Definición de calor de vaporización
También conocido como entalpía de vaporización, el calor de vaporización (∆Hvap) se define por la cantidad de entalpía (energía calorífica) que se requiere para transformar una sustancia líquida en un gas o vapor. Se mide en julios por mol (J/mol), o a veces en calorías (C).
Explicación del calor de vaporización
El calor de vaporización siempre tiene un valor positivo porque siempre se añade entalpía a un sistema para vaporizar un líquido. A medida que las moléculas ganan más energía cinética, es más probable que se separen del líquido y se conviertan en un gas.
El aumento requerido en la energía interna puede describirse como la energía necesaria para romper las interacciones intermoleculares en el líquido. Cuanto más débil es el enlace entre los átomos, menos energía se necesita para romper esos enlaces.
La cantidad de energía requerida es una función de la presión a la que se produce la transformación, y depende de la temperatura. Cuanto más caliente está el líquido, menos energía se necesita. A mayores presiones, se requiere más energía. Existe una temperatura crítica a la que el calor de vaporización desaparece (Tr=1). Pasada esta temperatura crítica, la sustancia no se distingue ni como líquido ni como vapor. En su lugar, se convierte en un fluido supercrítico.
En una solución que contiene tanto el estado líquido como el gaseoso, la energía cinética del vapor es mayor que la del líquido porque las partículas de vapor pueden fluir más fácilmente. El mayor movimiento de las partículas de gas en comparación con las partículas de líquido crea calor y presión.
Fórmula del calor de vaporización
Una ecuación muy básica para calcular el calor de vaporización es:
ΔHvap = Hvapor – Hliquid
Esto calcula la diferencia de energía interna de la fase vapor en comparación con la fase líquida.
Sin embargo, esta ecuación no tiene en cuenta la energía adicional necesaria para que las partículas de gas se empujen contra la presión atmosférica para permitir el aumento de volumen cuando un líquido hierve.
Por lo tanto, una ecuación más completa para calcular el calor de vaporización es:
ΔHvap = ΔUvap + pΔV
Donde ΔUvap es la diferencia de energía interna entre la fase vapor y la fase líquida (ΔUvap = Hvapor – Hliquid), y pΔV es el trabajo realizado contra la presión ambiental.
Calor de vaporización del agua
El agua tiene un alto calor específico. Esta medida describe la cantidad de energía que se necesita para elevar la temperatura del agua 1 grado centígrado. Como tal, el agua también tiene un alto calor de vaporización. De hecho, el agua necesita más de 40.000 julios por mol para vaporizarse. Esto es extremadamente importante para la vida en la Tierra.
Como la mayor parte de la Tierra está hecha de agua, los grandes cambios en la cantidad de energía solar que recibe la Tierra son contrarrestados por el agua. El agua absorbe el calor lentamente y lo libera cuando hay menos sol. Esto ayuda a contrarrestar los cambios drásticos de temperatura, que serían devastadores para la vida. En comparación, si el mundo estuviera hecho principalmente de etanol, la temperatura fluctuaría rápidamente porque el etanol tiene un calor de vaporización y un calor específico mucho más bajos.
Sin embargo, este alto calor de vaporización puede no estar a la altura de la tarea de regular la temperatura frente a las acciones humanas. El cambio climático, y el calentamiento global en concreto, están añadiendo mucho calor a la atmósfera. Aunque el océano puede absorber gran parte de este calor, tiene límites. Además, a medida que el océano absorbe calor, las moléculas se expanden. Esta expansión provocará gran parte de las inundaciones que actualmente estiman los científicos del clima.
Diferencias en el calor de vaporización
Las principales influencias sobre el calor de vaporización son las interacciones entre las moléculas de una solución. En un líquido, las moléculas se mueven una al lado de la otra pero interactúan constantemente. Algunas forman enlaces de hidrógeno, mientras que otras sustancias forman otros tipos de enlaces suaves entre las moléculas. Estos enlaces contienen energía y mantienen el líquido en un estado de menor energía. El calor de vaporización describe cuánta energía se necesita para separar estos enlaces.
El agua tiene un alto calor de vaporización porque los enlaces de hidrógeno se forman fácilmente entre el oxígeno de una molécula y los hidrógenos de otras moléculas. Estos enlaces mantienen las moléculas unidas. Para conseguir que el agua se vaporice, hay que aumentar la temperatura para que las moléculas se muevan más rápido. En un momento determinado, las moléculas comenzarán a separarse del líquido y se vaporizarán.
Los metales tienen un calor de vaporización aún mayor. Muchos metales forman interacciones complejas con otros átomos de metal. Esto hace que las moléculas se mantengan más unidas que las del agua. Por ello, el calor de vaporización de los metales es mucho mayor que el del agua.