123. VARIACIÓN DE LA TEMPERATURA Y CAMBIOS DE ESTADO ASOCIADOS
Curso de Física para el grado 4° de Educación Secundaria Obligatoria (ESO) en España.
Clase No. 123: Variación de la Temperatura y cambios de estado asociados.
Tema: Energía y Calor.
Video producido por Julioprofe en asociación con el proyecto educativo CIBERMATEX (http://cibermatex.net).

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 En la naturaleza la materia puede existir en tres estados o fases que son el estado sólido, el estado líquido y el estado gaseoso o en forma de gas. Entonces, para pasar de estado sólido a estado líquido necesitamos agregar una cantidad de energía para que se produzca ese cambio de estado o de fase. Ese cambio de estado sólido a estado líquido es lo que se conoce como fusión y requiere de agregar una cantidad de energía, por ejemplo si queremos derretir hielo para convertirlo en agua. Ahora para pasar de estado líquido a estado gaseoso también necesitamos agregar una cantidad de energía. Este cambio de estado de líquido a gaseoso es lo que se conoce como ebullición. Entonces si nos movemos en esta dirección, es decir de sólido a líquido y de líquido a gas necesitamos agregar energía, necesitamos absorber energía. Entonces hay una absorción de energía, es decir necesitamos agregar calor. El proceso contrario también se puede dar, es decir pasar del estado gaseoso al estado líquido es lo que se conoce como condensación y para ello se debe extraer o liberar una cantidad de energía. De igual manera para pasar de estado líquido a estado sólido que es lo que se conoce como congelación también entonces se requiere extraer o liberar otra cantidad de energía. Entonces si nos movemos en la otra dirección, es decir de gas a líquido y de líquido a sólido vemos que hay un desprendimiento o una liberación de energía. Y todo esto, todos estos cambios de estados o de fases están asociados a una variación de la temperatura. Al incrementar la temperatura entonces nos movemos en esta dirección porque estamos absorbiendo o agregando energía. Al disminuir la temperatura entonces logramos el proceso inverso porque estamos logrando una liberación o desprendimiento de energía. En el caso del agua a presión atmosférica normal recordemos que el punto de fusión es cero grados Celsius hablando de la escala Celsius y el punto de ebullición ocurre a cien grados Celsius. Entonces a cero grados Celsius el agua pasa de estado sólido a estado líquido o también podemos pasar de estado líquido a estado sólido, es decir congelar agua. Y a cien grados Celsius el agua se convierte en vapor de agua o también el vapor de agua se puede convertir nuevamente en agua líquida. Cuando la materia cambia de estado sólido a estado líquido o de estado líquido a estado gaseoso hay una energía que participa en ese cambio de estado o fase. Esta energía se llama calor latente o calor de transformación y se denota con la letra L y es igual al cociente entre la cantidad de calor necesaria Q para producir ese cambio de estado o fase y la masa del cuerpo. Usualmente el calor latente se expresa en calorías sobre gramo, es como la unidad más utilizada. Veamos lo que sucede con el agua. Si tenemos hielo y queremos derretirlo para convertirlo en agua líquida, es decir el cambio de estado que se llama fusión, necesitamos una cantidad de calor, es decir un calor latente o calor de transformación de 80 calorías por cada gramo de hielo. Un gramo de hielo necesita que se le incorporen 80 calorías de calor de energía en forma de calor para que se convierta en agua líquida. De igual manera si quisiéramos convertir agua líquida en hielo, es decir el proceso de congelación, necesitamos esta misma cantidad de calor por cada gramo de agua líquida. Ese es el calor latente de fusión o de congelación para el agua. Para pasar de agua líquida a vapor de agua, es decir el proceso llamado ebullición, necesitamos un calor latente de 540 calorías por cada gramo de agua. Ese sería entonces el calor latente de ebullición o a veces también conocido como calor latente de vaporización. 540 calorías por cada gramo de agua. De igual forma si queremos regresar, es decir el proceso conocido como condensación, necesitamos esta misma cantidad de calor por cada gramo de vapor de agua. Entonces eso es lo que se llama calor latente o calor de transformación cuando se producen cambios de estado en la materia. En esta gráfica de temperatura contra calor, temperatura en grados Celsius y calor expresado en calorías, vamos a ver qué le sucede a un gramo de hielo a menos 40 grados. Vamos a mostrar cómo a medida que sube la temperatura hasta llegar a 100 grados Celsius, entonces convertimos este gramo de hielo en vapor de agua, es decir producimos los cambios de estado o fase. Veamos qué cantidad de calor se requiere para empezar a derretir un gramo de hielo, es decir llevándolo desde