Calor latente de fusion

Calor latente de
fusión
(Vaporización y sublimación)
CRISTHIAN Y. HILASACA ZEA

Introducción
El calor es muy importante para todo ser vivo,
ya que de él depende la supervivencia de las
especies, ya que el correcto funcionamiento
de nuestros cuerpos depende en gran medida
del grado de calor que posean nuestros
cuerpos y el equilibrio que él nos proporcione;
además el calor permite que el agua pueda
evaporarse y regresar a la tierra en forma de
precipitaciones. Existen diferentes tipos de
calor, uno de ellos es el calor latente.

El calor latente es la energía que se tiene que comunicar a la materia para que
esta cambie su estado; sin la necesidad de aumentar la velocidad de
movimiento en las partículas, sino que permite el cambio de estado a través de
la modificación de las fuerzas de atracción entre las partículas que son
diferentes de un estado a otro.
Este tipo de calor es también muy importante para la industria, puesto que es
utilizado en la cocinas, en la refrigeración, bombas de calor, etc. Es por todo esto
que en el siguiente trabajo se desarrollan los temas más sobresalientes
relacionados al calor latente.

Calor latente se define como la cantidad de
calor que necesita una sustancia para pasar del
estado sólido a líquido (calor de fusión) o de
líquido a gas (calor de vaporización) sin cambio
de temperatura.
El calor latente es la energía
requerida por una cantidad de
sustancia para cambiar de fase,
de sólido a líquido (calor de
fusión) o de líquido a gaseoso
(calor de vaporización). Se debe
tener en cuenta que esta
energía en forma de calor se
invierte para el cambio de fase
y no para un aumento de la
temperatura

Un sistema que consiste en formas sólida y líquida de determinada
sustancia, a una presión constante dada, puede estar en equilibrio térmico,
pero únicamente a una temperatura llamada punto de fusión simbolizado a
veces como tf.
A esta temperatura, se necesita cierta cantidad de calor para poder fundir cierta
cantidad del material sólido, pero sin que haya un cambio significativo en su
temperatura. A esta cantidad de energía se le llama calor de fusión, calor latente de
fusión o entalpía de fusión, y varía según las diferentes sustancias. Se denota por Lf

CALOR DE FUSIÓN
El calor de fusión representa la energía
necesaria para deshacer la fase sólida que
está estrechamente unida y convertirla en
líquido. Para convertir líquido en sólido se
necesita la misma cantidad de energía, por
ello el calor de fusión representa la energía
necesaria para cambiar del estado sólido a
líquido, y también para pasar del estado
líquido a sólido.
El calor de fusión se mide en cal/g o J/g.
Es el calor necesario para transformar una
sustancia de un sólido en su punto de
fusión a líquido.
El calor de fusión del agua es 333 J/g.

Medición del Calor de Fusión
La medición con precisión del calor de fusión del agua LF requiere que el hielo que se
derrita esté perfectamente seco. Lo siguiente muestra que el hielo húmedo producirá
un valor inferior al valor estándar.
donde L*F es el valor experimental obtenido al asumir que toda la masa medida como
mhielo es de hecho hielo. Pero si una masa incremental Δm ya es agua (hielo húmedo),

entonces el valor real del calor de fusión se obtiene de:
La expresión final del calor de fusión experimental es

CALOR DE VAPORIZACIÓN
Se llama "calor de vaporización", la energía
necesaria para cambiar 1 gramo de sustancia
en estado líquida, al estado gaseoso en el
punto de ebullición. Esta energía rompe las
fuerzas atractivas intermoleculares y también
debe proveer la energía necesaria para
expandir el gas (el trabajo PDV ). En un gas
ideal, ya no hay ninguna energía potencial
asociada con las fuerzas intermoleculares. De
modo que la energía interna, está
completamente en forma de energía cinética
molecular.
Es el calor necesario para transformar una
sustancia de un líquido en su punto de
ebullición a gas.
El calor de fusión del agua es 2256 J/g.

Al suministrarle calor al hielo, va ascendiendo
su temperatura (calor específico) hasta que
llega a 0 °C (punto de fusión del hielo), a
partir de entonces, aun cuando se le siga
aplicando calor, la temperatura no cambia
(calor latente) hasta que se haya fundido del
todo.
Al ser fundido del todo obtendríamos
solamente liquido (agua), entonces la
temperatura nuevamente empezara a
aumentar (calor específico) hasta llegar a 100
°C (punto de evaporización del agua), a partir
de entonces, aun cuando se le siga aplicando
calor, la temperatura no aumentará (calor
latente) hasta ser evaporizado totalmente;
cuando sea evaporizado totalmente
obtendríamos solamente gas (vapor).

