CALOR LATENTE DE FUSION
Y CALENTAMIENTO GLOBAL
Resumen
Hay
un hecho al que no se le ha prestado atención y es que cuando el hielo de los polos y altas montañas se
está derritiendo, almacena calor sin aumentar su temperatura
En
éste trabajo pretendo aportar elementos que prueben, que después que el hielo de los polos y altas montañas se
acabe de derretir, su Temperatura se elevará de forma súbita y pronunciada,
elevando también la T de su entorno y contribuyendo al Calentamiento Global..
Desarrollo
Este estudio está basado en una propiedad del agua,
ya estudiada en Termodinámica, y es el peculiar comportamiento de su
Temperatura a través de sus diferentes
fases (sólido, líquido, gaseoso) cuando es sometida a un incremento de calor.
El descongelamiento del agua es el paso de la fase
sólida a la fase líquida y la Energía necesaria para realizar éste proceso se
llama Calor Latente de Fusión que lo recoge de los alrededores y lo almacena.
Pero antes de estudiar ese cambio de fase y para
entender mejor el tema, haré una breve exposición del comportamiento de la temperatura del agua
cuando pasa de la fase líquida a la fase gaseosa, más cercana a nuestra
experiencia, y que está basada en la explicación de su carta
Entalpía.vs.Presión , cuya traducción
transcribo enseguida (1).
“En una carta Entalpía .vs. Presión consideremos la operación de una caldera en
una planta de fuerza de vapor.
El estado inicial es agua líquida por debajo de su
punto de ebullición; el estado final es vapor
en la región de sobrecalentamiento.
A medida que el agua va a la caldera y es calentada,
la temperatura se eleva a lo largo de una línea de presión constante hasta que
se alcanza la saturación (línea 1-2). En el punto 2 el agua empieza a
vaporizarse y la temperatura permanece constante durante el proceso de
vaporización (línea 2-3). El punto de vaporización completo corresponde al
punto 3. A medida que se añade más calor, el vapor se sobrecalienta a lo largo
del intervalo (3-4). En el diagrama
Presión-Entalpía el proceso total se representa por una línea horizontal (Fig
7-3) correspondiente a la presión de la caldera.”
Hasta aquí la traducción.
Lo que resalta del párrafo es que mientras se
realiza el cambio de fase, el agua absorbe calor pero su temperatura no varía
Para tener una idea de los calores suministrados,
hacemos una tabla de Entalpías del agua desde hielo sub-enfriado
hasta vapor sobrecalentado a Presión constante igual a la Presión atmosférica
(l4.7 psia). Para aclarar, los puntos 1,2.3.4,
nombrados en la traducción están anotados como P y se agregaron los puntos Q que corresponden a
la región helada del agua.
TABLA DE
ENTALPÍAS
|
|
Ref.
|
Punto
|
Estado
del Agua
|
T (°F)
|
T (°C)
|
Entalpía (Btu/lb)
|
|
|
(3)
|
Q1
|
Hielo
sub-enfriado
|
- 5
|
- 20.5
|
- l6l
|
|
|
(3)
|
Q2
|
Hielo
saturado
|
32
|
0
|
- 143
|
|
|
(2)
|
Q3
|
Líquido
saturado
|
32
|
0
|
0
|
|
|
(2)
|
P1
|
Líquido
insaturado
|
100
|
37.7
|
68
|
|
|
(2)
|
P2
|
Líquido
saturado
|
212
|
100
|
180.07
|
|
|
(2)
|
P3
|
Vapor
saturado
|
212
|
100
|
1150.5
|
|
|
(2)
|
P4
|
Vapor
sobre-calentado
|
250
|
121.1
|
1169.2
|
(Nota: Las Entalpías de hielo sub-enfriado, líquido
insaturado y vapor sobre-calentado se
tomaron a una T cualquiera.)
Veamos
ahora las magnitudes del calor suministrado.
De agua líquida insaturada a vapor
sobrecalentado
(Los
cálculos aparecen en el Apéndice 1)
Calor
para alcanzar la saturación del líquido (Línea 1-2) …………… 112.07 Btu/lb
Calor
para evaporar el agua líquida (Línea 2-3) ……………………… 930.30 Btu/lb
Calor
para sobrecalentar el vapor (Línea 3-4) ………………………… 18.8
Btu/lb
Análisis
de los resultados
1
libra de agua necesita:
1.8
Btu por cada °C de incremento de T en
fase líquida (= 112 Btu / (100 – 37.7)°C)
970
Btu para el cambio de fase líquida a fase gaseosa.
