FISICA

1. · .faSe
btOS de ,
catn
Cambios de fase
En nuestro mundo cotidiano los tres estados más comunes
de la materia son sólido, líquido y gaseoso.
Figura 2.14 En esta imagen están representados los tres esta-
dos del agua. El vapor de agua está disperso en el aire y es invi-
'sible hasta que se, condensa.
A determinada temperatura, Ios cuerpos emplean el
calor que absorben en cambios de estado fisico. Así ocurre
que los sólidos se convierten en líquidos y éstos en gases.
El primer cambio se llama fusión y el segundo vapori-
zación. Además, en ciertos cuerpos ocurre el cambio de
estado o fase directo del sólido al gaseoso, llamado subli-
mación. De forma análoga, hay cambios de fase en senti-
do inverso debido a la continua sustracción de calor, así,
los cuerpos gaseosos se convierten en líquidos por con-
densación, y los líquidos en sólidos por solidificación.
sublimación
fusión
líquido
vaporización t
gas
I
sólido
condensaciónsolidificación
Figura 2.15 Cambios de fase.
Cuando a un sólido se le transfiere calor de fa
continua aumenta su temperatura; este cuerpo se con
en estado sólido hasta alcanzar su temperatura de p
de fusión, en la cual sus partículas iniciarán un cambio
fase, de sólido a líquido, es decir, empezará a fun .
Desde el momento en que la primera molécula del cu _
sólido pasa al estado líquido, hasta el momento en q ~
cuerpo sólido se ha fundido, la temperatura de la me
(de la parte sólida y líquida) permanece constante. En_
neral para la fusión se cumplen las siguientes leyes:
1. Cada sustancia se funde a la temperatura corre
diente a su punto de fusión.
2. Mientras el cuerpo se funde su temperatura perman
constante.
Para que los cuerpos pasen del estado sólido allí
do se requiere cierta cantidad de calor para fundirlos.
La cantidad de calor que se necesita por unidad
masa para cambiar una sustancia de la fase sólida
la líquida a su temperatura de fusión se llama calo
latente de fusión y se denota por (Hf)'
Por ejemplo, el calor latente de fusión para el hiel
HfHielo = 80 cal/g = 334 x 10
3
J/kg
Lo anterior significa que si 1 g de hielo en su p
de fusión absorbe 80 calorías, el hielo se convierte en 1:::
agua a la misma temperatura. De manera análoga, si
de hielo absorbe 334 x 103
J de calor, el hielo se conv -
en 1 kg de agua a la misma temperatura.
Podemos deducir entonces que el calor Q que se
quiere para fundir o derretir un sólido de masa m a su
peratura de fusión se determina mediante la ecuación:
'.