menos 40 grados Celsius hasta cero grados Celsius, es decir hasta el punto de fusión del agua. Aquí en cero grados Celsius comienza el proceso de fusión, es decir el hielo se empieza a derretir. Para ello utilizamos la expresión para calcular la cantidad de calor, calor es igual a m por c por delta de t. En este caso sería masa del hielo que es un gramo por el calor específico del hielo que es 0.5, esto está en calorías sobre gramo por grados centígrados por el incremento de temperatura. Para pasar de menos 40 hasta cero entonces hay un aumento de temperatura de 40 grados centígrados, eso sería delta de t, temperatura final menos temperatura inicial. Haciendo toda esta operación eso nos da un total de 20 calorías. Voy a decir esto, que si empezamos en cero, cero calorías, debemos agregar 20 calorías, vamos a suponer que es por aquí, para que ese gramo de hielo entonces pase de menos 40 grados hasta cero grados. Entonces tenemos aquí un primer punto de la gráfica que vamos a unir con una línea recta. Entonces allí tenemos el primer trámito de la gráfica, es cuando se está produciendo entonces el aumento de temperatura que empieza a derretir el hielo. A continuación viene el cambio de estado, es decir, el hielo pasa de estado sólido a convertirse en agua líquida. Para eso requerimos de un calor latente de 80 calorías por gramo, pero como estamos trabajando con un gramo de hielo que se va a convertir luego en agua, entonces necesitamos de 80 calorías, 20 más 80 calorías nos da un total de 100 calorías. De esa manera llegaríamos a este punto y nuevamente unimos con una línea horizontal, con línea recta para mostrar entonces el cambio de estado. Esta línea horizontal indica el cambio de fase de la fase sólida a la fase líquida de ese gramo de hielo. Entonces aquí en este sitio ya tenemos totalmente agua líquida y vamos a seguir subiendo la temperatura desde cero hasta cien grados Celsius, es decir, hasta conseguir la ebullición de ese gramo de agua líquida. Vamos a ver entonces qué cantidad de calor necesitamos. Nuevamente aplicamos la fórmula M por C por delta de T. Tenemos un gramo de agua líquida, el calor específico del agua líquida es igual a una caloría sobre gramo por grados Celsius o grados centígrados por el incremento de temperatura. Vamos a pasar de cero a cien grados Celsius, es decir, un incremento de cien grados Celsius o centígrados. Multiplicando todo eso tenemos un total de cien calorías. Por lo tanto si estábamos en cien y agregamos otras cien calorías vamos a llegar hasta 200. Supongamos que es por aquí, aclaro esta escala no está uniformemente graduada, es solamente para efecto de la explicación. Entonces para 200, o sea al llegar a 200 calorías ya tenemos la temperatura del agua en cien grados Celsius. Nuevamente unimos con línea recta y tenemos el siguiente tramo de la gráfica. En este punto tenemos un gramo de agua totalmente líquida. Si continuamos elevando la temperatura para que esa agua líquida luego se convierta en vapor de agua, es decir, para que se presente el cambio de estado, entonces ahí es cuando necesitamos incorporar el calor latente de cambio de fase, de la fase líquida a la fase gaseosa. Para el caso del agua ese calor latente vale 540 calorías por gramo, pero como estamos trabajando con un gramo de agua entonces necesitamos incorporar 540 calorías. Como estábamos en 200 calorías si agregamos 540 nos da 740 calorías y de esa manera obtenemos este puntico, 740 lo conectamos con cien y allí unimos con un tramo recto horizontal que es lo que nos indica el cambio de estado de la fase líquida a la fase gaseosa. En este punto tenemos entonces un gramo de vapor de agua. Si continuáramos elevando la temperatura de cien hacia arriba entonces aquí también tendríamos que seguir añadiendo calor para que el agua se mantenga en su fase gaseosa. En resumen, esta gráfica nos muestra como una variación de temperatura, es decir, un incremento de temperatura puede producir unos cambios de estado o de fase. En el caso de un gramo de hielo que se convirtió luego en agua líquida y después en vapor de agua. Entonces aquí tenemos hielo en esta zona, aquí tenemos agua líquida, totalmente líquida y en esta zona tenemos vapor de agua, o sea agua en estado gaseoso. Ahí tenemos entonces los tres estados, estado sólido, estado líquido y estado gaseoso. Y en las zonas intermedias lo que tenemos son los cambios de estado, es decir, donde se aplica el calor latente. Entonces aquí tendríamos hielo con agua que es cuando se incorporan 80 calorías para ese gramo de hielo y aquí tenemos lo que es agua junto con vapor, vapor de agua, que es cuando se incorporaron 540 calorías para ese gramo de agua, calor latente de fusión y calor latente de vaporización. Bien, entonces vemos cómo los cambios de estado o de fase en la materia se encuentran asociados a las variaciones de temperatura.