Observando la imagen, podemos decir que:
 En el tramo AB observamos que hay cambio de temperatura por lo tanto
es calor específico.
 En el tramo BC observamos que no hay cambio de temperatura por lo
tanto es calor latente.
 En el tramo CD observamos que hay variación de temperatura por lo
tanto es calor especifico.
 En el tramo DE observamos que no hay variación de temperatura por lo
tanto es calor latente.

GRÁFICO: Temperatura vs Energía térmica añadida cuando 1 g inicialmente
a -30°C se convierte en vapor a 120°C

TIPOS DE CALOR LATENTE
TIPO DE CALOR LATENTE: CAMBIO DE ESTADO DE:
VAPORIZACIÓN LIQUIDO A GAS
FUSION SOLIDO A LIQUIDO
SUBLIMACION SOLIDO A GAS
CONDENSACION GAS A LIQUIDO
SOLIDIFICACION LIQUIDO A SOLIDO

CALOR DE EVAPORACIÓN
Es la energía necesaria para cambiar 1
gramo de sustancia en estado líquida,
al estado gaseoso en el punto de
ebullición. Esta energía rompe las
fuerzas atractivas intermoleculares y
también debe proveer la energía
necesaria para expandir el gas.
Siendo la cantidad de energía
absorbida durante el proceso de
evaporación de un líquido en
ebullición.

CALOR DE FUSIÓN
Se llama "calor de fusión", la energía
necesaria para cambiar 1 gramo de
sustancia en estado sólido, a estado
líquido, sin cambiar su temperatura.
Esta energía rompe los enlaces de
sólidos, y queda una significativa
cantidad, asociada con las fuerzas
intermoleculares del estado líquido.

CALOR DE SUBLIMACIÓN
Es la energía necesaria para producir
el cambio de estado de sólido al
estado gaseoso sin pasar por el
estado líquido.
Al proceso inverso se le denomina
deposición o sublimación regresiva;
es decir, el paso directo del estado
gaseoso al estado sólido.

CALOR DE CONDENSACIÓN
Calor que es liberado por la masa de
un gas que se encuentra en su punto
de ebullición al condensarse en un
fluido.

CALOR DE SOLIDIFICACIÓN
Cantidad de calor que desprende la
masa de un líquido al solidificarse a
su temperatura de congelación.

Cambios
de estado
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:

Cambio de Fase
• Sólido → Líquido : Fusión
• Líquido → Gas : Ebullición
• Gas → Líquido : Condensación
• Líquido → Sólido : Solidificación
• Sólido → Gas : Sublimación
Los cambios de fase ocurren a Temperatura Constante.
Ejemplo: mientras un cubo de hielo se va derritiendo, el conjunto agua +
hielo no cambia su temperatura.

Durante los cambios de fase,
(vaporización, fusión, etc.), se
intercambia calor sin variación de
temperatura.
Estos intercambios se cuantifican a
partir de los calores latentes de
cambio de estado.
Por ejemplo Qvap, expresado en J/mol, representaría la cantidad de calor necesaria para
vaporizar un mol de una sustancia.
Q = n Qcambio estado

Durante los cambios de fase, (vaporización, fusión, etc.), se intercambia calor sin variación de
temperatura. Estos intercambios se cuantifican a partir de los calores latentes de cambio de estado. Por
ejemplo Qvap, expresado en J/mol, representaría la cantidad de calor necesaria para vaporizar un mol de
una sustancia.
Q = n Qcambio estado

Efectos del Calor
Cambios de Estado
Fusión Vaporización
Sublimación
Solidificación Licuefacción
Sublimación
Cambios progresivos ()
Absorben Q
Cambios regresivos ()
Desprenden Q

Fusión Vaporización
Cambio de estado : Sólido a líquido Cambio de estado : Líquido a gas
El calor absorbido por un cuerpo en la fusión es
igual al calor cedido por éste en la
solidificación.
El calor absorbido por un cuerpo en la
vaporización es igual al calor cedido por éste en la
condensación.
Punto de fusión: Temperatura en la que se
produce la fusión (en el agua :0 ºC).
Punto de ebullición: Temperatura en la que se
produce la ebullición (en el agua:100º C).
Mientras se produce el cambio de estado, los puntos de fusión y ebullición son constantes.
Calor latente de fusión: Cantidad de calor por
unidad de masa que ha de suministrarse a una
sustancia a su temperatura de fusión para
convertirla completamente en líquido
Calor latente de vaporización : Cantidad de calor
por unidad de masa que ha de suministrarse a una
sustancia a su temperatura de ebullición para
convertirla completamente en gas.
Agua :
Lf = 3.34 105 J/kg
Lf = 79.6 cal/g
Lv = 2.256 106 J/kg
Lv = 539 cal/g Q = mLf
Q = mLv

