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1. CAMBIOS DE ESTADO DE LA MATERIA

Como ya sabes la materia puede estar presente en forma sólida, líquida o gaseosa, de tal forma que para efectuar el cambio de estado es necesario que dicha sustancia absorba o desprenda calor. Vamos a estudiar aquí los cuatro procesos de cambio de estado: solido-líquido y liquido-gaseoso.

1.1 Fusión y solidificación

El paso de un cuerpo de estado sólido a líquido se llama FUSION y el paso inverso SOLIDIFICACION. Todos los líquidos pueden solidificarse, pero no todos los sólidos pueden fundirse, algunos se descomponen por la acción del calor (papel, madera, etc.). Si calentamos progresivamente un sólido cristalino y representamos gráficamente el fenómeno, se observa un tramo horizontal en el que la temperatura permanece constante y es precisamente mientras coexiste la fase líquida y la sólida, es decir mientras se produce la fusión. A esta temperatura se la denomina TEMPERATURA DE FUSION a la presión a la que se ha realizado el proceso que debe mantenerse constante. Si enfriamos progresivamente un líquido y representamos el proceso, ocurre muchas veces que se puede enfriar el mismo por debajo de su temperatura de solidificación. El fenómeno se denomina SOBREFUSIÓN y constituye un estado de falso equilibrio, que se rompe por cualquier causa insignificante y entonces comienza la solidificación elevándose la temperatura hasta el valor correspondiente al punto de fusión y así permanece constante hasta que el proceso finalice.

Fig. 1: Gráfico temperatura-calor del cambio de sólido a liquido

En general los cuerpos al fundirse aumentan de volumen (hay algunas excepciones como el hielo, el hierro fundido y el bismuto) y el punto de fusión aumenta con la presión. La cantidad de calor necesario Qf para fundir una determinada masa de una sustancia es:

Qf = m · Lf Fig. 2: Gráfico temperatura-calor del cambiode líquido a sólido.

Donde: m = masa de la sustancia sólida en kg Lf = Calor latente de fusión en kJ/kg

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1.2 Vaporización y condensación

La vaporización es el paso del estado líquido al estado gaseoso mientras que el proceso inverso se denomina LIQUEFACCION O CONDENSACION. La vaporización puede darse de dos formas: por evaporación y por ebullición. La vaporización de un líquido por evaporación ocurre solamente en la superficie libre del líquido y puede presentarse a cualquier temperatura. Por ejemplo, la evaporación que se produce continuamente en los ríos, los mares, charcas, ropas mojadas, etc. Por otra parte la ebullición se presenta dentro del propio líquido, como consecuencia de que toda la masa alcanza una temperatura crítica llamada TEMPERATURA DE EBULLICION. Cuando esto ocurre, se produce un fenómeno de agitación turbulenta en el seno del líquido con producción de burbujas gaseosas que ascienden rápidamente a la superficie, originándose vapor hasta que la fase líquida desaparece. Mientras tiene lugar este proceso, si la presión no varía, la temperatura se mantiene constante y el calor suministrado se emplea totalmente en evaporar el líquido. El aporte energético necesario para este cometido es notable.

Fig. 3: Gráfico temperatura-calor del cambio de liquido a vapor

Como hemos visto en la figura 3, todo proceso de evaporación consume calor, mientras que en la condensación se produce desprendimiento de calor, fenómeno que se emplea como complementario al de la evaporación y el hecho tiene gran aplicación en la industria del frío. Así es, en el interior de un frigorífico se produce la vaporización de una fluido (absorción de calor) produciendo frío y en el exterior la condensación del mismo fluido, desprendiendo calor. Por lo tanto podemos decir que el frigorífico mueve el calor del interior del espacio a refrigerar al exterior. La temperatura a la cual se vaporiza ó condensa una sustancia depende del tipo de ésta y de la presión a la que se encuentra.

La temperatura de ebullición es diferente para cada líquido y es directamente proporcional a la presión, esto es aumenta al aumentar la presión y viceversa. ¿Y por que? Consideremos un recipiente con agua como se muestra en la figura 4. La superficie del agua está sometida a dos fuerzas que actúan en sentido inverso, el agua hierve si la presión interna del liquido F1 (ésta aumenta cuando aumenta su temperatura) es superior a la presión atmosférica F2.

Fig. 4: La temperatura de ebullición y condensación dependen de la presión

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El agua no siempre hierve a 100 °C. Ésta es la temperatura de saturación a nivel del mar, es decir, a la presión atmosférica. Al disminuir la presión atmosférica disminuye la temperatura de saturación o de vaporización. Y por el contrario, en un recipiente sometido a una presión superior a la atmosférica, la temperatura de ebullición es superior a los 100 ºC.

¿Sabías que si nos pusiéramos a cocer alimentos en un recipiente abierto a 5.000 m de altura, podríamos tardar incluso días, ya que el agua comenzaría a hervir a una temperatura mucho menor de 100 °C, convirtiéndose en vapor y no alcanzaríamos la temperatura suficiente para lograr una cocción relativamente rápida?

Fig. 5: La temperatura de saturación de una sustancia (agua) depende de la presión.

¿Sabías que, en una olla a presión, los alimentos se cocinan rápidamente debido a que en su interior existe una presión superior a la atmosférica y el agua no se convierte en vapor hasta que no alcanza los 140 ºC aproximadamente?

