Cambios de faseArtculos principales:Cambio de faseyEstado de agregacin.En la naturaleza existen tres estados usuales de la materia:slido,lquidoygaseoso. Al aplicarle calor a una sustancia, sta puede cambiar de un estado a otro. A estos procesos se les conoce comocambios de fase. Los posibles cambios de fase son: de estado slido a lquido, llamadofusin, de estado lquido a slido, llamadosolidificacin, de estado lquido a gaseoso, llamadoevaporacinovaporizacin, de estado gaseoso a lquido, llamadocondensacin, de estado slido a gaseoso, llamadosublimacin progresiva, de estado gaseoso a slido, llamadosublimacin regresivao deposicin, de estado gaseoso aplasma, llamadoionizacin.

Calor latente

Un cuerpo slido puede estar en equilibrio trmico con unlquidoo ungasa cualquiertemperatura, o que un lquido y un gas pueden estar en equilibrio trmico entre s, en una amplia gama de temperaturas, ya que se trata desustanciasdiferentes. Pero lo que es menos evidente es que dos fases oestados de agregacin, distintas de una misma sustancia, puedan estar en equilibrio trmico entre s en circunstancias apropiadas.Un sistema que consiste en formas slida y lquida de determinada sustancia, a una presin constante dada, puede estar en equilibrio trmico, pero nicamente a una temperatura llamadapunto de fusinsimbolizado a veces como. A esta temperatura, se necesita cierta cantidad de calor para poderfundircierta cantidad del material slido, pero sin que haya un cambio significativo en su temperatura. A esta cantidad deenergase le llamacalor de fusin,calor latentede fusin oentalpade fusin, y vara segn las diferentes sustancias. Se denota por.El calor de fusin representa la energa necesaria para deshacer la fase slida que est estrechamente unida y convertirla en lquido. Para convertir lquido en slido se necesita la misma cantidad de energa, por ello el calor de fusin representa la energa necesaria para cambiar del estado slido a lquido, y tambin para pasar del estado lquido a slido.El calor de fusin se mide encal / g.De manera similar, un lquido y unvaporde una misma sustancia pueden estar en equilibrio trmico a una temperatura llamadapunto de ebullicinsimbolizado por. El calor necesario para evaporar una sustancia en estado lquido ( o condensar una sustancia en estado de vapor ) se llamacalor de ebullicinocalor latente de ebullicinoentalpa de ebullicin, y se mide en las mismas unidades que el calor latente de fusin. Se denota por.En la siguiente tabla se muestran algunos valores de los puntos de fusin y ebullicin y entalpas de algunas sustancias:sustancias[C][cal/g][C][cal/g]

H2O0,0079,71100,00539,60

O2-219,003,30-182,9050,90

Hg-39,002,82357,0065,00

Cu1083,0042,002566,90

Transmisin de calorEl calor puede ser transmitido de tres formas distintas: por conduccin, por conveccin o por radiacin. Conduccin trmica: es el proceso que se produce por contacto trmico entre dos ms cuerpos, debido al contacto directo entre las partculas individuales de los cuerpos que estn a diferentes temperaturas, lo que produce que las partculas lleguen al equilibrio trmico. Ej: cuchara metlica en la taza de t. Conveccin trmica: slo se produce en fluidos (lquidos o gases), ya que implica movimiento de volmenes de fluido de regiones que estn a una temperatura, a regiones que estn a otra temperatura. El transporte de calor est inseparablemente ligado al movimiento del propio medio. Ej.: los calefactores dentro de la casa. Radiacin trmica: es el proceso por el cual se transmite a travs deondas electromagnticas. Implica doble transformacin de la energa para llegar al cuerpo al que se va a propagar: primero de energa trmica a radiante y luego viceversa. Ej.: La energa solar.La conduccin pura se presenta slo en materiales slidos.La conveccin siempre est acompaada de la conduccin, debido al contacto directo entre partculas de distinta temperatura en un lquido o gas en movimiento.En el caso de la conduccin, la temperatura de calentamiento depende del tipo de material, de la seccin del cuerpo y del largo del cuerpo. Esto explica por qu algunos cuerpos se calientan ms rpido que otros a pesar de tener exactamente la misma forma, y que se les entregue la misma cantidad de calor.