2. J/kg call O°C B
100°C 2256 x 10 540
358°C 296 x 103
71
Q
2870°C 4730 x 10 1130 Figura 2.17 Gráfica de los puntos A a B.
nde H, es el calor latente de fusión. Esta cantidad de ea-
r es la que se requiere para cambiar la estructura interna
la sustancia. En concreto, es la energía que se requiere
ra rebasar las fuerzas intermoleculares que conservan el
:naterial en el estado sólido.
De la misma manera, para que un cuerpo pase del es-
o líquido al gaseoso es necesario proporcionarle cierta
tidad de calor. Si a un cuerpo líquido se le transfiere ea-
de forma continua su temperatura aumentará gradual-
- nte, y se conservará en estado líquido hasta alcanzar
temperatura correspondiente a su punto de ebullición,
_ partir de la cual sus partículas empezarán a cambiar de
fase líquida a la fase gaseosa; es decir, empezarán a
~ ·arorarse.
La cantidad de calor necesario por unidad de masa
para cambiar una sustancia de líquido a vapor a su
temperatura de ebullición se llama calor latente de
aporización y se denota por Hv.
El calor Q que se requiere para evaporar un líquido de
asa m a su temperatura de ebullición está determinado
r la ecuación:
Q=mHv
nde H; es el calor latente de vaporización.
Esta energía es la que se requiere para rebasar las
- erzas intermoleculares que conservan el material en es-
do líquido.
En la tabla 2.3 se muestran los puntos de fusión y de
ebullición, y el calor latente de fusión y de vaporización
e algunas sustancias comunes.
-abla 2.3 Puntos de fusión y de ebullición, y calor latente de
!:Jsión y de vaporización de diversas sustancias.
Calor latente'
de vaporización,.
Punto
ustanci de J/kg
fusión
Agua O°C 334 x 103
80
Mercurio -39°C l1.5x103
2.8
Cobre 1080 °C 134 x 10 32
Plata 960.8 ° 88.3 x lO 21 2193°C 2340 x 10 558
Plomo 327.3 ° 24.5 x io' 5.9 1620°C 871 x 10 208
Tema 3 Cambios de fase 103
En la siguiente figura se bosqueja el proceso de los
tres cambios de estado físico a medida que se adiciona
calor a 2 kg de agua, comenzando con una temperatura
inicial de -20°C hasta una temperatura final de l30 "C.
T F
l30°C - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - --
LOO°C
-------------------T---~
'";
~ vapor
:;¡ agua
o.
+ deE
~ vapor: agua
O°C
agua !
I
I
!
-20°C
Q2 Q3 Q4 Qs
Q
A
Figura 2.16 Gráfica de los cambios de estado presentes en 2 kg
de agua en el intervalo de temperatura de -20 a 130°C.
Analicemos cada parte de la gráfica anterior por se-
parado.
Entre los puntosAy B, el hielo se calientade-20 aO "C.
Dado que el calor específico del hielo es 2093 J/kg x K, la
cantidad de calor agregado (Q¡) está dada por:
Q¡ = 2 kg(2093 J/kg x K)[O °C - (-20°C)]
Q¡ = 2 kg(2093 J/kg x K)(20 K)
Recuerda que si M = 20°C, entonces M = 20 K; luego
Q¡ = 83720 J
Q¡= 83.72 kJ
T
Entre los puntos B y e las partículas siguen unidas en
forma de sólido, pero tienen más libertad de movimiento
hasta que finalmente quedan lo suficientemente libres para

3. 104 Física 11
moverse sin problemas. En el punto e el hielo ha cambia-
do de sólido a líquido; reiterando, la temperatura cons-
tante a la cual ocurre este cambio es la correspondiente al
punto de fusión del agua.
La energía térmica suministrada en esta parte (entre B
y e), no produce un aumento en la energía cinética de las
partículas, por consiguiente, la temperatura de la sustancia
tampoco se eleva; es decir, cuando el hielo alcanza los O De,
la mezcla de hielo yagua permanece a la misma tempe-
ratura, a pesar de que se le suministra en forma continua
calor hasta que se funde.
El calor requerido (Q2) para fundir 2 kg de hielo a
O De es
Q2=mHf
donde m = 2 kg YHf= 334 X 103J/kg; luego
Q2= 2 kg (334 X 103
J/kg)
Q2= 668 x 10
3
J
T
oOe B Q2
---------.r-----=-=---- e
2200
e----"r--------------- Q
Figura 2.18 Gráfica de los puntos B a C.
Ahora analicemos el proceso erltre los puntos e y D.
Una vez que se ha derretido (fundido) el hielo por
completo, el calor agregado al agua incrementa de nue-
vo el movimiento de las partículas y por consiguiente la
temperatura del agua se eleva hasta los 100 De (su punto
de ebullición). La cantidad de calor (Q3) que se agrega a
los 2 kg de agua para aumentar la temperatura de O De
a 100 De es
Q3=mc f1..t
donde el calor específico del agua es 4186 J/kg x K; luego
Q3= 2 kg(4186 J/kg x K)(100 De - ODC)
Q3= 2 kg(4186 J/kg x K)(100 K)
Q3= 837 200 J
Q3= 837.2 kJ
T
oOe
Q¡
looOe ----------------------- D
B
e
-20 °e ~--------- ...•.Q
A
Figura 2.19 Gráfica de los puntos e a D.
Describamos a continuación el proceso entre los
tos D y E.
Al alcanzar el agua la temperatura de 100 De (su
to de ebullición), la cantidad de calor que se agrega
produce un aumento en la energía cinética de las p
las y, por consiguiente, la temperatura del agua ta
se eleva.
La adición de más energía produce otro cambio
fase: del estado líquido al estado gaseoso. La canti
de calor para convertir el agua en vapor es
Q4=mHy
donde m = 2 kg y H; representa el calor latente de va
zación. Dado que el calor latente de vaporización del ag
es 2256 x 103J/kg, entonces,
Q4= 2 kg(2256 x 103
J/kg)
Q4=4512x 103J
T
1000e
e
oOe
220
0
e A""*----------Q
Figura 2.20 Gráfica de los puntos O a E.
Después de que la sustancia se haya convertido to-
talmente en vapor de agua, es decir, en gas, cualqui
cantidad de calor que se le adicione aumenta de nuevo
movimiento de las partículas y la temperatura se eleva,
Por encima del punto E, el vapor se calienta hasta 130 De
El calor agregado (Q5) para elevar la temperatura d
vapor de 100 De a 130 De es
"
4,

