3. Cambios de estado y calor latente

¿De qué se trata?

Ponés hielo picado en una olla, con un termómetro adentro, y prendés la hornalla bajita. El termómetro marca 0 °C… y sigue marcando 0 °C durante varios minutos, aunque el fuego no para. Recién cuando se derritió todo el hielo, la temperatura empieza a subir. Más tarde, cuando el agua hierve, se vuelve a frenar: queda en unos 100 °C hasta que se evapora.

¿Adónde va la energía que entrega la hornalla si la temperatura no sube? Esa energía “escondida” es el calor latente (latente quiere decir oculto). En este tema vamos primero a lo que se ve y se mide (macroscópico) y después a la explicación con partículas.

Ideas clave

1. Los cambios de estado (macroscópico)

La vaporización puede ser de dos maneras:

• Evaporación: solo en la superficie del líquido y a cualquier temperatura (el charco que se seca).
• Ebullición: en toda la masa del líquido (burbujas que suben) y a una temperatura fija para cada sustancia y presión.

Los cambios que van hacia estados más “desordenados” (fusión, vaporización, sublimación) se llaman progresivos y absorben energía. Los inversos son regresivos y la liberan.

2. La temperatura se queda quieta

🔍 Mientras una sustancia pura cambia de estado, la temperatura se mantiene constante, aunque se le siga entregando (o quitando) energía. El agua a nivel del mar:

• funde (y solidifica) a 0 °C → punto de fusión;
• hierve a 100 °C → punto de ebullición.

Cada sustancia pura tiene sus propios puntos de fusión y de ebullición. Son propiedades intensivas y sirven para identificarla. La naftalina, por ejemplo, funde a unos 80 °C (lo vas a medir en el tema 4).

3. Cuánta energía: calor latente

La energía necesaria para cambiar de estado 1 g (o 1 kg) de una sustancia, sin cambiar su temperatura, es su calor latente ($L$). Para el agua:

• Calor latente de fusión: $L_f \approx 334\ \text{J/g}$ (unas 80 cal/g).
• Calor latente de vaporización: $L_v \approx 2260\ \text{J/g}$ (unas 540 cal/g).

Para una masa $m$:

$Q = m \cdot L$

Ejemplo: fundir 50 g de hielo a 0 °C requiere $Q = 50\ \text{g} \cdot 334\ \text{J/g} = 16\,700\ \text{J}$. Para evaporar esos mismos 50 g de agua a 100 °C hacen falta $50 \cdot 2260 = 113\,000\ \text{J}$: casi siete veces más.

La misma cantidad de energía que se absorbe al fundir se libera al solidificar; la que se absorbe al vaporizar se libera al condensar.

4. Ahora sí, las partículas (submicroscópico)

⚛️ Recordá el modelo: la temperatura está ligada a la rapidez promedio de las partículas.

• Al calentar hielo por debajo de 0 °C, la energía hace vibrar más rápido a las partículas: la temperatura sube.
• Al llegar a 0 °C, la energía que entra se usa para vencer la atracción que mantiene a las partículas en sus posiciones fijas. Las partículas pasan a deslizarse (líquido), pero su rapidez promedio no aumenta: la temperatura no cambia.
• En la ebullición pasa lo mismo, pero hay que separar del todo a las partículas (de juntas a muy separadas). Por eso el calor latente de vaporización es mucho mayor que el de fusión.

✏️ H₂O (s) → H₂O (l) a 0 °C  |  H₂O (l) → H₂O (g) a 100 °C (a nivel del mar).

5. En la vida diaria

• Transpirar enfría: el sudor, al evaporarse, absorbe energía de la piel.
• El vapor quema más que el agua hirviendo: al condensarse sobre la piel, libera su calor latente de vaporización.
• El hielo enfría la bebida sobre todo porque, al fundirse, absorbe mucha energía sin subir de 0 °C.
• En la montaña el agua hierve a menos de 100 °C (hay menor presión); en la olla a presión, a más de 100 °C.

Vocabulario

Errores frecuentes

Autoevaluación

1. ¿Por qué la temperatura de una mezcla de agua y hielo queda en 0 °C mientras haya hielo?

2. Calculá la energía para fundir 200 g de hielo a 0 °C ($L_f = 334\ \text{J/g}$).

3. Clasificá como progresivo o regresivo: escarcha, ropa que se seca, vela que se endurece.

Resumen

Durante un cambio de estado de una sustancia pura, la temperatura no cambia aunque se intercambie energía. Esa energía es el calor latente: $Q = m \cdot L$. Los cambios progresivos absorben energía y los regresivos la liberan. Con partículas: la energía se usa para vencer la atracción y separar las partículas, no para que se muevan más rápido.