Calor latente

Energía de transición de fase termodinámica.

El calor latente (también conocido como energía latente o calor de transformación ) es energía liberada o absorbida por un cuerpo o un sistema termodinámico , durante un proceso de 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 cambiar su temperatura o presión. Esto incluye el calor latente de fusión (sólido a líquido), el calor latente de vaporización (líquido a gas) y el calor latente de sublimación (sólido a gas). ^{[1] [2]}

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

A diferencia del calor latente, el calor sensible es energía transferida en forma de calor , con el consiguiente cambio de temperatura en un cuerpo.

Uso

Gráfico de temperatura de las fases de agua calentada de −100 °C a 200 °C : el ejemplo de la línea discontinua muestra que derretir y calentar 1 kg de hielo a −50 °C para obtener agua a 40 °C necesita 600 kJ

Los términos calor sensible y calor latente se refieren a la energía transferida entre un cuerpo y su entorno, definida por la ocurrencia o no de un cambio de temperatura; Dependen de las propiedades del cuerpo. El calor sensible se percibe o siente en un proceso como un cambio en la temperatura del cuerpo. El calor latente es energía transferida en un proceso sin cambio de temperatura del cuerpo, por ejemplo, en un cambio de fase (sólido/líquido/gas).

En muchos procesos de transferencia de energía en la naturaleza se observan calores tanto sensibles como latentes. El calor latente está asociado con el cambio de fase del agua atmosférica o del océano, vaporización , condensación , congelación o fusión , mientras que el calor sensible es energía transferida que es evidente en el cambio de temperatura de la atmósfera o del océano, o del hielo, sin esos cambios de fase. , aunque se asocia con cambios de presión y volumen.

El uso original del término, introducido por Black, se aplicó a sistemas que se mantenían intencionalmente a temperatura constante. Dicho uso se refería al calor latente de expansión y a varios 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 . calor con respecto a la presión . ^[4]

El calor latente es 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 la siguiente: de sólido a líquido y de líquido a gas.

En ambos casos el cambio es endotérmico , es decir 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 luego se condensa en un líquido sobre una superficie, entonces la energía latente del vapor absorbida durante la evaporación se libera como calor sensible del líquido sobre la superficie.

El gran 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 y es más peligroso.

Meteorología

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

Historia

La palabra inglesa latente proviene del latín latēns , que significa yacer escondido . ^{[5] [6]} El término calor latente fue introducido en la calorimetría alrededor de 1750 por Joseph Black —encargado por productores de whisky escocés en busca de cantidades ideales de combustible y agua para su proceso de destilación— para estudiar cambios en los sistemas, como de volumen y presión, cuando el sistema termodinámico se mantuvo a temperatura constante en un baño termal. Black compararía el cambio de temperatura de dos cantidades idénticas de agua, calentadas por medios idénticos, una de las cuales, por ejemplo, se derritió a partir de hielo, mientras que la otra se calentó simplemente desde un estado líquido frío. Comparando las temperaturas resultantes, pudo concluir que, por ejemplo, la temperatura de la muestra de hielo derretida era 140 °F más baja que la de la otra muestra, por lo que el hielo derretido absorbió 140 "grados de calor" que no podían ser medidos por el termómetro, aún necesitaba ser suministrado, por lo que estaba "latente" (oculto). Black también dedujo que todo el calor latente que se suministraba para hervir el destilado (dando así la cantidad de combustible necesaria) también tenía que ser absorbido para condensarlo nuevamente (dando así el agua de enfriamiento necesaria). ^[7]

Posteriormente, James Prescott Joule caracterizó la energía latente como la energía de interacción en una determinada configuración de partículas, es decir, una forma de energía potencial , y el calor sensible como una energía que era indicada por el termómetro, ^[8] 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 propiedad intensiva :

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

Las propiedades intensivas son características del material y no dependen del tamaño o extensión de la muestra. Comúnmente citados y tabulados en la literatura son 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

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

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 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 el cambio de temperaturas de fase (a presión estándar) de algunos fluidos y gases comunes. ^{[ cita necesaria ]}

Calor latente específico para la condensación de 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:

${\displaystyle L_{\text{water}}(T)\approx \left(2500.8-2.36T+0.0016T^{2}-0.00006T^{3}\right)~{\text{J/g}},}$^[11]

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

Para la sublimación y 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:

${\displaystyle L_{\text{ice}}(T)\approx \left(2834.1-0.29T-0.004T^{2}\right)~{\text{J/g}}.}$^[11]

Variación con la temperatura (o presión)

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

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

Ver también

• proporción de bowen
• Flujo de covarianza de remolinos (correlación de remolinos, flujo de remolinos)
• Sublimación (física)
• Capacidad calorífica específica
• Entalpía de fusión
• Entalpía de vaporización
• Tonelada de refrigeración : la potencia necesaria para congelar o derretir 2000 libras de agua en 24 horas.

Referencias

1. Perrot, Pierre (1998). De la A a la Z de la Termodinámica . Prensa de la Universidad de Oxford. ISBN 0-19-856552-6.
2. Clark, John OE (2004). El diccionario esencial de la ciencia . Libros de Barnes & Noble. ISBN 0-7607-4616-8.
3. Bryan, GH (1907). Termodinámica. Un tratado introductorio que trata principalmente de 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. Harper, Douglas. "latente". Diccionario de etimología en línea .
6. Lewis, Charlton T. (1890). Un diccionario de latín elemental . Entrada para latens.
7. James Burke (1979). "Crédito donde corresponde". El día que el universo cambió . Episodio 6. El evento ocurre en el 50 (34 minutos). BBC.
8. JP Joule (1884), El artículo científico de James Prescott Joule , The Physical Society of London, p. 274, me inclino a creer que ambas hipótesis serán válidas: que en algunos casos, particularmente en el caso del calor sensible, o el que 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 una partícula a otra, de modo que se atraen entre sí a través de un espacio mayor., Conferencia sobre Materia, Fuerza Viva y Calor. 5 y 12 de mayo de 1847
9. Pian, Carl L. (2011). Manual de propiedades de los elementos químicos del pian . Knovel.
10. Elert, Glenn (2021). "Calor latente". El hiperlibro de física .
11. La curva polinómica se ajusta a la Tabla 2.1. RR Rogers; MK Yau (1989). Un curso breve sobre física de nubes (3ª ed.). Prensa de Pérgamo. pag. 16.ISBN _ 0-7506-3215-1.