0.9
Btu por cada °C de incremento de T en fase gaseosa (= 18.8 Btu / (121.1 –
100)°C)
La
mayor absorción de calor se presenta en el cambio de fase. Desde el punto de vista Medio Ambiental, éste
proceso de cambio de fase puede considerarse un procedimiento para almacenar
calor y que concluido el mismo, la temperatura del vapor se dispara de forma súbita y abrupta. Con sólo el 2% del
Calor Latente de Vaporización, 18.8
Btu, la T del gas se eleva en más de
20°C.
Ocurrirá lo mismo en el paso de la fase sólida a la
fase líquida, es decir en el descongelamiento del agua de los polos y altas
montañas?
Será que cuando todo el hielo se convierta en agua
líquida se disparará la Temperatura del planeta?
Descongelamiento:
de fase sólida a fase liquida
(Los
cálculos aparecen en el Apéndice 2)
Calor
para que el hielo alcance T de saturación ……………………………. 18 Btu/lb
Calor
para el derretimiento del hielo o Calor Latente de Fusión ………… 143 Btu/lb
Calor
para calentar líquido saturado ……………………………………….. 68 Btu/lb
Análisis de resultados
1 libra de agua necesita:
0.9 Btu por °C de incremento de la T en fase sólida
(= 18 Btu / 20.5°C)
143 Btu para el cambio de fase sólida a fase líquida
1.8 Btu por
°C de incremento de la T en fase líquida (= 68 Btu / (37.7 – 0)°C ).
Desde el
punto de vista Medio Ambiental, podemos
concluir:
Se necesitan 143 Btu (Calor Latente de Fusión) para
derretir una libra de hielo y sólo se necesita 1.8 Btu para incrementar en 1°C
la temperatura del agua recién derretida. O sea que para elevar la T del agua
líquida en 10°C se necesitan 18 Btu, que es el 12% del calor que se necesitó
para derretirla.
EN
ÉSTE MOMENTO EL HIELO ESTÁ HACIENDO SU TRABAJO,
sirve de amortiguador, absorbe calor sin aumentar la temperatura, en su tránsito de hielo a agua líquida. ¿Qué
pasará cuando no haya más hielo que absorba calor?
Podemos
introducir el concepto “Tiempo” para entender mejor el concepto.
Supongamos
que en el Polo hay sólo 1 libra de hielo
y que sólo llega 1 Btu de Calor por día.
En
143 días se derretirá esa libra de hielo y en sólo 18 días esa agua derretida
alcanzará 10 °C, 36 días para
alcanzar 20 °C.
Hay
controversia en el mundo científico (o por lo menos en lo poco que he visto y
leído) sobre el tiempo que se requiere para alcanzar un determinado incremento
de Temperatura. El Calor Latente de
Fusión proporciona un modo de cálculo:
Calcular
el número de millones de toneladas de hielo que hay en los Polos y altas
montañas.
Con
éste número y las Tablas de vapor podemos calcular la cantidad de Calor que se
necesita para derretirlas y calentarlas.
Conociendo
la cantidad de Calor por año que se produce por sobrecalentamiento y que puede
llegar a esos sitios, se puede conocer
la cantidad de años y el año en que ocurrirá ese fenómeno climático.
Sería
conveniente que la variable que estoy
exponiendo, el Calor Latente de Fusión, sea incorporada en los modelos
matemáticos que se emplean para predecir el clima. En una breve búsqueda por
Internet no hallé una sola página que
relacione el Calor Latente de Fusión del agua con el Calentamiento Global.
Afirmaciones y comentarios
La
revista National Geographic en Español en su número de Septiembre de 2004 (4) menciona:
“Alaska
se está calentando. En la ciudad de Barrow, en 3 décadas la temperatura
promedio subió 2.31°C. Anchorage, la ciudad más poblada del estado, es 1.25°C
más caliente. (pag 25)
Aumento
medio de la temperatura en el oeste de la península Antártica desde 1950: (pag
33)
Invierno: 4.9°C;
Anual : 2.5°C
En
todo el mundo, las temperaturas se han elevado con más lentitud, en un promedio de 0.6°C en el último siglo.”
