreciarse la capacidad calorífica del recipiente?

Análisis: El hielo y la Omni-Cola son los objetos que intercambian calor. La Omni-Cola sufre sólo un cambio de temperatura; en tanto que el hielo sufre tanto un cambio de temperatura como un cambio de fase, de sólido a líquido. La incógnita es la masa de hielo, mhielo.

Datos:

...