Conductividad trmicaLaconductividad trmicade un cuerpo est dada por:

donde:es el calor entregado,es el intervalo de tiempo durante el cual se entreg calor,es elcoeficiente de conductividad trmicapropio del material en cuestin,es la seccin del cuerpo,es la longitud, y es el incremento en la temperatura.

Medida experimental del calorPara determinar, de manera directa, el calor que se pone de manifiesto en un proceso de laboratorio, se suele emplear uncalormetro. En esencia, se trata de un recipiente que contiene el lquido en el que se va a estudiar la variacin de energa por transferencia de calor y cuyas paredes y tapa (supuestamenteadiabticas) deben aislarlo, al mximo, del exterior.Untermode paredes dobles devidrio, cuyas superficies han sido previamente metalizadas por deposicin y que presenta un espaciovacoentre ellas es, en principio, un calormetro aceptable para una medida aproximada de la transferencia de calor que se manifiesta en una transformacin tan sencilla como esta. El termo se llamavaso Dewary lleva el nombre del fsico y qumico escocsJames Dewar, pionero en el estudio de las bajas temperaturas. En la tapa aislante suele haber un par de orificios para introducir untermmetrocon el que se evaluara el incremento (o decremento) de la temperatura interior del lquido, y un agitador para tratar de alcanzar el equilibrio trmico en su interior lo ms rpido posible, usando un sencillo mecanismo de conveccin forzada.reas de aplicacin de la transferencia de calorEs comn encontrar la transmisin de calor en los sistemas de ingeniera y otros aspectos de la vida; y no es necesario ir muy lejos para ver algunas de sus reas de aplicacin. Es ms, uno de los ejemplos ms sencillos lo encontramos dentro del cuerpo humano, ste permanece emitiendo calor en forma constante hacia sus alrededores y la comunidad humana est ntimamente influenciada por la velocidad de esta emisin de calor. Tratamos de controlar la velocidad de esta transferencia de calor al ajustar nuestra ropa a las condiciones ambientales. Muchos aparatos domsticos se han diseado, en su totalidad o en parte, aplicando los principios de la transferencia de calor. Algunos ejemplos incluyen la estufa elctrica o de gas, el sistema de calefaccin o de acondicionamiento del aire. La transferencia de calor desempea un papel importante en el diseo de muchos otros aparatos, como los radiadores de automviles, los colectores solares, diversos componentes de las plantas generadoras de energa e, incluso, las naves espaciales.

Transferencia de calor en la ingenieraLos problemas de capacidad nominal se ocupan de la determinacin de la velocidad de transferencia de calor para un sistema existente con una diferencia especfica de temperatura. Los problemas de dimensionamiento se ocupan de la determinacin del tamao de un sistema con el fin de transferir calor a una velocidad determinada para una diferencia especfica de la temperatura. Un proceso o un equipo de transferencia de calor puede ser analizado de forma experimental o de forma analtica. El procedimiento experimental tiene la ventaja de tratar con el sistema fsico real y, gracias a ello, la cantidad deseada se determina mediante medicin, dentro de los lmites del error experimental. El procedimiento analtico tiene la ventaja de que es rpido y barato, pero los resultados obtenidos dependen de la exactitud de las hiptesis e idealizaciones establecidas en el anlisis. En los estudios de transferencia de calor a menudo se logra una buena aproximacin reduciendo, mediante el anlisis, las opciones a solo unas cuantas y, a continuacin, verificando los hallazgos experimentalmente.

Transferencia de calorEl calor se transfiere, o se transmite, de cosas ms calientes a cosas ms fras. Si estn en contacto varios objetos con temperaturas distintas, los que estn ms calientes se enfran y los que estn ms fros se calientan. Tienden a alcanzar una temperatura comn. Esta igualacin de temperaturas se lleva a cabo de tres maneras: por conduccin, conveccin yradiacin.

Figura 1. Esquema de los mecanismos de transferencia de calor A.CONDUCCINLa conduccin es el mecanismo de transferencia de calor enescalaatmica a travs de lamateriapor actividad molecular, por el choque de unas molculas con otras, donde las partculas ms energticas le entregan energa a las menos energticas, producindose un flujo de calor desde las temperaturas ms altas a las ms bajas. Los mejores conductores de calor son losmetales. Elairees un mal conductor del calor. Los objetos malos conductores como el aire oplsticosse llaman aislantes.