CALOR LATENTE
Calor latente de cambio de estado L: Es la cantidad de calor que necesita una unidad de masa de una sustancia
para cambiar de estado. Se mide en J/Kg o bien en cal/gr.
Q= m x L
El calor de fusión y vaporización solo se emplean en el cambio de estado, no
en aumentar la Temperatura.
100
0
-25
Fase gaseosa
Punto de
ebullición
Fase líquida
Fase sólida
Punto de fusión
T (°C)
Tiempo

CALOR SENSIBLE
El calor Sensible eleva la temperatura del agua y puede medirse con un
termómetro.
El calor Sensible es la cantidad de Energía requerida para elevar la temperatura del
agua de 0°C a su temperatura actual.

Sensible es la cantidad de calor
recibido o cedido por un
cuerpo al sufrir una variación
de temperatura (T) sin que
haya cambio de estado físico
Latente es la cantidad de calor
necesaria para que toda la
masa cambie de estado físico
(sólido, líquido o gaseoso) sin
que se produzca variación de
temperatura (T), es decir,
permanece constante.
CALOR SENSIBLE Y CALOR LATENTE DE UN CUERPO

Fórmulas del calor
• Aumento de temperatura:
Q = m· ce · T
• Cambio de estado físico:
QF = m · LF QV = m · LV
Q : Cantidad de calor necesaria para el cambio de fase cuando la sustancia está en el
punto de cambio.
m : Masa de la sustancia
L : Calor latente de cambio de fase de la sustancia

Heterogéneos: Consta de varias fases.
Fase: Sistema o subsistema de composición química y estructura
homogénea limitado por una pared a través de la cual las propiedades
físicas cambian bruscamente.
Según su estructura interna:
Cambios de fase. Calor latente
Homogéneos: Consta de una solafase.

Q = L m
Lf
LV
Los cambios de fase llevan un intercambio de calor sin que
varíe la temperatura del sistema.
Cambios de fase. Calor latente
L: calor latente (J/kg)

El calor latente puede ser Lf o Lv, los cuales dependen de la sustancia y en que estado
queremos que se encuentre. Observa la siguiente tabla:
Sustancia
T. fusión
(°C)
Lf ·103
(J/kg)
T. ebullición
(°C)
Lv ·10
3
(J/kg)
Hielo (agua) 0 334 100 2260
Alcohol Etílico -114 105 78.3 846
Acetona -94.3 96 56.2 524
Aluminio 658.7 394 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
Cinc 420 100 918 1990
Potasio 64 60.8 760 2080
Sodio 98 113 883 4220

En el cuadro siguiente se dan algunos
valores del calor latente de fusión para
diferentes sustancias.
Sustancia cal/g.
Agua 80
Hierro 6
Cobre 42
Plata 21
Platino 27
Oro 16
Mercurio 2,8
Plomo 5,9
En el cuadro siguiente se dan valores
del calor latente de vaporización de
algunas sustancias.
Sustancia cal/g.
Agua 540
Nitrógeno 48
Helio 6
Aire 51
Mercurio 65
Alcohol etílico 204
Bromo 44
VALORES DE CALOR LATENTE DE ALGUNAS
SUSTANCIAS

Constantes de cambios de fase (a 1 atm)

Ejemplo 1: Calcule el calor latente de fusión de un cuerpo que tiene una energía de
124 J y una masa de 4000 g.
Solución:
𝐿 𝑓 = 31 𝐽/𝐾𝑔
Q= 124 J
m= 4000 g. Conversión obligatoria a Kg=4 Kg
Lf=¿?
𝐿 𝑓 =
𝑄
𝑚
Reemplazando:
𝐿 𝑓 =
124 𝐽
4 𝐾𝑔

Ejemplo 2: Calcule el calor latente de vaporización si un sistema cuenta con un calor
de 1 caloría (cal), y una masa de 6724,8 g
Solución:
𝐿 𝑓 = 0,065 𝐽/𝐾𝑔
𝐿 𝑣 =
𝑄
𝑚
Reemplazando:
𝐿 𝑣 =
4,18 𝐽
67,24 𝐾𝑔
Q = 1 cal. Conversión obligatoria a J=4,18 J
m = 6724,8 g. Conversión obligatoria a Kg= 67,24 Kg
Lv=¿?

