Calor Latente e Dilatación Térmica en Sólidos, Líquidos e Gases

Calor Latente de Cambio de Estado

A calor latente de cambio de estado, $L$, é a cantidade de enerxía térmica que se transfire a un quilogramo de masa dunha substancia pura para cambiar de estado, a unha presión determinada e á temperatura de cambio de estado.

$$Q = m \cdot L$$

Pódese distinguir a calor latente de fusión e a de vaporización:

• No caso da fusión: $Q = m \cdot L$, aquí $L$ é a calor latente de fusión, que é igual á de solidificación. A diferenza reside en que para fundir un material subministrámolle enerxía, mentres que cando se solidifica cédelle enerxía ao ambiente ou a outro corpo en forma de calor.
• No caso da vaporización: $Q = m \cdot L$, aquí $L$ é a calor latente de vaporización, que é igual á calor de condensación. A diferenza estriba en que para vaporizar o material hai que comunicarlle enerxía mentres que, ao se condensar, desprende enerxía.

Estudo Práctico dos Estados da Auga

• Tramo 1: O xeo a $-t_1\text{ ºC}$ pasa a $0\text{ ºC}$ (estado sólido). A cantidade de calor que hai que transferir para elevar desde $t_1$ (baixo cero) ata $0\text{ ºC}$ a temperatura do xeo é: $Q_1 = m \cdot c \cdot [0 - (-t_1)]$.
• Tramo 2: O xeo a $0\text{ ºC}$ transfórmase en auga líquida a $0\text{ ºC}$. Nesta etapa prodúcese un cambio de estado mentres a temperatura permanece constante. A cantidade de calor transferida é: $Q_2 = m \cdot L_f$.
• Tramo 3: A auga líquida a $0\text{ ºC}$ pasa a auga líquida a $100\text{ ºC}$. A cantidade de calor que hai que transferir para elevar a temperatura da auga desde $0\text{ ºC}$ a $100\text{ ºC}$ é: $Q_3 = m \cdot c \cdot (100 - 0)$.
• Tramo 4: A auga líquida a $100\text{ ºC}$ transfórmase en vapor de auga a $100\text{ ºC}$. Unha vez máis, prodúcese un cambio de estado: de auga líquida a $100\text{ ºC}$ a vapor de auga a $100\text{ ºC}$. A cantidade de calor transferida é: $Q_4 = m \cdot L_v$.

A enerxía térmica total que se transfiriu é: $Q_t = Q_1 + Q_2 + Q_3 + Q_4$.

Dilatación dos Sólidos

A dilatación térmica é o cambio nas dimensións dun corpo cando varía a súa temperatura.

Dilatación Lineal

É o aumento de lonxitude que experimenta un corpo ao ser quentado:

$$l_t = l_0(1 + \alpha \cdot \Delta t)$$

• $l_0$: Lonxitude do corpo a $0\text{ ºC}$.
• $t$ ou $\Delta t$: Temperatura a que se quenta.
• $l_t$: Lonxitude resultante á temperatura $t$.
• $\alpha$: Coeficiente de dilatación lineal, que é o alongamento que experimenta a unidade de lonxitude dun corpo a $0\text{ ºC}$ cando a súa temperatura se eleva un grao.

A dilatación dunha dimensión determinada é proporcional ao valor inicial da devandita dimensión. As dilatacións lineal e cúbica son proporcionais ao aumento de temperatura que experimenta o corpo.

Dilatación Superficial

É o aumento de superficie que experimenta un corpo por efecto da calor:

$$S_t = S_0(1 + \beta \cdot \Delta t)$$

• $S_0$: Superficie do corpo a $0\text{ ºC}$.
• $S_t$: A superficie resultante á temperatura $t$.
• $\beta$: Coeficiente de dilatación superficial, que é o aumento que experimenta a unidade de superficie dun corpo a $0\text{ ºC}$ cando a súa temperatura se eleva un grao.

Dilatación Cúbica

É o aumento de volume que experimenta un sólido ao elevar a súa temperatura:

$$V_t = V_0(1 + \gamma \cdot \Delta t)$$

• $V_0$: Volume do corpo a $0\text{ ºC}$.
• $V_t$: O volume resultante á temperatura $t$.
• $\gamma$: Coeficiente de dilatación cúbica, que é o aumento que experimenta a unidade de volume dun corpo a $0\text{ ºC}$ cando a súa temperatura se eleva un grao.

O coeficiente de dilatación é característico de cada substancia e mídese en $\text{ºC}^{-1}$.

Dilatación dos Líquidos

A dilatación aparente dun líquido é a dilatación real ou propia do líquido menos a que experimenta o volume do recipiente que o contén. Como caso especial, entre os $0\text{ ºC}$ e os $4\text{ ºC}$, en vez de dilatar, a auga contróese; polo tanto, a auga acadará un volume mínimo e unha densidade máxima aos $4\text{ ºC}$.

Dilatación dos Gases

Ao facer variar a temperatura dun gas, o volume varía ao manter a presión constante:

$$V = V_0(1 + \alpha \cdot t)$$

Onde $\alpha = 1/273\text{ ºC}^{-1}$ (Lei de Gay-Lussac).