11.12
Curvas de Calentamiento y Enfriamiento
Cuando una sustancia— aislada de su entorno—se somete a cambios de calor, se observan los cambios correspondientes en la temperatura y fase de la sust…
Calentar o enfriar una sustancia provoca cambios de temperatura, seguidos de cambios de fase. Calentar una sustancia aumenta la energía térmica de sus moléculas, que se refleja como un aumento de temperatura hasta alcanzar un punto de transición. Cuando la sustancia ha absorbido suficiente calor, las fuerzas de atracción entre sus moléculas se superan, lo que lleva a una transición de fase a una temperatura constante.
Una vez que se completa la transición, el calentamiento da como resultado un aumento de temperatura nuevamente. Cuando se elimina el calor de la sustancia, la disminución de la energía térmica de sus moléculas corresponde a una disminución de la temperatura, hasta alcanzar un punto de transición. entonces, la temperatura permanece constante a medida que se restablecen las fuerzas intermoleculares más fuertes durante el cambio de fase.
El comportamiento de una sustancia en respuesta a los cambios de temperatura se puede modelar utilizando curvas de calentamiento o curvas de enfriamiento, donde el cambio de temperatura se representa en función del calor agregado o eliminado. Considere un beaker lleno de cubos de hielo, inicialmente a 20 C grados Celsius. A medida que fluye el calor, la temperatura del hielo aumenta de manera constante.
La cantidad de calor absorbido al calentar el hielo depende de la capacidad calorífica específica del hielo. Una vez que se alcanza el punto de fusión del hielo, la temperatura deja de subir a pesar del flujo continuo de calor. Los efectos del calor absorbido debilitan las fuerzas intermoleculares hasta que el hielo se derrite por completo en agua líquida.
La meseta del equilibrio sólido-líquido es característica de la transición de fase a temperatura constante. El cambio de entalpía entre el principio y el final de la meseta indica la cantidad de calor necesaria para el proceso de fusión, o en otras palabras, la entalpía de fusión del agua. Una vez que se completa el proceso de fusión, el calor absorbido da como resultado el correspondiente aumento lineal de la temperatura.
La capacidad calorífica específica del agua dicta la cantidad de calor absorbido. En el punto de ebullición, la temperatura deja de subir. En cambio, el calor absorbido contribuye a superar las fuerzas de atracción entre las moléculas de agua hasta que el agua se vaporiza por completo.
La meseta del equilibrio líquido-gas representa la transición de fase a una temperatura constante. El cambio de entalpía entre el principio y el final de la meseta es la entalpía de vaporización del agua. Una vez que todo el líquido se ha transformado en vapor, el calor adicional hace que la temperatura vuelva a subir.
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Q1: Why does temperature remain constant during a phase transition?
During a phase transition, absorbed heat overcomes intermolecular forces rather than increasing molecular kinetic energy. The temperature stays constant until the transition completes because all heat energy goes toward breaking attractive forces between molecules. Once the phase change finishes, additional heat resumes raising temperature.
Q2: What does the plateau on a heating curve represent?
A plateau represents a phase transition occurring at constant temperature. During melting or boiling, the temperature does not rise despite continuous heat input. The plateau's length indicates the duration of the phase change, while its vertical position shows the melting or boiling point temperature.
Q3: How does specific heat capacity affect temperature change in a heating curve?
Specific heat capacity determines how much heat a substance absorbs to change temperature by one degree. Materials with higher specific heat capacities require more heat for the same temperature increase, resulting in steeper slopes on heating curves. The relationship is expressed as q equals mass times specific heat times temperature change.
Q4: What is the difference between enthalpy of fusion and enthalpy of vaporization?
Enthalpy of fusion measures heat required to melt a solid into liquid at constant temperature. Enthalpy of vaporization measures heat required to vaporize a liquid into gas at constant temperature. Vaporization typically requires significantly more energy than fusion because gas molecules are farther apart and intermolecular forces are completely overcome.
Q5: How does a cooling curve differ from a heating curve?
A cooling curve plots temperature decrease as heat is removed from a substance, creating a mirror image of a heating curve. Like heating curves, cooling curves show plateaus at phase transitions where temperature remains constant as intermolecular forces re-establish. The slopes reflect specific heat capacities of each phase during cooling.
Q6: Why does boiling become more vigorous when heat is applied faster?
When heat is supplied at a greater rate during boiling, the temperature remains constant because the substance is already at its boiling point. Instead of raising temperature, excess heat accelerates the vaporization process, causing more vigorous bubble formation. The temperature plateau persists until all liquid has transformed into gas.
Q7: What determines the slope of a heating curve between phase transitions?
The slope between phase transitions depends on the specific heat capacity of the phase being heated. Solids, liquids, and gases have different specific heat capacities, producing different slopes. A steeper slope indicates lower specific heat capacity, meaning less heat is needed to raise temperature by one degree.