Cambio de
Estado (Fases)
En física y química se
denomina cambio de estado a
la evolución de la materia entre
varios estados de
agregación sin que ocurra un
cambio en su composición.
Normalmente, una
sustancia experimenta un cambio de temperatura cuando absorbe o cede calor al
ambiente que le rodea. Sin embargo, cuando una sustancia cambia de fase absorbe
o cede calor sin que se produzca un cambio de su temperatura. El calor Q que
es necesario aportar para que una masa m de cierta sustancia
cambie de fase es igual a
Q=mL
donde L se
denomina calor latente de la sustancia y depende del tipo de cambio de fase y
“m” es la masa de la sustancia.
Por ejemplo, para
que el agua cambie de sólido (hielo) a líquido, a 0ºC se necesitan 334·103 J/kg.
Para que cambie de líquido a vapor a 100 ºC se precisan 2260·103 J/kg.
En la siguiente
tabla, se proporcionan los datos referentes a los cambios de estado de algunas
sustancias.
Sustancia
|
T fusión ºC
|
Lf ·103 (J/kg)
|
T ebullición ºC
|
Lv ·103 (J/kg)
|
Hielo (agua)
|
0
|
334
|
100
|
2260
|
Alcohol etílico
|
-114
|
105
|
78.3
|
846
|
Acetona
|
-94.3
|
96
|
56.2
|
524
|
Benceno
|
5.5
|
127
|
80.2
|
396
|
Aluminio
|
658.7
|
322-394
|
2300
|
9220
|
Estaño
|
231.9
|
59
|
2270
|
3020
|
Hierro
|
1530
|
293
|
3050
|
6300
|
Cobre
|
1083
|
214
|
2360
|
5410
|
Mercurio
|
-38.9
|
11.73
|
356.7
|
285
|
Plomo
|
327.3
|
22.5
|
1750
|
880
|
Potasio
|
64
|
60.8
|
760
|
2080
|
Sodio
|
98
|
113
|
883
|
4220
|
Los cambios de estado se pueden explicar de forma cualitativa del
siguiente modo:
En un sólido los átomos y moléculas ocupan las posiciones fijas de los
nudos de una red cristalina. Un sólido tiene en ausencia de fuerzas externas un
volumen fijo y una forma determinada.
Los átomos y moléculas vibran, alrededor de sus posiciones de equilibrio
estable, cada vez con mayor amplitud a medida que se incrementa la temperatura.
Llega un momento en el que vencen a las fuerzas de atracción que mantienen a
los átomos en sus posiciones fijas y el sólido se convierte en líquido. Los
átomos y moléculas siguen unidos por las fuerzas de atracción, pero pueden
moverse unos respecto de los otros, lo que hace que los líquidos se adapten al
recipiente que los contiene pero mantengan un volumen constante.
Cuando se incrementa aún más la temperatura, se vencen las fuerzas de
atracción que mantienen unidos a los átomos y moléculas en el líquido. Las
moléculas están alejadas unas de las otras, se pueden mover por todo el
recipiente que las contiene y solamente interaccionan cuando están muy próximas
entre sí, en el momento en el que chocan. Un gas adopta la forma del recipiente
que lo contiene y tiende a ocupar todo el volumen disponible.
Un ejemplo clásico
en el que se utilizan los conceptos de calor específico y
calor latente es el siguiente:
Donde se utilizará la siguiente formula: Q =
m·Ce·(Tf-Ti)
Determinar el
calor que hay que suministrar para convertir 1g de hielo a -20 ºC en vapor a
100ºC. Los datos son los siguientes:
- Calor específico del hielo ch=2090
J/(kg K)
- Calor de fusión del hielo Lf=334·103 J/kg
- Calor específico del agua c=4180
J/(kg K)
- Calor de vaporización del agua Lv=2260·103 J/kg
Etapas:
- Se eleva la temperatura de 1g de hielo de
-20ºC (253 K) a 0ºC (273 K)
Q1=0.001·2090·(273-253)=41.8
J
- Se funde el hielo
Q2=0.001·334·103=334
J
- Se eleva la temperatura del agua de 0º C (273
K) a 100 ºC (373 K)
Q3=0.001·4180·(373-273)=418
J
- Se convierte 1 g de agua a 100ºC en vapor a la
misma temperatura
Q4=0.001·2260·103=2260
J
El calor
total Q=Q1+Q2+Q3+Q4=3053.8
J.
