Calorimetria

17.6 Calorimetría y cambios de fase

Calorimetría significa “medición del calor”. Hemos hablado de la transferencia de energía (calor) durante los cambios de temperatura. El calor interviene también en los cambios de fase, como la fusión del hielo o la ebullición del agua.

Cambio de fase

Usamos el término fase para describir un estado específico de la materia, como solido, líquido o gas. El compuesto H2O existe en la fase solida como hielo, en la fase liquida como agua y en la fase gaseosa como vapor de agua. Una transición de una fase a otra es un cambio de fase. Para una presión dada, los cambios de fase ocurren a una temperatura definida, usualmente acompañada por absorción o emisión de calor y un cambio de volumen y de densidad.

Un ejemplo conocido de cambio de fase es la fusión del hielo. Si agregamos calor al hielo a 0ºC y presión atmosférica normal, la temperatura del hielo no aumenta, si no que parte de él se funde para formar agua liquida. Si agregamos el calor lentamente, manteniendo el sistema cerca del equilibrio térmico, la temperatura seguirá en 0ºC hasta que todo el hielo se haya fundido. El efecto al agregar calor a este sistema no es elevar su temperatura sino cambiar su fase de solido a liquido.

Para convertir 1kg de hielo a 0ºC en un kg de agua liquida a 0ºC y presión atmosférica normal necesitamos 3,34 x 105 J/kg de calor. El calor requerido por unidad de masa es el calor de fusión (o calor latente de fusión), denotado por Lf .Para el agua a presión atmosférica normal , el calor de fusión es :

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

En términos más generales, para fundir una masa “m” de material con calor de fusión Lf se requiere una cantidad de calor dada por:

Q = mLf

Este proceso es reversible. Para congelar agua liquida a 0ºC tenemos que quitar calor, la magnitud es la misma, pero ahora Q es negativo porque se quita calor en lugar de agregarse. A fin de cubrir ambas posibilidades e incluir otros tipos de cambios de fase, escribimos:

Q = ± mHf (Transferencia de calor de un cambio de fase)

Usamos el sigo más (entra calor) cuando el material se funde, el signo menos (sale calor) cuando se congela. El calor de fusión es diferente para diferentes materiales y también varía un poco con la presión.

Para un material dado a una presión dada, la temperatura de congelación es la misma que la de fusión. A esta temperatura única las fases liquida y solida (agua liquida y hielo, por ejemplo) pueden coexistir en una condición llamada “equilibrio de fases”

Algo similar sucede con la ebullición o evaporación, una transición de

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