4. ',-
Q3 = mCvapoi130 DC- 100DC)
donde el calor específico del vapor es 2.00 x 103
JlKg:
Qs = 2 kg(2000 J/kg)(130 DC- 100 DC)
Qs = 120000 J
Qs = 120 kJ
T
130°C F
Qs
100°C
D Q4
E
. Q3
o°c
B Q2
e
Q¡
220°C -!'---------------Q
A
ura 2.21 Gráfica de los puntos E a F.
La cantidad total de calor (Qt) que se requiere para
biar 2 kg de hielo a - 20 DCa vapor a 130 DCes igual
suma de Q¡, Q2' Q3' Q4 y o,
Qt = Q¡ + Q2 + Q3 + Q4 + Qs
Q. = 83.7 kJ + 668 kJ + 837.2 kJ + 4512 kJ + 120 kJ
Q. = 6220.9 kJ
Para concluir, es importante hacer las siguientes pre-
ones:
• La pendiente del segmento de recta definido entre los
tos A y B de la gráfica representa el calor específico
hielo.
111 ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE
Tema 3 Cambios de fase 105
• La pendiente del segmento de recta entre los puntos C
y D representa el calor específico del agua.
• La pendiente del segmento de recta entre los puntos E
y F representa el calor específico del vapor.
Cuando se extrae calor de un gas, su temperatura dis-
minuye hasta que alcanza la temperatura correspondiente
a su punto de ebullición. Si se continúa extrayendo calor,
el vapor cambia a líquido; este proceso se llama conden-
sación, La cantidad de calor que se requiere para conden-
sar vapor de agua es de igual magnitud que la requerida
para evaporarlo; es decir, si enfriamos 2 kg de vapor de
agua a 130 DChasta que se tenga hielo a -20 DC, se debe-
rán extraer 6220.9 kJ de calor. Los procesos son iguales,
la única diferencia es la dirección del calor transferido.
Cuando el cambio de fase ocurre
en ese sentido, se absorbe energía
Sólido ---- Gas----Líquido
Cuando el cambio de fase es en
este sentido, se libera energía
Figura 2.22 Dirección de cambios de fase.
I
1. Se define como la cantidad de calor por unidad de masa que se requiere para cambiar una sustancia de sólido a líqui-
do a su temperatura de fusión.
a) Calor específico de la sustancia
b) Capacidad calorífica de la sustancia
e) Calor latente de vaporización de la sustancia
d) Calor latente de fusión de la sustancia
-2. Se define como la cantidad de calor por unidad de masa que se requiere para cambiar una sustancia del estado líquido
al gaseoso a su temperatura de ebullición. .
a) Calor específico de la sustancia
b) Capacidad calorífica de la sustancia
e) Calor latente de vaporización de la sustancia
d) Calor latente de fusión de la sustancia
-

