Calor de fusión: definición, ecuación y ejemplos

Revisión del calor latente

El calor de fusión, también conocido como calor latente de fusión , es una categoría de calor latente que describe la energía para que se produzca el cambio de fase entre un líquido y un sólido sin un cambio de temperatura. Para comprender completamente este concepto, primero revisemos el calor latente.

El calor latente es el calor por unidad de masa requerido para que ocurra un cambio de fase. Piense en lo que sucede cuando agrega hielo y soda fría a un vaso. Debido a que el refresco está a más de 0 grados Celsius, el punto de fusión del hielo, esperaríamos que el calor del refresco ligeramente más caliente derrita el hielo del vaso. Sin embargo, probablemente haya notado que cuando agrega hielo a una bebida que ya está fría, solo una parte del hielo se derrite, no todo. Esto se debe a que la soda no contiene suficiente energía en forma de calor para superar el calor latente de fusión del hielo. Revisaremos este problema con algunos cálculos más adelante en la lección.

Cuando combina hielo a 0 grados Celsius y refresco frío a una temperatura superior a 0 grados Celsius, el calor del refresco continuará derritiendo el hielo hasta que ambos alcancen una temperatura de equilibrio.

Cuando se agrega o elimina energía térmica a un objeto, la temperatura del objeto normalmente se ajusta en consecuencia. Sin embargo, durante un cambio de fase, la temperatura de un objeto permanecerá constante a pesar de que se agregue o reste calor adicional a la sustancia.

Entonces, ¿qué pasa con el exceso de calor durante esta transferencia de energía si no está cambiando la temperatura? Esta energía térmica se dirige a superar el calor latente de la sustancia.

Este gráfico muestra cómo variará la temperatura del agua cuando se agrega calor. Los recuadros azules marcan las zonas de cambios de fase. Durante este tiempo, la energía que se agrega se destina a superar el calor latente del agua, por lo que la temperatura no cambia hasta que se completa el cambio de fase.

Calor latente de fusión

Los tres estados comunes de la materia son gas, líquido y sólido. Por tanto, hay tres términos diferentes para el calor latente que describen los cambios de fase entre estos estados de la materia. El calor latente de fusión se refiere al cambio de fase entre sólido y líquido. Tenga en cuenta que, aunque a menudo se piensa que el “calor” es un estado de calor, el calor en realidad se refiere a la transferencia de energía térmica entre objetos. Por lo tanto, el calor latente de fusión abarca el proceso de agregar calor para fundir un sólido y el proceso de restar calor para congelar un líquido.

El calor latente de fusión, indicado como L sub f, tiene la misma ecuación que la ecuación general para el calor latente.

Esta ecuación establece que el calor Q que se debe agregar o quitar para que ocurra un cambio de fase es proporcional a la masa de la sustancia m multiplicada por su calor de fusión latente único, L sub f.

Ejemplo de resolución de problemas

Volvamos a nuestro ejemplo de refrescos y hielo y resolvamos cuánto hielo queda después de combinar refrescos fríos y hielo. Sabemos que para que el hielo se derrita, el hielo necesita absorber suficiente energía térmica para superar el calor latente de fusión. También sabemos que no todo nuestro hielo se derrite cuando se agrega a la soda fría, por lo que deben alcanzar una temperatura de equilibrio de 0 grados Celsius.

Supongamos que nuestros refrescos y hielo son un sistema perfectamente aislado, lo que significa que no recibe ni pierde calor del vaso o de sus alrededores. Entonces, la única fuente de calor para derretir el hielo sería la soda fría. A medida que la soda se enfría a 0 grados, parte de su energía térmica se pierde en el hielo. ¿Cómo calculamos cuánta energía térmica se pierde?

El intercambio de calor durante un cambio de temperatura es proporcional a la masa de la sustancia m, el cambio de temperatura delta T y la capacidad calorífica específica c. El calor específico se puede considerar como la resistencia de una sustancia a los cambios de temperatura, por lo que un objeto con un calor específico más alto requerirá más energía para cambiar su temperatura. La ecuación para describir este fenómeno es la siguiente:

Entonces, hablemos de números. Agrega 0,25 kg de refresco a 20 grados Celsius a un vaso que contiene hielo a 0 grados Celsius. La capacidad calorífica específica de la soda c es 4186 J / (kg * grados C), esencialmente lo mismo que el agua. El calor latente de fusión del agua, L sub f, es 33,5 * 10 ^ 4 J / kg.

Dado que el calor perdido por la soda es el único calor disponible para derretir el hielo, el calor transferido Q es el mismo en cada una de nuestras ecuaciones, por lo que podemos hacerlas iguales entre sí.

El lado izquierdo de la ecuación es el calor requerido para que el hielo se derrita y el lado derecho es la energía que pierde el refresco mientras pierde calor en el hielo. Queremos resolver la masa de hielo restante, así que reorganicemos nuestra ecuación y luego sustituyamos los valores que conocemos.

m (hielo) = ( c * m (refresco) * delta T ) / L sub F

m (hielo) = (4186 J / (kg * grados C) * 0,25 kg de refresco * (20-0 grados C)) / 33,5 * 10 ^ 4 J / kg

m (hielo) = 0,06 kg

Por lo tanto, se han derretido 0,06 kg de hielo para reducir la temperatura del refresco a 0 grados Celsius.

Resumen de la lección

El calor latente se refiere al calor necesario para que se produzca un cambio de fase. El calor latente de fusión se refiere específicamente al cambio de fase entre sólidos y líquidos. Hemos observado que mientras se produce este cambio de fase, la temperatura de la sustancia permanecerá constante hasta que se transfiera la energía necesaria para completar el cambio de fase.

Los resultados del aprendizaje

Explorar los aspectos principales de esta lección podría resultar en su capacidad para:

• Proporcionar una descripción del calor latente de fusión.
• Interpretar el significado del calor latente
• Escribe la ecuación necesaria para encontrar el calor latente de fusión en un ejemplo que involucra refresco y hielo.