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562 Capítulo 20 Primera ley de la termodinámica
En este punto, se mueve a la marca de 396 J ( 62.7 J 333 J) en el eje de energía de la
figura 20.2.
Parte C. Entre 0.0°C y 100.0°C, no se presenta nada sorprendente. No hay cambio de
fase y de este modo toda la energía agregada al agua se usa para incrementar su temperatura.
La cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura de 0.0°C a
100.0°C es
Q m w c w ¢T 11.00 10 3 kg2 14.19 10 3 J>kg # °C2 1100.0°C2 419 J
Parte D. A 100.0°C se presenta otro cambio de fase, a medida que el agua cambia de
agua a 100.0°C a vapor a 100.0°C. Similar a la mezcla hielo–agua en la parte B, la mezcla
agua–vapor permanece a 100.0°C, aun cuando se agregue energía, hasta que todo el
líquido se convierte a vapor. La energía requerida para convertir 1.00 g de agua a vapor
a 100.0°C es
Q m w L v 11.00 10 3 kg2 12.26 10 6 J>kg2 2.26 10 3 J
Parte E. En esta porción de la curva, como en las partes A y C, no se presenta cambio de
fase; por lo tanto, toda la energía agregada se usa para aumentar la temperatura del vapor.
La energía que se debe agregar para elevar la temperatura del vapor de 100.0°C a
120.0°C es
Q m s c s ¢T 11.00 10 3 kg2 12.01 10 3 J>kg # °C2 120.0°C2 40.2 J
La cantidad total de energía que se debe agregar para cambiar 1 g de hielo a 30.0°C a
vapor a 120.0°C es la suma de los resultados de las cinco partes de la curva, que es 3.11
10 3 J. Por el contrario, para enfriar 1 g de vapor a 120.0°C a hielo a 30.0°C, debe remover
3.11 10 3 J de energía.
Note en la figura 20.2 la cantidad de energía relativamente grande que se transfiere
al agua para vaporizarla a vapor. Imagine invertir este proceso, con una gran cantidad de
energía transferida del vapor para condensarlo en agua líquida. Es por esto que una quemada
de piel por vapor a 100°C es mucho más dañina que la exposición de su piel a agua a
100°C. Una gran cantidad de energía entra a su piel desde el vapor, y el vapor permanece
a 100°C durante mucho tiempo mientras se condensa. Por lo contrario, cuando su piel
entra en contacto con agua a 100°C, el agua de inmediato comienza a bajar de temperatura
a medida que transfiere energía del agua a su piel.
Si el agua líquida se mantiene perfectamente inmóvil en un contenedor muy limpio, es
posible que el agua descienda por abajo de 0°C sin congelarla en hielo. Este fenómeno,
llamado subenfriamiento, surge porque el agua requiere una perturbación de cierto tipo
para que las moléculas se separen y comiencen a formar la gran estructura abierta del
hielo por la cual la densidad del hielo es más baja que la del agua, como se explicó en la
sección 19.4. Si el agua subenfriada se perturba, súbitamente se congela. El sistema desciende
a la configuración de energía más baja de las moléculas enlazadas de la estructura
del hielo, y la energía liberada eleva la temperatura de regreso a 0°C.
Los calentadores de manos comerciales consisten en acetato de sodio líquido en una
bolsa plástica sellada. La solución en la bolsa está en un estado subenfriado estable. Cuando
sus dedos presionan un disco en la bolsa, el líquido se solidifica y la temperatura
aumenta, tal como el agua subenfriada recién mencionada. Sin embargo, en este caso, el
punto de congelación del líquido es mayor que la temperatura corporal, así que la bolsa
se siente caliente al tacto. Para reutilizar el calentador de manos, la bolsa se debe hervir
hasta que el sólido se licue. En tal caso, a medida que se enfría, pasa por abajo de su punto
de congelación hacia el estado subenfriado.
También es posible crear sobrecalentamiento. Por ejemplo, agua limpia en una taza
muy limpia colocada en un horno de microondas a veces puede elevar su temperatura
más allá de 100°C sin hervir, porque la formación de una burbuja de vapor en el agua
requiere raspones en la taza o algún tipo de impureza en el agua para servir como sitio de
nucleación. Cuando la taza se saca del horno de microondas, el agua sobrecalentada se