Cambios de fase de una sustancia

El calor específico de una sustancia se define como la cantidad de calor que se requiere para que la temperatura por unidad de masa de la sustancia se eleve $1^\circ\!C$. Se expresa comúnmente en el SI como $(J/kg\cdot K)$ y su forma matemática es: $$Q=m\,c\,\Delta T,$$ donde $Q$ es la cantidad de calor transferido, $m$ es la masa de la sustancia, $c$ es el calor específico de la sustancia y $\Delta T$ es el cambio de temperatura.

Calores específicos y propiedades térmicas de algunas sustancias
Sustancia	Calor específico $J/kg\cdot K$	P. de fusión (°C)	P. de ebullición (°C)	Calor $L_F (J/kg)$	Calor $L_v (J/kg)$
Hidrógeno	14300	-259,16	-252,87	5.800	452.000
Nitrógeno	1040	-210	-195,79	25.900	199.000
Oxigeno	919	-218,79	-182,96	13.800	213.000
Berilio	1825	1287	2470	126.000	2.970.000
Aluminio	897	660	2519	397.000	10.500.000
Hierro	449	1538	2862	272.000	6.090.000
Cobre	385	1085	2562	205.000	4.730.000
Plata	235	961,8	2162	105.000	2.330.000
Tungsteno	132	3422	5555	184.000	4.810.000
Oro	129	1064	2856	64.000	1.570.000
Mercurio	140	-38,83	356,73	117.000	272.000
Plomo	129	327,5	1749	23.000	870.000
Agua (líquida)	4186	0	100	334.000	2.260.000

Tabla 1.

El calor latente es la energía requerida por una cantidad de sustancia $(m)$ para cambiar de fase: de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). Se expresa matemáticamente como: $$Q = mL,$$ en donde $L$ se llama calor latente de la sustancia y depende de la naturaleza del cambio de fase, así como de las propiedades de la sustancia.

• El calor de fusión, $L_f$ , se utiliza cuando el cambio de fase es de solido a liquido.
• El calor de vaporización, $L_v$ , es el calor latente correspondiente al cambio de fase de liquido a gas.
• Cuando se enfría un gas, regresa finalmente a la fase liquida, o se condensa. El calor que se libera por unidad de masa se llama calor de condensación, el cual es igual al calor de vaporización.
• Del mismo modo, cuando un liquido se enfría se solidifica, y el calor de solidificación es igual al calor de fusión.

Veamos un ejemplo de cómo calcular la energía necesaria para vaporizar un gramo de agua y representarlo en un gráfico de Temperatura contra Energía. Cabe destacar que esta misma técnica se puede aplicar a cualquier otra sustancia, siempre que se conozcan su calor de fusión, su calor de vaporización y su calor latente.

Cambios de fase en un gramo de agua

Fig 1. Temperatura Vs Energía

Parte A (Hielo). La cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura del hielo desde $-30^\circ C$ hasta $0^\circ C$ es $$Q=mc\Delta T= (0.001\,kg)(2093\,J/kg\cdot^\circ\!\!C)(30\,^\circ\!C) = 62.7\,J$$ Parte B (Hielo + Agua). Cuando la temperatura del hielo llega a $0^\circ C$, la mezcla de hielo-agua se mantiene a esta temperatura a pesar de que la energía se esta agregando, hasta que todo el hielo se disuelva. La energía necesaria para este proceso es: $$Q= mL=(0.001\,kg)(3.33\times10^5\,J/kg)=333\,J$$ Parte C (Agua). Entre $0^\circ C$ y $100^\circ C$, no hay cambio de fase, así que toda la energía que se añade al agua se utiliza para aumentar su temperatura. La cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura en esta parte es entonces $$Q=mc\Delta T=(0. 001\,kg)(4186 J/kg\cdot^\circ\!\!C)(100\,^\circ\!C)=418.6\,J$$ Parte D (Agua + Vapor). Similar a la mezcla de hielo-agua en la parte B, la mezcla agua-vapor se mantiene a $100^\circ C$ a pesar de que la energía se esta agregando, hasta que todo el líquido se convierta en vapor. La energía necesaria para este proceso es: $$Q=mL=(0.001\,kg)(2.26\times 10^6 J/kg)=2260\,J$$ Parte E (Vapor). La cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura del gas desde $100^\circ C$ hasta $120^\circ C$ es $$Q=mc\Delta T=(0.001\,kg)(2010\,J/kg\cdot^\circ\!\!C)(20\,^\circ\!C)=40.2\,J$$