Ejemplo 3: ¿Qué cantidad de calor se requiere para fundir 50 000 g de cobre?
Solución:
𝑄 = 6,7 × 106
𝐽
𝑄 = 𝑚. 𝐿 𝑓
Reemplazando:
𝑄 = (50)(1,34 × 105
)
m = 50 000 g = 50 Kg
Lf= 1,34x105 J/Kg

Ejemplo 4: ¿Cuál será la masa de un cubo de hielo si se ocupan 4,2x105 J de calor para
derretirlo
Solución:
𝑚 = 1,25 𝐾𝑔
𝑄 = 𝑚. 𝐿 𝑓
Reemplazando:
𝑚 =
4,2 × 105
3,36 × 105
Qf = 4,2x105 J
Lf= 3,36x105 J/Kg
m = ¿?
𝑚 =
𝑄
𝐿 𝑓

Ejemplo 5: Calcular la cantidad de calor necesario para transformar un gramo de hielo
a -30°C en vapor de agua hasta 120°C.
Solución:
𝑄1 = 𝑚 𝐻. 𝑐 𝐻. 𝑇
cH= 2090 J/Kg.°C
cA= 4186 J/Kg.°C
cV= 2000 J/Kg.°C
𝑄1 = 10−3
𝐾𝑔 2090
𝐽
𝐾𝑔. °𝐶
0 − (−30) °𝐶
𝑄1 = 62,7 𝐽
1) Cálculo del calor que se le debe agregar al
hielo para elevar su temperatura desde 30°C
hasta 0°C; en este proceso hay cambio de
temperatura, se calcula el calor sensible Q1:
2) Calor agregado para fundir el hielo (en
0°C), no hay cambio de temperatura, pero
hay cambio de fase, se calcula el calor
latente Q2:
𝑄2 = 𝑚. 𝐿 𝐻𝐹
𝑄2 = 10−3
𝐾𝑔 3,33 × 105
𝐽
𝐾𝑔
𝑄2 = 333 𝐽
Lf = 3,33x105 J/Kg
Lf = 22,6x105 J/Kg
m = 1 g = 0,001 Kg

𝑄3 = 𝑚 𝐴. 𝑐 𝐴. 𝑇
𝑄3 = 10−3
𝐾𝑔 4186
𝐽
𝐾𝑔. °𝐶
100 − 0 °𝐶
𝑄3 = 418,6 𝐽
agua para aumentar su tempera-tura desde
0°C hasta 100°C; en este proceso hay
cambio de temperatura, se calcula el calor
sensible Q3:
4) Calor agregado para evaporar el agua (en
100º C), no hay cambio de temperatura,
pero hay cambio de fase, se calcula el calor
latente Q4:
𝑄4 = 𝑚. 𝐿 𝑉𝐴
𝑄4 = 10−3
𝐾𝑔 22,6 × 105
𝐽
𝐾𝑔
𝑄4 = 2260 𝐽
vapor de agua para aumentar su
temperatura desde 100°C hasta 120°C; en
este proceso hay cambio de temperatura, se
calcula el calor sensible Q5:
𝑄5 = 𝑚 𝑉. 𝑐 𝑉. 𝑇
𝑄5 = 10−3
𝐾𝑔 2000
𝐽
𝐾𝑔. °𝐶
120 − 100 °𝐶
𝑄5 = 40 𝐽

𝑄 𝑇= 𝑄1 + 𝑄2 + 𝑄3 + 𝑄4 + 𝑄5
𝑄 𝑇 = 62,7 + 333 + 418,6 + 2260 + 40
𝑄 𝑇 = 3114,3 𝐽
Por lo tanto, la cantidad total de calor
necesario para transformar un gramo de
hielo a -30°C en vapor de agua hasta 120°C
es la suma del calor de cada proceso:

Ejemplo 6: Qué cantidad de energía hay que suministrar a 100 gramos de hielo de
agua a -10°C para transformarlo en vapor de agua a 110°C?
La solución pasa por calcular
las energías necesarias en cada
tramo del proceso y sumarlas
algebraicamente (subida a 0°C
+ cambio de estado a agua
líquida + subida hasta la
temperatura de ebullición del
agua + cambio de estado de
agua líquida a vapor de agua +
subida de temperatura del
vapor de agua hasta los 110°C).

EJERCICIO PROPUESTO: Calcular la cantidad de vapor de agua inicialmente a 130°C,
que se requiere para calentar 200g de agua en un envase de vidrio de 100 g, desde
20°C hasta 50°C.

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