Adrián del Salvador Yaque Sánchez - Preparar y acondicionar elementos y máquinas de la planta química. QUIE0108

Propiedades térmicas de los productos (calor de fusión, calor de vaporización, calor específico)

Las propiedades térmicas que tiene cualquier sustancia son: calor de fusión, calor de vaporización y calor específico.

Calor de fusión y calor de vaporización

Como ya se sabe, una sustancia experimenta un cambio de temperatura cuando se calienta o se enfría, es decir, cuando absorbe o cede calor al ambiente que le rodea. A este calor se le denomina calor sensible.

Sin embargo, en el momento de cambio de fase, una sustancia absorbe o cede calor sin que se produzca un cambio de su temperatura. El calor que es necesario aportar o quitar para que una sustancia cambie de estado se denomina calor de cambio de estadoo calor latentede la sustancia, y depende del tipo de cambio de fase.

La suma del calor sensible y calor latente se llama calor totalo entalpía.

Los valores de calor de cambio de estados se establecen en las unidades de medida de kilojulios por kilogramo (KJ×Kg -1) o kilocalorías por kilogramos (Kcal×Kg -1) en el S.I., o en BTU por libra en el S.A. (BTU×lb -1).

Ejemplo

Cuando se aplica calor (calor sensible) a un bloque de hielo a -25 ºC, va aumentando su temperatura hasta llegar a 0 ºC que es su temperatura de cambio de fase. A partir de entonces, aunque se le siga aplicando calor (calor de cambio de fase), la temperatura no cambia hasta que se haya fundido todo el hielo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo. Una vez fundido el hielo, el calor (calor sensible) aplicado volverá a subir la temperatura hasta llegar a 100 °C. En ese momento, si se aplica calor (calor de cambio de fase) se mantendrá la temperatura invariable hasta que se evapore toda el agua. A partir de ese momento, si se aplica calor (calor sensible) seguirá aumentando la temperatura del vapor de agua.

El calor de cambio de estado, si se utiliza para cambiar el estado de sólido a líquido, se denomina calor de fusión,y si es para cambiarlo de líquido a gaseoso, calor de vaporización. Al cambiar de estado gaseoso a líquido y de líquido a sólido se libera la misma cantidad de energía que el calor de vaporización y fusión respectivamente. En esos casos se denominan calor de condensación y de solidificación, pero no son tan conocidos como los anteriores.

Recuerde

Calor de fusión es el calor de cambio de estado para pasar del estado sólido al líquido.

Calor de vaporización es el calor de cambio de estado para pasar del estado líquido al gaseoso.

Calor específico

Como se sabe, cuando una cuchara metálica se deja en un plato de sopa caliente su temperatura sube rápidamente, lo que no ocurriría si la cuchara fuese de madera. Por tanto, no todas las sustancias aumentan su temperatura de igual manera cuando se les aporta la misma cantidad de calor.

Esto ha llevado a definir dos magnitudes, la capacidad calorífica y el calor específico.

Definición

Capacidad caloríficaEs la cantidad de energía que hay que aportar a una sustancia para aumentar su temperatura en una unidad, es decir, en un grado.

La capacidad calorífica indica la mayor o menor dificultad que tiene toda la masa de una sustancia para experimentar cambios de temperatura cuando se le suministra calor. Depende no solo de la sustancia a la que se aporta calor sino también de la cantidad de masa de la sustancia, es decir, es característico de un cuerpo concreto.

Ejemplo

La capacidad calorífica de un tanque de almacenamiento de agua es mayor que la de una botella de agua, ya que al primero hay que aportarle mucha más energía para aumentar su temperatura un grado.

Su unidad de medida en el S.I. es el julio por grado Celsius (J · ºC -1), aunque también se utiliza calorías por grado Celsius (Cal · ºC -1). En el S.A. su unidad de medida es el BTU por gado Fahrenheit (BTU · ºF -1).

El calor específico es una propiedad que tienen las sustancias, independientemente de su tamaño, que indica la mayor o menor dificultad para experimentar cambios de temperatura cuando se le suministra calor. Depende solo de la sustancia a la que se aporta calor y, por ello, es característica de una sustancia concreta.

Definición

Calor específicoEs la energía necesaria que hay que aportar a una unidad de masa de una sustancia para aumentar su temperatura en una unidad, es decir, en un grado.

Cuanto mayor sea el calor específico de una sustancia, más calor se necesita para aumentar la temperatura.

Con anterioridad se llegó a relacionar el calor (Q) de una sustancia con su temperatura (t), su masa (M) y su calor específico (c) por medio de la ecuación:

Q = c · M · t

Por tanto, si se quiere calcular el calor absorbido o emitido por una sustancia, se deberá utilizar la ecuación anterior teniendo en cuenta la temperatura final ( tf) e inicial ( ti) de la sustancia, mediante:

Q = c · M · (t f- t i)

Si el calor se absorbe, la temperatura final es mayor que la inicial, por lo que el valor del calor es positivo, y si se emite, será negativo.

Nota

Como ya se sabe, la unidad de medida del calor específico en el S.I. es el julio por kilogramo y por grado Celsius (Kcal · gr · K -1), pero como en la práctica esta unidad es relativamente pequeña se utiliza kilocalorías por gramo y por grado kelvin (Kcal · gr -1· ºK -1). Su unidad de medida en el S.A. es el BTU por libra y por grados Fahrenheit (BTU · lb -1· ºF -1).

Para medir el calor específico y las cantidades de calor que absorben y liberan los cuerpos se utiliza el calorímetro.

Mecanismos de transferencia de calor (conducción, convección, radiación)

La transmisión de calor siempre se produce desde el cuerpo más caliente al más frío hasta que ambos alcanzan la misma temperatura. Este proceso se puede llevar a cabo mediante tres mecanismos diferentes, aunque con frecuencia aparecen simultáneamente:

1 1. Conducción.

2 2. Convección.

3 3. Radiación.

Conducción

El calor se transmite por conducción cuando se produce en un sólido la transferencia de energía desde las partículas más energéticas como resultado de interacciones entre estas partículas y sin que se produzca transferencia de masa.

Nota

Las sustancias tienen distinta conductividad térmica, es decir, capacidad para conducir calor, existiendo materiales conductores térmicos y aislantes térmicos.