Donde k (en Watt/m. K) sellamaconductividad trmica del material, magnitud que representa la capacidad con la cual la sustancia conduce calor y produce la consiguiente variacin de temperatura; y dT/dx es el gradiente de temperatura. El signo menos indica que la conduccin de calor es en ladireccindecreciente de la temperatura.

Figura 2. B.CONVECCINLa conveccin es el mecanismo de transferencia de calor pormovimientode masa o circulacin dentro de la sustancia. Puede sernaturalproducida solo por las diferencias de densidades de la materia; o forzada, cuando la materia es obligada a moverse de un lugar a otro, por ejemplo el aire con un ventilador o el agua con una bomba. Slo se produce en lquidos ygasesdonde los tomos y molculas son libres de moverse en el medio.En la naturaleza, la mayor parte del calor ganado por laatmsfera por conduccin y radiacin cerca de la superficie, es transportado a otras capas o niveles de la atmsfera por conveccin.Unmodelode transferencia de calor H por conveccin, llamado ley deenfriamientodeNewton, es el siguiente:(7)Donde h se llama coeficiente de conveccin, en Watt/ (m2. K), A es la superficie que entrega calor con una temperatura TA al fluido adyacente, que se encuentra a una temperatura T, como se muestra en el esquema de la figura 3.

Figura 3.El flujo de calor por conveccin espositivo(H > 0) si el calor se transfiere desde la superficie dereaA al fluido (TA > T)y negativo si el calor se transfiere desde el fluido hacia la superficie(TA < T). C.RADIACINLa radiacin trmica es energa emitida por la materia que se encuentra a una temperatura dada, se produce directamente desde la fuente hacia afuera en todas las direcciones. Esta energa es producida por los cambios en las configuraciones electrnicas de los tomos o molculas constitutivos y transportada porondaselectromagnticas o fotones, por lo recibe el nombre deradiacin electromagntica. La masa en reposo de un fotn (que significaluz) es idnticamente nula. Por lo tanto, atendiendo a relatividad especial, un fotn viaja a lavelocidadde la luz y no se puede mantener en reposo. (La trayectoria descrita por un fotn se llama rayo). La radiacin electromagntica es una combinacin decamposelctricos y magnticos oscilantes y perpendiculares entre s, que se propagan a travs del espacio transportando energa de un lugar a otro.A diferencia de la conduccin y la conveccin, o de otros tipos de onda, como elsonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiacin electromagntica es independiente de la materia para su propagacin, de hecho, la transferencia de energa por radiacin es ms efectiva en el vaco. Sin embargo, la velocidad, intensidad y direccin de su flujo de energa se ven influidos por la presencia de materia. As, estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e interestelar y llegar ala Tierradesdeel Soly las estrellas. La longitud de onda(?)y la frecuencia(?)de las ondas electromagnticas, relacionadas mediante la expresinson importantes para determinar su energa, su visibilidad, supoderde penetracin y otras caractersticas. Independientemente de su frecuencia y longitud de onda, todas las ondas electromagnticas se desplazan en el vaco con una rapidez constantec = 299792 km/s, llamada velocidad de la luz.Los fotones son emitidos o absorbidos por la materia. La longitud de onda de la radiacin est relacionada con la energa de los fotones, por una ecuacin desarrollada por Planck:

(8)Donde h se llama constante de Planck, su valor es h = 6,63 x 10-34 Joule. Seg.

ModosLos modos son los diferentes tipos de procesos de transferencia de calor. Hay tres tipos: Conduccin: transferencia de calor que se produce a travs de un medio estacionario -que puede ser un slido o un fluido- cuando existe un gradiente de temperatura. Conveccin: transferencia de calor que ocurrir entre una superficie y un fluido en movimiento cuando estn a diferentes temperaturas. Radiacin: en ausencia de un medio, existe una transferencia neta de calor por radiacin entre dos superficies a diferentes temperaturas, debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energa en forma de ondas electromagnticas.1Aislamiento y barreras de radiacinLosaislantes trmicosson materiales especficamente diseados para reducir el flujo de calor limitando la conduccin, conveccin o ambos. Las barreras de radiacin, son materiales que reflejan la radiacin, reduciendo as el flujo de calor de fuentes de radiacin trmica. Los buenos aislantes no son necesariamente buenas barreras de radiacin, y viceversa. Los metales, por ejemplo, son excelentes reflectores pero muy malos aislantes.La efectividad de un aislante est indicado por suresistencia(R). La resistencia de un material es el inverso delcoeficiente de conductividad trmica(k) multiplicado por el grosor (d) del aislante. Las unidades para la resistencia son en elSistema Internacional: (Km/W).

