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Calor latente de fusión


El cambio de una sustancia de sólido a líquido, o de líquido a sólido involucra al calor latente de fusión. También se le denomina como calor latente de congelación o derretimiento.

El calor latente es la cantidad de calor necesario para que cierta sustancia pase del estado sólido a líquido o de líquido a gas sin cambiar su temperatura. Tomando el agua como ejemplo, el calor latente de fusión del hielo es la cantidad de calor que se necesita para que un gramo de hielo pase del estado sólido al líquido sin variar su temperatura en el punto de fusión (273 K).

 

 

Calor latente de fusión del hielo a 0º C, 80 cal/g
Calor latente de evaporación del agua a 100º C, 540 cal/g

En el congelamiento de productos alimenticios debe tenerse en cuenta solamente el contenido de agua de éstos para calcular el calor latente de fusión, y generalmente este se calcula mediante la determinación del porcentaje de agua contenido en un cierto producto dado.

Calor latente de evaporación

El cambio de estado de una sustancia de líquido a vapor, o de vapor a líquido involucra al calor latente de evaporación. Dado que la ebullición es un proceso de evaporación rápido, puede llamarse también calor latente de ebullición, calor latente de evaporación, o el proceso inverso, calor latente de condensación.

Una definición más concreta acerca del calor latente de evaporación sería:
Es la cantidad de calor absorbido por una unidad de masa de un líquido para pasar del estado líquido al gaseoso.

Debido a la gran cantida de calor latente involucrada tanto en la evaporación como en la condensación, la transferencia de calor puede ser muy eficiente durante este proceso. Los mismos cambios de estado que afectan al agua se aplican a cualquier líquido, aunque a diferentes temperaturas y presiones.

La absorción de calor mediante el cambio de líquido a vapor, y la descarga de ese calor mediante la condensación del vapor es la clave de la refrigeración, y el movimiento del calor latente involucrado es la base o principio fundamental de la refrigeración.

Calor latente de sublimación

El cambio de estado en forma directa de sólido a vapor sin pasar por la fase líquida puede ocurrir en algunas sustancias. El ejemplo más común es el hielo seco o dióxido de carbono en estado sólido para el enfriamiento. El calor latente de sublimación, es entonces, el pasaje del estado sólido a vapor.

Temperatura de saturación

Es la temperatura / presión en la cual existen simultáneamente el vapor y líquido. Un líquido o vapor saturado es aquel que se encuentra en el punto de ebullición, y para el agua a nivel del mar, la temperatura de saturación es de 100º C. A altas presiones, la temperatura de saturación se verá incrementada, y a bajas presiones, esta disminuirá.

Vapor recalentado

Luego de que el líquido ha cambiado a vapor, cualquier calor agregado al vapor eleva su temperatura mientras la presión permanece constante. Dado que esto resulta en un aumento en la temperatura, esto es calor sensible. El término recalentamiento o vapor recalentado se usa para describir un gas cuya temperatura está por sobre el punto de saturación o de ebullición. El aire alrededor nuestro está compuesto por vapor recalentado.

Líquido subenfriado

Cualquier líquido que tenga una temperatura  menor que la temperatura de saturación correspondiente a su presión, se dice que está subenfriado. El agua a cualquier temperatura menor a su punto de ebullición (100º C a nivel del mar) estará subenfriado.

Presión atmosférica

La atmósfera que rodea a la tierra está compuesta por gases, principalmente por oxígeno y nitrógeno, extendiéndose miles de metros por sobre la superficie de la Tierra. El peso de esa presión atmosférica sobre la Tierra crea la presión atmosférica debajo de la cual vivimos. A un punto dado, la presión atmosférica es relativamente constante excepto por cambios menores debidos a condiciones climáticas. Para propósitos de estandarización y como referencia básica para comparación, la presión atmosférica a nivel del mar ha sido universalmente aceptada, y esta ha sido establecida en un valor de 14.7 libras por pulgada cuadrada, lo cual equivale a la presión ejercida por una columna de mercurio de 29.92 pulgadas de altura.

En altitudes por sobre el nivel del mar, la profundidad de la sábana atmosférica que rodea la Tierra es menor, por lo tanto la presión es menor. A 5000 pies de altitud, la presión atmosférica es de solamente 12.2 libras por pulgada cuadrada.