5. 106 Física 11
3. Cambio de fase de sólido a líquido.
a) Vaporización
b) Fusión
e) Solidificación
d) Sublimación
e) Condensación
4. Cambio de fase de líquido a vapor.
a) Vaporización
b) Fusión
e) Solidificación
d) Sublimación
e) Condensación
5. Cambio de fase directa de sólido a gaseoso.
a) Vaporización
b) Fusión
e) Solidificación
d) Sublimación
e) Condensación
6. Cambio de fase del estado líquido al sólido.
a) Vaporización
b) Fusión
e) Solidificación
d) Sublimación
e) Condensación
7. Cambio de fase del estado gaseoso al líquido.
a) Vaporización
b) Fusión
e) Solidificación
d) Sublimación
e) Condensación
En la siguiente gráfica se presenta el proceso de los cambios de estado de un objeto de sólido a gas a medida que se
le añade calor. Con base en esta gráfica contesta las preguntas 8 a 13.
.,
T (Temperatura)
T F (Temperatura final)
F
P E (Punto de ebullición)
P F (Punto de fusión)
To (Temperatura inicial) '-.:..- ..:..... ...L__ !...-_---L~Q (Calor)
A
Figura 2.23 Cambios de estado de sólido a gas.
-
-
-
-
-

6. Tema 3 Cambios de fase 107
8. ¿Entre qué puntos del proceso la temperatura del objeto permanece constante?
a) Entre A y B
b) Entre By C
e) Entre C y D
d) Entre D y E
e) Entre E y F
f) b) Yd) son correctas.
-9. Cantidad de calor que se requiere para fundir el objeto a su temperatura de fusión.
a) QI
b) Q2
e) Q3
. d) Q4
e) Qs
-10. Cantidad de calor requerido para evaporar el líquido a su temperatura de ebullición.
a) QI
b) Q2
e) Q3
d) Q4
e) Qs
-11. Cantidad de calor agregado que se utiliza para aumentar la temperatura del objeto en estado líquido del punto de fusión
al punto de ebullición del mismo.
a) QI
b) Q2
e) Q3
d) Q4
e) Qs
-12. Cantidad de calor que se requiere para cambiar la temperatura del objeto desde su temperatura inicial hasta su punto
de fusión.
a) QI
b) Q2
e) Q3
d) Q4
e) Qs
-13. Cantidad de calor agregado que se utiliza para elevar la temperatura del vapor desde el punto de ebullición del objeto
hasta su temperatura final.
a) QI
b) Q2
e) Q3
d) Q4
e) Qs
-

7. 108 Física 11
14. Calcula la cantidad de calor que se requiere para convertir 80 g (0.08 kg) de hielo a -5°C en vapor a 115°C:
(cHielo= 2093 J/kg x K; cAgua = 4186 J/kg x K; CYaporde agua = 2000 J/kg x K; H¡= 334 X 10
3
J/kg; Hy= 2256 x 10
3
Jlkg
Punto de fusión = O°C; punto de ebullición 100 "C. Expresa el resultado en kilojoules.
a) 256.8 kJ
b) 232.4 kJ
e) 250.0 kJ
d) 243.9 kJ
243.9 kJ
-
"
.~

8. Tema 3 Cambios de fase 109
15. ¿Qué cantidad de calor se requiere para cambiar 100 g de hielo a -4 "C en vapor a 110 "C] Expresa el resultado en
calorías; (cHielo = 0.5 cal/g x "C; cAgua = 1 cal/g x "C; CYapor de agua = 0.48 cal/g x °e; HfAgua = 80 cal/g; H vAgua = 540 cal/g).
Punto de fusión = O"C; punto de ebullición 100 "C. Expresa el resultado en calorías.
a) 83020 cal
b) 72 680 cal
e) 68560 cal
d) 79300 cal
-,
72 680 cal
-

9. 110 Física 11
16. ¿Cuántas calorías se requiere liberar para convertir 120 g de vapor a 120 DCen hielo a -30 DC?(cHielo= 0.5 cal/g x
C Agua = 1 cal/g x DC;CYapor de agua = 0.48 cal/g X DC;H fAgua = 80 cal/g; H YAgua = 540 cal/g). Se entiende que al liberar
es negativo.
a) -95432 cal
b) -82 586 cal
e) -98 850 cal
d) -89 352 cal
-89352 cal
~
"
~