Lafibra de vidriorgida, un material aislante usado comnmente, tiene un valorRde 4 por pulgada, mientras que el cemento, un mal conductor, tiene un valor de 0.08 por pulgada.2La efectividad de una barrera de radiacin est indicado por su reflectividad, la cual es una fraccin de la radiacin reflejada. Un material con una alta reflectividad (en unalongitud de onda) tiene una baja absorbitividad, y por consiguiente una bajaemisividad. Un reflector ideal tiene un coeficiente de reflectividad igual a 1, lo que significa que refleja el 100% de la radiacin entrante. Por otro lado, en el caso de uncuerpo negro, el cual tiene una excelente absorbitividad y emitividad de la radiacin trmica, su coeficiente de reflectividad es casi 0. Las barreras de radiacin tiene una gran aplicacin eningeniera aeroespacial; la gran mayora de los satlites usan varias capas aislantes aluminizadas que reflejan la luz solar, lo que permite reducir la transferencia de calor y controlar la temperatura del satlite.Disciplinas acadmicasLos fenmenos de transferencia son generalmente parte del programa de estudios deIngeniera Industrial,ingeniera qumica,Ingeniera Agrcolaoingeniera mecnica. Comnmente, los conocimientos sobretermodinmicason unacondicin previapara el estudio de la transmisin de calor, dado que las leyes de la termodinmica son esenciales para comprender el mecanismo de la transferencia de calor. Otras disciplinas relacionadas con la transmisin de calor incluyen laconversin de energa,termofluidosytransferencia de materia.MPORTANTE: Manteniendo la presin constante, todas las substancias sufren cambio de estado a una determinada temperatura. Manteniendo la presin constante, mientras ocurre el cambio de estado la temperatura tambin se mantiene constante. Bajo las mismas condiciones, la cantidad de calor absorbida o liberada por una substancia, durante el cambio de estado es, en valor absoluto, igual segn la unidad de masa.

Ejemplo:Calor latente de fusin del hielo: LF = 80cal/gCalor latente de solidificacin del agua: LS = 80 cal/gEl signo (+) hace referencia a la cantidad de calor absorbida por la substancia, y el signo (-) hace referencia a la cantidad de calor liberado por la misma.

Determinar el calor que hay que suministrar para convertir 1g de hielo a -20 C en vapor a 100C. Los datos son los siguientes:1. Calor especfico del hieloch=2090 J/(kg K)2. Calor de fusin del hieloLf=334103J/kg3. Calor especfico del aguac=4180 J/(kg K)4. Calor de vaporizacin del aguaLv=2260103J/kgEtapas:1. Se eleva la temperatura de 1g de hielo de -20C (253 K) a 0C (273 K)Q1=0.0012090(273-253)=41.8 J2. Se funde el hieloQ2=0.001334103=334 J3. Se eleva la temperatura del agua de 0 C (273 K) a 100 C (373 K)Q3=0.0014180(373-273)=418 J4. Se convierte 1 g de agua a 100C en vapor a la misma temperaturaQ4=0.0012260103=2260 JEl calor totalQ=Q1+Q2+Q3+Q4=3053.8 J.Si disponemos de una fuente de calor que suministra una energa a razn constante deqJ/s podemos calcular la duracin de cada una de las etapas

En la figura, que no se ha hecho a escala, se muestra cmo se va incrementando la temperatura a medida que se aporta calor al sistema. La vaporizacin del agua requiere de gran cantidad de calor como podemos observar en la grfica y en los clculos realizados en el ejemplo.La figura de abajo, est hecha a escala con el programa Excel de Microsoft, tomando los datos de la tablaCalor, QTemperatura, T

0-20

41.80

375.80

793.8100

3053.8100

Medida del calor latente de fusinSe llena un termo con hielo y se cierra. A travs del tapn se pasa un largo tubo de vidrio de pequea seccinSy dos cables que conectan con una resistencia por la que circula una corriente elctrica que calienta el hielo para convertirlo en agua a 0C.Se aade agua a travs del tubo para rellenar la botella y propio el tubo.En la parte izquierda de la figura, se muestra la situacin inicial. En la parte derecha, la situacin al cabo de un cierto tiempotdespus de conectar la resistencia a una batera.La resistencia elctrica calienta el hielo, se funde y el volumen del sistema disminuye, como consecuencia, pasa agua del tubo de vidrio al termo. Medimos la variacin de altura del agua en el tubo vertical graduado.