Presión absoluta

La presión absoluta generalmente expresada en términos de libras por pulgada cuadrada absoluta (psia) de define como la presión existente por encima del vacío perfecto. Por lo tanto en el aire que nos rodea, presión absoluta y presión atmosférica es lo mismo.

Presión manométrica

La presión manométrica está calibrada en 0 libras por pulgada cuadrada en un manómetro que no está conectado a una fuente de presión. Por lo tanto, la presión absoluta de un sistema cerrado será siempre la presión manométrica mas la presión atmosférica. Las presiones por debajo de 0 son lecturas negativas en el manómetro, y se refieren a pulgadas de vacío. Un manovacuómetro (manifold) para refrigeración, tiene su escala calibrada en lectura de pulgada de mercurio. A partir de 14.7 psi es equivalente a 29.92 pulgadas de mercurio, 1 psi es aproximadamente igual a 2 pulgadas de mercurio en el manovacuómetro.

Es importante recordad que las presiones del manifold son solo relativas a la presión absoluta.

En presiones muy bajas, es necesario usar una pequeña unidad de medida, dado que las pulgadas de mercurio son muy grandes para una lectura correcta. El micrón, una unidad métrica, se usa para este propósito, y cuando hablamos de micrones  a la hora de evacuar un sistema, nos referimos a la presión absoluta en unidades de micrón o mercurio.

Un micrón es igual a 1/1000 de milímetros y hay 25.4 milímetros por pulgada. Por lo tanto, un micrón, es igual a 1/25.400 pulgadas. La evacuación hasta 500 micrones, significará una evacuación a una presión absoluta de aproximadamente .02 pulgadas de mercurio, o el equivalente a una lectura de vacío de 29.90 pulgadas de mercurio.

Líquidos: relación entre la presión y temperatura.

La temperatura a la cual los líquidos hierven depende de la presión a la cual son sometidos. La presión del vapor sobre el líquido, que es la presión ejercida por las pequeñas moléculas buscando escapar del líquido y volverse vapor, se incrementa con un aumento en la temperatura hasta el punto en que la presión del vapor se iguala a la presión externa, entonces ocurre la ebullición.

Si por medio de algún medio, como por ejemplo un compresor, se pudiese variar la presión ejercida sobre la superficie del agua, en un contenedor cerrado, el punto de ebullición puede cambiarse a voluntad.

Debido a que todos los líquidos reaccionan de la misma manera, ya sea a diferentes temperaturas y presiones, la presión provee un medio para regular la temperatura de un refrigerante. Si una serpentina forma parte de un sistema cerrado y aislado de la atmósfera y puede mantenerse una presión en el interior equivalente a la temperatura de saturación (punto de ebullición) del líquido, entonces este líquido hervirá a esa temperatura mientras siga absorbiendo calor.

Gases: relación entre la presión y la temperatura

Uno de los fundamentos básicos de la termodinámica se llama "œley del gas perfecto". Esta ley describe la relación de los tres factores básicos que controlan el comportamiento del gas: presión, volumen y temperatura. Para propósitos prácticos, el aire y los gases refrigerantes recalentados pueden ser considerados gases perfectos, y sus comportamientos siguen la siguiente relación:

Presión x Volumen/Temperatura = Presión x Volumen/Temperatura

Uno de los problemas de la refrigeración es la eliminación del calor que fue absorbido durante el proceso de enfriamiento, y una solución práctica es elevar la presión del gas, de manera que la temperatura de saturación o condensación sea suficientemente mayor que la temperatura disponible del medio enfriador (aire o agua), para asegurar suficiente transferencia de calor. Cuando el gas a baja presión, con su baja temperatura de saturación es aspirado por el compresor, el volumen del gas es reducido por la acción de compresión del pistón, y el vapor es descargado como gas a alta presión y temperatura, listo para condensarse debido a su alta temperatura de saturación.

Volumen específico

El volumen específico es el volumen que ocupa un kilogramo de masa de determinada sustancia. Todos los materiales o sustancias tienen determinado un volumen específico propio. El volumen específico varía como consecuencia de cambios en las temperaturas.

Densidad

La densidad de una sustancia está definida como peso por unidad de volumen. Es el peso en gramos de un centímetro cúbico de ducha sustancia. Debido a que por definición la densidad está directamente relacionada al volumen específico, la densidad de un gas puede variar enormemente con cambios en la presión y temperatura.

La densidad es inversamente proporcional al volumen específico, pero al igual que este último, varía con la temperatura.

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