Calor latente

El calor latente (también conocido como energía latente o calor de transformación ) es la 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 .

El calor latente puede entenderse como energía en forma oculta que se suministra o extrae para cambiar el estado de una sustancia sin cambiar su temperatura. Algunos ejemplos son el calor latente de fusión y el calor latente de vaporización que intervienen en los cambios de fase , es decir, una sustancia que se condensa o vaporiza a una temperatura y presión específicas. ^{[1] [2]}

El término fue introducido alrededor de 1762 por el químico británico Joseph Black . Se deriva del latín latere ( mentir escondido ). Black usó el término en el contexto de la calorimetría, donde una transferencia de calor provocó 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 un cambio de temperatura resultante en un cuerpo.

Uso

Gráfico de la temperatura de las fases del agua calentada de −100 ° C a 200 ° C : el ejemplo de línea discontinua muestra que para derretir y calentar 1 kg de hielo a −50 ° C en agua a 40 ° C se necesitan 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 ocurrencia de un cambio de temperatura; dependen de las propiedades del cuerpo. El ″ calor sensible ″ se ″ siente ″ o se siente en un proceso como un cambio en la temperatura corporal. El ″ calor latente ″ es energía transferida en un proceso sin cambio de temperatura corporal, por ejemplo, en un cambio de fase (sólido / líquido / gas).

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

El uso original del término, tal como lo introdujo Black, se aplicó a sistemas que se mantuvieron intencionalmente a temperatura constante. Dicho uso se refería al calor latente de expansión y 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 por 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 latente. calor con respecto a la presión . ^[4] El calor latente es la energía liberada o absorbida, por un cuerpo o un sistema termodinámico , durante un proceso de 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 cuando se cambia de una fase a la siguiente: de sólido a líquido y de líquido a gas.

En ambos casos el cambio es endotérmico , lo que significa que el sistema absorbe energía. Por ejemplo, cuando el agua se evapora, se requiere energía para que las moléculas de agua superen las fuerzas de atracción entre ellas, la transición del agua al vapor requiere un aporte de energía.

Si el vapor luego se condensa a un líquido en 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 de la Tierra a la atmósfera que está asociado con la evaporación o transpiración de agua en la superficie y la posterior condensación de vapor de agua en la troposfera . Es un componente importante del balance energético de la superficie de la Tierra. El flujo de calor latente se ha medido comúnmente con la técnica de relación de Bowen , o más recientemente desde mediados del siglo XX mediante el método de covarianza de remolinos .

Historia

La palabra inglesa latente viene del latín latēns , que significa mentir escondido . ^{[5] [6]} El término calor latente se introdujo en la calorimetría alrededor de 1750 cuando Joseph Black , encargado por los productores de whisky escocés en busca de cantidades ideales de combustible y agua para su proceso de destilación, ^[7] para estudiar cambios en el sistema, como de volumen y presión, cuando el sistema termodinámico se mantuvo a temperatura constante en un baño termal. 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 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 ) requerida para efectuar completamente un cambio de fase de una unidad de masa ( m ), generalmente 1 kg , de una sustancia como una 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 se cita y tabula en la literatura 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 para una sustancia en particular (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 temperatura de fase (a presión estándar) de algunos fluidos y gases comunes. ^{[ cita requerida ]}

Sustancia	SLH de fusión (kJ / kg)	Punto de fusión (° C)	SLH de vaporización (kJ / kg)	Punto de ebullición (° C)
Alcohol etílico	108	−114	855	78,3
Amoníaco	332.17	−77,74	1369	−33,34
Dióxido de carbono	184	−78	574	−57
Helio			21	−268,93
Hidrógeno (2)	58	−259	455	−253
Plomo [9]	23,0	327,5	871	1750
Nitrógeno	25,7	−210	200	−196
Oxígeno	13,9	−219	213	−183
Refrigerante R134a		−101	215,9	−26,6
Refrigerante R152a		−116	326,5	-25
Silicio [10]	1790	1414	12800	3265
Tolueno	72,1	−93	351	110,6
Trementina			293
Agua	334	0	2264.705	100

Calor latente específico para la condensación del 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 ${\displaystyle T}$ se toma como valor numérico en ° C.

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 de 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

• Relación de Bowen
• Flujo de covarianza de remolinos (correlación de remolinos, flujo de remolinos)
• Sublimación (física)
• Capacidad calorífica específica
• Entalpía de fusión
• Entalpía de vaporización

Referencias

1. Perrot, Pierre (1998). De la A a la Z de 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). Theory of Heat , 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 es debido". El día que cambió el universo . Episodio 6. El evento ocurre a los 50 (34 minutos). BBC.
8. JP Joule (1884), El artículo científico de James Prescott Joule , The Physical Society of London, pág. 274, me inclino a creer que ambas hipótesis se verán válidas, que en algunos casos, particularmente en el caso del calor sensible, o como 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 partícula de partícula, 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. "Calor latente" . El hipertexto de física .
11. La curva polinomial se ajusta a la Tabla 2.1. RR Rogers; MK Yau (1989). Un curso corto de física de las nubes (3ª ed.). Pergamon Press. pag. 16. ISBN 0-7506-3215-1.