Comentario:
El calor derrite el hielo ó agua sólida. El calor sigue llegando, pero al no
haber hielo que lo absorba, se incrementa la temperatura del agua líquida y
del entorno inmediato.
“…El
calentamiento podría no ser gradual….Algunos expertos temen que el actual
aumento en la temperatura podría acelerarse en un devastador bandazo
climático.” (pag 11)
Comentario: Eso es lo que va a suceder cuando se acabe el
hielo
“…
El repentino calentamiento derritió glaciales terrestres de miles de años de
antigüedad en tan sólo unos cientos de años. Todos éstos acontecimientos
sucedieron prácticamente de la noche a
la mañana. … Queremos comprender por qué sucedieron éstos repliegues súbitos,
qué los hizo detonar y si algo parecido podría
ocurrir hoy día” (pags. 63, 67).
Comentario: Las preguntas Por qué sucedieron y qué las
hizo detonar se contestan por el peculiar comportamiento de la temperatura del
agua con el incremento del calor. Después de realizado el cambio de fase, se dispara la temperatura.
Mis Objeciones
·
Toda la discusión anterior está
referida al agua como sustancia pura. El hielo
y el líquido en que se convierte
pueden ser considerados sustancias
bastante puras pero el agua de los océanos es una solución salina.
·
Evidentemente los cambios de fase del agua en la naturaleza se efectúan
a presión constante igual a la Presión Atmosférica, pero no sé si los datos que
manejé son a Presión atmosférica ó a la correspondiente presión de saturación.
·
El Calor Latente de Fusión estudiado ocurre a 0°C. Pero es esa la
temperatura reinante en los polos y altas montañas?
APENDICES
Apéndice
1
Calor para alcanzar la saturación (línea 1-2)
Entalpía P2 (líquido saturado a T = 100 °C) – Entalpía P1 (líquido insaturado a T = 37.7)
H(P2) – H(P1) = 180.07 – 68
= 112.07 Btu/lb
Calor para evaporar el agua líquida (línea 2-3)
Entalpía P3 (vapor saturado a T =
100°C) - Entalpía P2 (líquido
saturado a T = 100°C)
H(P3)– H(P2) = 1150.4 -
180.07 = 970.3
Btu/lb
Es lo que se llama Calor Latente de
Vaporización.
Calor para sobrecalentar el vapor (línea
3-4)
Entalpía P4 (Vapor sobresaturado a T = 121.1°C) –
Entalpía P3 (vapor saturado a
T = 100°C)
H(P4) – H(P3) = 1169.2 -
1150.4 = 18.8 Btu/lb
Apéndice
2
Calor para que el hielo alcance T de
saturación
Entalpía Q2 (hielo saturado a T =
0°C) - Entalpía Q1 (hielo
subenfriado a T = -20.5°C)
H(Q2)– H(Q1) = -143 – (-161)
= 18 Btu/lb
Calor para la fusión del hielo.
Entalpía
líquido saturado a T = 0°C - Entalpía
hielo saturado a T = 0°C
H(Q3) - H(Q2) =
0 - (-143)
= l43 Btu/lb
Es lo que se llama Calor Latente de Fusión.
Calor para calentar líquido saturado (T =
0°C) a T cualquiera (T = 37.7°C)
Entalpía líquido insaturado a T =
37.7°C -
Entalpía líquido saturado a T = 0°C
H(P1) - H(Q3) =
68 - 0
= 68 Btu/lb
REFERENCIAS
(1) Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics. J.M. Smith and H.C.
Van Ness. McGraw-Hill
Kogakusha Ltd Tokio. Second Edition. 1959. Pag. 214
(2) Problems on Thermodynamics. Faires, Simmang and Brewer.
Collier-McMillan. Fifth Edition. Hong Kong. 1970. Tablas de vapor.
(3) Perry Manual del Ingeniero
Químico. R. Perry, D. Green. McGraw-Hill/Interamericana de México. 3° Edición
en Español. Colombia. 1998. Tabla 3-300. Pag. 3-280. Agua saturada
sólida/vapor.
(4) National Geographic en
Español. Artículo “Calentamiento Global”. Septiembre 2004.
Trabajo
preparado por Ing. Edison Hernández D.
Herdiaz.e@gmail.com
Bogotá, Colombia,
Suramérica
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