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necesitamos"}, {"start": 482.0, "end": 489.96, "text": " de 80 calor\u00edas, 20 m\u00e1s 80 calor\u00edas nos da un total de 100 calor\u00edas."}, {"start": 489.96, "end": 497.36, "text": " De esa manera llegar\u00edamos a este punto y nuevamente unimos con una l\u00ednea horizontal,"}, {"start": 497.36, "end": 502.12, "text": " con l\u00ednea recta para mostrar entonces el cambio de estado."}, {"start": 502.12, "end": 508.16, "text": " Esta l\u00ednea horizontal indica el cambio de fase de la fase s\u00f3lida a la fase l\u00edquida"}, {"start": 508.16, "end": 509.8, "text": " de ese gramo de hielo."}, {"start": 509.8, "end": 515.16, "text": " Entonces aqu\u00ed en este sitio ya tenemos totalmente agua l\u00edquida y vamos a seguir subiendo la"}, {"start": 515.16, "end": 521.92, "text": " temperatura desde cero hasta cien grados Celsius, es decir, hasta conseguir la ebullici\u00f3n de"}, {"start": 521.92, "end": 524.5600000000001, "text": " ese gramo de agua l\u00edquida."}, {"start": 524.5600000000001, "end": 527.64, "text": " Vamos a ver entonces qu\u00e9 cantidad de calor necesitamos."}, {"start": 527.64, "end": 531.88, "text": " Nuevamente aplicamos la f\u00f3rmula M por C por delta de T."}, {"start": 531.88, "end": 537.84, "text": " Tenemos un gramo de agua l\u00edquida, el calor espec\u00edfico del agua l\u00edquida es igual a una"}, {"start": 537.84, "end": 546.12, "text": " calor\u00eda sobre gramo por grados Celsius o grados cent\u00edgrados por el incremento de temperatura."}, {"start": 546.12, "end": 552.6, "text": " Vamos a pasar de cero a cien grados Celsius, es decir, un incremento de cien grados Celsius"}, {"start": 552.6, "end": 553.88, "text": " o cent\u00edgrados."}, {"start": 553.88, "end": 558.52, "text": " Multiplicando todo eso tenemos un total de cien calor\u00edas."}, {"start": 558.52, "end": 563.9200000000001, "text": " Por lo tanto si est\u00e1bamos en cien y agregamos otras cien calor\u00edas vamos a llegar hasta"}, {"start": 563.9200000000001, "end": 564.9200000000001, "text": " 200."}, {"start": 564.92, "end": 571.04, "text": " Supongamos que es por aqu\u00ed, aclaro esta escala no est\u00e1 uniformemente graduada, es solamente"}, {"start": 571.04, "end": 572.8, "text": " para efecto de la explicaci\u00f3n."}, {"start": 572.8, "end": 579.8399999999999, "text": " Entonces para 200, o sea al llegar a 200 calor\u00edas ya tenemos la temperatura del agua en cien"}, {"start": 579.8399999999999, "end": 581.68, "text": " grados Celsius."}, {"start": 581.68, "end": 587.38, "text": " Nuevamente unimos con l\u00ednea recta y tenemos el siguiente tramo de la gr\u00e1fica."}, {"start": 587.38, "end": 592.38, "text": " En este punto tenemos un gramo de agua totalmente l\u00edquida."}, {"start": 592.38, "end": 597.48, "text": " Si continuamos elevando la temperatura para que esa agua l\u00edquida luego se convierta en"}, {"start": 597.48, "end": 602.64, "text": " vapor de agua, es decir, para que se presente el cambio de estado, entonces ah\u00ed es cuando"}, {"start": 602.64, "end": 609.2, "text": " necesitamos incorporar el calor latente de cambio de fase, de la fase l\u00edquida a la fase"}, {"start": 609.2, "end": 610.2, "text": " gaseosa."