Si queremos determinar el calor necesario Qv para que hierva una determinada cantidad de una sustancia utilizaremos la expresión:

Qv = m · Lv Donde: m = masa de la sustancia en kg Lv = calor latente de vaporización en kJ/kg El calor latente de vaporización depende del tipo de sustancia (ver la tabla 1).

CALOR LATENTE VAPORIZACION Agua

539 kcal/kg (2257 kJ/kg)

Amoniaco

327 kcal/kg (1369 kJ/kg)

R-410A

61,7 kcal/kg (257 kJ/kg)

Tabla 1: Calor latente de vaporización (Lv) de algunas sustancias.

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CUESTION 1: Calcular la cantidad de calor, en kcal, necesaria para evaporar 10 kg de agua que se encuentran a 100 °C.

SOLUCIÓN: Acudimos a la tabla 1 y obtenemos el calor latente de vaporización del agua y sustituimos en la expresión:

Si representamos gráficamente los estados líquido y gaseoso de una sustancia en un sistema de ejes temperatura-presión para el estudio de la vaporización y condensación, resulta el denominado diagrama de saturación. A modo de ejemplo, en la figura 6 se muestra el correspondiente al refrigerante R-22.

Fig. 6: Diagrama de saturación del refrigerante R-22. Estos diagramas permiten obtener mucha información:

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Conocer el estado físico de una sustancia. Para unos valores concretos de temperatura y presión:

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Si la intersección de las líneas de temperatura y presión está a la izquierda de la curva de saturación, se dice que la sustancia está subenfriada (punto 1 en figura 6).

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Si la intersección está a la derecha, la sustancia está sobrecalentada (punto 2 en figura 6).

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Si la intersección está exactamente sobre la curva, se dice que la sustancia está saturada (punto 3 en la figura 6).

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Obtener la temperatura de saturación correspondiente a una presión concreta. Esta temperatura es la correspondiente al punto donde se cruzan la línea de presión P1 y la curva de saturación (T1 en la figura 6).

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Obtener la presión de saturación a una temperatura concreta. Esta presión es la correspondiente al punto donde se cruzan la línea de temperatura T1 y la curva de saturación (P1 en la figura 6). La presión, para cada temperatura dada, a la cual la fase líquida y vapor se encuentran en equilibrio se denomina presión de vapor o más comúnmente presión de saturación. Su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambos. En el diagrama de saturación es la presión correspondiente a cada punto de la curva (por ejemplo el punto 3 en la figura 6).

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¿Sabías que un manómetro de frigorista todos los puntos de su escala coinciden con los puntos de la curva de saturación para un refrigerante dado? Efectivamente, cuando una sustancia (un refrigerante por ejemplo) experimente un cambio de estado, su temperatura será constante y el punto presión-temperatura estará sobre la curva de saturación y el manómetro de frigorista nos permitirá conocer ambos valores.

En función de la presión y temperatura de una sustancia, ésta tiene su punto representativo en el diagrama de saturación. Su posición respecto a la línea de saturación indica su estado, que puede ser alguno de los siguientes:

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Líquido saturado. Es todo líquido que al aplicarle calor adicional, provoca la vaporización de una parte de él. El punto representativo se encontrará sobre la curva de saturación.

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Vapor saturado. Es todo vapor que al quitarle calor, provoca la condensación de una parte de él. El punto representativo se encontrará sobre la curva de saturación.

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Líquido subenfriado. Aparece si tras la condensación se enfría un líquido de modo que manteniendo la presión, la temperatura disminuye por debajo de la temperatura de saturación. En el diagrama estaríamos situados por encima de la curva (punto 1 en la figura 6).

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Vapor sobrecalentado. Se obtiene cuando la temperatura de un vapor aumenta por encima de la temperatura de saturación, manteniendo la presión constante. El punto correspondiente en el diagrama de saturación estaría situado por debajo de la curva (punto 2 en la figura 6).

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Vapor expansionado. Se obtiene cuando a un vapor saturado se le disminuye la presión.

Todo proceso de evaporación consume calor, por tanto si un gas está licuado porque le hemos aumentado la presión hasta conseguirlo a una determinada temperatura, y se le deja expansionar (se le reduce la presión), se evapora produciendo una disminución de la temperatura, por la absorción del calor de sus alrededores. El hecho tiene gran aplicación en la industria del frío.

¿Sabías que el proceso que ocurre en un botijo es una refrigeración mediante evaporación? Verás, cuando el agua se evapora necesita energía para que se produzca el cambio de estado de líquido a gas. Esa energía puede tomarla del ambiente, pero también del propio sistema, en este caso del agua. Así, cuando se evapora una parte de agua a través de los poros del botijo, extrae energía del propio agua y por tanto disminuye su temperatura.

CUESTION 2: Con ayuda de la gráfica de la figura 14 determina cuál es la temperatura de saturación correspondiente a la presión de 10 bar. Para 0 °C y 20 bar, ¿En qué estado físico se encuentra la sustancia? SOLUCIÓN:

a)

Utilizando el diagrama de la figura 6 trazamos una línea recta horizontal a la altura de 10 bar hasta cortar con la línea de saturación. La temperatura correspondiente al punto de corte es la temperatura de saturación a esa presión: 20 °C (punto 1). b) El punto correspondiente a una temperatura de 0 °C y a una presión de 20 bar es el punto 2. Dado que se encuentra por encima de la curva de saturación, la sustancia estará como líquido subenfriado.

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