El experimento consiste en medir la energa necesaria para reducir el volumen del sistema en una determinada cantidad a temperatura constante y a presin constante.En el estado inicial tenemos una masaMde hielo de densidadh=0.917 g/cm3en un volumenV0.M=hV0Al cabo de un cierto tiempot,una masa mde hielo se ha convertido en agua de densidada=1.0 g/cm3, El volumenVdel sistema disminuye

La variacin de volumen, en valor absoluto, es

Para fundir una masa mde hielo y convertirla en agua se necesita una cantidad de calorQ=LfmdondeLfes el calor latente de fusinAl disminuir el volumen del sistema, el agua del tubo vertical entra en el termo, disminuyendo la altura en V=Sh

Podemos medir el calorQque suministra la resistencia elctrica en el tiempot.Q=i2RtMedimos la variacin de la altura hde agua en el tubo de vidrio vertical y despejamos el calor latente de fusinLfEjemplo: La seccin del tubo vertical valeS=0.1782 cm2 La densidad del hieloh=0.917 g/cm3 La densidad del aguaa=1.0 g/cm3Se precisanQ=13140 J para que el nivel de agua en el tubo vertical disminuya h=20 cm

ActividadesSe ha fijado La seccin del tubo vertical valeS=0.1782 cm2 La densidad del hieloh=0.917 g/cm3 La densidad del aguaa=1.0 g/cm3Se introduce La potenciaP=i2R W, actuando en la barra de desplazamiento tituladaPotenciaSe pulsa el botn tituladoEmpiezaSe observa que a medida que se va fundiendo el hielo y convirtindose en agua en el recipiente, va descendiendo el nivel de agua en el tubo vertical de vidrio.En la parte derecha del applet, hay un contador de la energa disipada por la resistencia que funde el hielo.Actividades1. Medida del equivalente en agua del calormetroIntroducimos los siguientes datos: MasaMde agua en gramos en el calormetro, TemperaturaT0inicial del calormetro Masamde agua en gramos en una probeta TemperaturaTdel aguaSe pulsa el botn tituladoPreparar, los termmetros y las escalas graduadas de medida del volumen de agua reflejan los datos introducidos.Si estamos conformes, se pulsa el botn tituladoCalcular. La masamde agua se vierte en el calormetro y en el termmetro podemos leer la temperatura final de equilibrioTe.Ejemplo:

SeaM=170 g,T0=92.7 C Seam=170 g, yT=2.7 C La temperatura de equilibrio esTe=54.2CEl equivalente en agua del calormetro ser

2. Medida del calor de fusinIntroducimos los siguientes datos: Masamhde hielo en gramos en el calormetro, Temperatura inicial del hielo se fija en 0C Masamadel agua en gramos TemperaturaTadel aguaSe pulsa el botn tituladoPreparar.Si estamos conformes, se pulsa el botn tituladoCalcular. El agua se vierte en el calormetro y en el termmetro podemos leer la temperatura final de equilibrioTe.En el caso de que solamente una parte del hielo se fundiese, la temperatura final seraTe=0C. Se podra extraer el hielo del calormetro, y pesarlo en una balanza. Conocida la masamde hielo se determinara el calor de fusin mediante la frmula (1). Cuando se produzca esta situacin, se incrementa la masa de agua o su temperatura o ambas cosas a la vez, hasta conseguir que todo el hielo del calormetro se funda.Ejemplo: Hielo:mh=128 g, Agua,ma=170 g, yTa=80C Se funde todo el hielo y la temperatura final de equilibrio esTe=9.5 C La masa equivalente en agua del calormetro la hemos calculada en el apartado anteriork=57.4 g