}, {"start": 610.2, "end": 616.88, "text": " Para el caso del agua ese calor latente vale 540 calor\u00edas por gramo, pero como estamos"}, {"start": 616.88, "end": 622.96, "text": " trabajando con un gramo de agua entonces necesitamos incorporar 540 calor\u00edas."}, {"start": 622.96, "end": 633.08, "text": " Como est\u00e1bamos en 200 calor\u00edas si agregamos 540 nos da 740 calor\u00edas y de esa manera obtenemos"}, {"start": 633.08, "end": 641.68, "text": " este puntico, 740 lo conectamos con cien y all\u00ed unimos con un tramo recto horizontal"}, {"start": 641.68, "end": 648.64, "text": " que es lo que nos indica el cambio de estado de la fase l\u00edquida a la fase gaseosa."}, {"start": 648.64, "end": 652.4399999999999, "text": " En este punto tenemos entonces un gramo de vapor de agua."}, {"start": 652.4399999999999, "end": 657.52, "text": " Si continu\u00e1ramos elevando la temperatura de cien hacia arriba entonces aqu\u00ed tambi\u00e9n"}, {"start": 657.52, "end": 664.56, "text": " tendr\u00edamos que seguir a\u00f1adiendo calor para que el agua se mantenga en su fase gaseosa."}, {"start": 664.56, "end": 670.56, "text": " En resumen, esta gr\u00e1fica nos muestra como una variaci\u00f3n de temperatura, es decir, un"}, {"start": 670.56, "end": 676.1199999999999, "text": " incremento de temperatura puede producir unos cambios de estado o de fase."}, {"start": 676.1199999999999, "end": 683.4399999999999, "text": " En el caso de un gramo de hielo que se convirti\u00f3 luego en agua l\u00edquida y despu\u00e9s en vapor"}, {"start": 683.4399999999999, "end": 684.4399999999999, "text": " de agua."}, {"start": 684.4399999999999, "end": 691.76, "text": " Entonces aqu\u00ed tenemos hielo en esta zona, aqu\u00ed tenemos agua l\u00edquida, totalmente l\u00edquida"}, {"start": 691.76, "end": 697.5999999999999, "text": " y en esta zona tenemos vapor de agua, o sea agua en estado gaseoso."}, {"start": 697.6, "end": 703.64, "text": " Ah\u00ed tenemos entonces los tres estados, estado s\u00f3lido, estado l\u00edquido y estado gaseoso."}, {"start": 703.64, "end": 709.48, "text": " Y en las zonas intermedias lo que tenemos son los cambios de estado, es decir, donde"}, {"start": 709.48, "end": 711.76, "text": " se aplica el calor latente."}, {"start": 711.76, "end": 719.28, "text": " Entonces aqu\u00ed tendr\u00edamos hielo con agua que es cuando se incorporan 80 calor\u00edas para"}, {"start": 719.28, "end": 727.64, "text": " ese gramo de hielo y aqu\u00ed tenemos lo que es agua junto con vapor, vapor de agua, que"}, {"start": 727.64, "end": 736.0799999999999, "text": " es cuando se incorporaron 540 calor\u00edas para ese gramo de agua, calor latente de fusi\u00f3n"}, {"start": 736.0799999999999, "end": 738.8399999999999, "text": " y calor latente de vaporizaci\u00f3n."}, {"start": 738.8399999999999, "end": 745.1999999999999, "text": " Bien, entonces vemos c\u00f3mo los cambios de estado o de fase en la materia se encuentran asociados"}, {"start": 745.2, "end": 752.2, "text": " a las variaciones de temperatura."}]