El vapor de agua en la atmósfera puede cambiar a sus otros estados líquido o sólido a la temperatura y presión existentes en el ambiente, por eso el agua puede dejar los océanos como gas y regresar como líquido. Los procesos de cambio de estado del agua (y de cualquier sustancia) requieren absorción o liberación de calor. Cuando se le agrega o quita calor a una sustancia, se producen variaciones de temperatura (aumento o disminución), este calor se llama calor sensible, porque el objeto siente el calor agregado o perdido al cambiar su temperatura.
Pero en ciertas condiciones se le agrega calor a una sustancia sin que cambie su temperatura, por ejemplo cuando se evapora el agua, en ese caso se produce un cambio de estado o de fase y al calor necesario para producir el cambio de fase se le llama calor latente, porque este calor está presente y a punto para ser usado cuando termina el proceso de cambio de estado. Por ejemplo, si se hierve agua en un recipiente abierto a la presión atmosférica normal, la temperatura no aumenta por encima de los 100° C por mucho calor que se suministre. El calor que se absorbe sin cambiar la temperatura del água es el calor latente; no se pierde, sino que se emplea en transformar el agua en vapor y se almacena como energía en el vapor. Cuando el vapor se condensa para formar agua, esta energía vuelve a liberarse, recuperándose el calor latente como calor sensible. Del mismo modo, si se calienta una mezcla de hielo y agua, su temperatura no cambia hasta que se funde todo el hielo. El calor latente absorbido se emplea para vencer las fuerzas que mantienen unidas las partículas de hielo, y se almacena como energia en el agua.
Cuando se evapora el agua por la radiación solar, el calor usado como calor latente, se libera después como calor sensible cuando el vapor otra vez se condensa en gotitas de agua. La liberación de calor latente es una importante fuente de energía para la formación de tormentas, huracanes y temporales. El calor latente es la energía térmica necesaria para que un kilogramo de una sustancia cambie de un estado a otro, se mide en J/kg o cal/gr. Existen calores latentes de fusión, de vaporización y de sublimación, para los diferentes procesos de cambio de estado del agua, que se ilustran en la figura 5.4, y que se resumen mas abajo.
Vaporización o evaporación.
Es la transformación de líquido a gas. La evaporación es la conversión gradual de un líquido en gas sin que haya ebullición, que se realiza en la superficie del líquido. Las moléculas de cualquier líquido se encuentran en constante movimiento. La velocidad media de las moléculas sólo depende de la temperatura, pero puede haber moléculas individuales que se muevan a una velocidad mucho mayor o mucho menor que la media. A temperaturas por debajo del punto de ebullición, es posible que moléculas individuales que se aproximen a la superficie con una velocidad superior a la media tengan suficiente energía para escapar de la superficie y pasar al espacio situado por encima como moléculas de gas. Como solo se escapan las moléculas más rápidas, la velocidad media de las demás moléculas disminuye; dado que la temperatura, a su vez, sólo depende de la velocidad media de las moléculas, la temperatura del líquido que queda también disminuye. Es decir, la evaporación es un proceso de enfriamiento; si se pone una gota de agua sobre la piel, se siente frío cuando se evapora. En el caso de una gota de alcohol, que se evapora con más rapidez que el agua, la sensación de frío es todavía mayor. Por ejemplo la transpiración humana es un mecanismo de defensa del cuerpo hacia el exceso de calor. Si un líquido se evapora en un recipiente cerrado, el espacio situado sobre el líquido se llena rápidamente de vapor, y la evaporación se ve pronto compensada por el proceso opuesto, la condensación. Para que la evaporación continúe produciéndose con rapidez hay que eliminar el vapor tan rápido como se forma. Por este motivo, un líquido se evapora con la máxima rapidez cuando se crea una corriente de aire sobre su superficie. Cuando después de que ha llovido la energía del Sol comienza a secar el suelo, el calor se consume en evaporar la humedad de la tierra, lo que hace disminuir la temperatura del aire, haciendo que los días sean más frescos que si no hubiese llovido. Para convertir un gramo de agua en vapor se requiere agregar al líquido aproximadamente 540 calorías, cantidad que se llama calor latente de vaporización, Lv = 540 cal/gr.
Condensación.
Es la transformación de un gas a líquido. Las moléculas de gas que se condensan entregan energía cinética a la superficie sobre la que condensan, por lo que este es un proceso de calentamiento. Cuando el vapor de agua en la atmósfera se transforma en gotitas para formar las nubes, se libera calor a la atmósfera, produciendo un aumento de temperatura. En la atmósfera, la conversión de un gramo de vapor en agua libera al ambiente la cantidad Lc = 540 cal/gr, como calor latente de condensación.
Fusión o derretimiento.
Es la transformación de sólido a líquido (en este caso hielo a agua). Para producir el derretimiento, se requiere agregar al hielo 80 calorías de energía como calor latente de fusión, Lf = 80 cal/gr.
Solidificación o congelación.
Es el cambio de estado de líquido a sólido (agua a hielo). Cuando un gramo de agua se congela a hielo, se liberan al ambiente las 80 calorías usadas en la fusión, como calor latente de solidificación, Lf = 80 cal/gr.
Sublimación.
Es la transformación directa de sólido a gas, sin pasar por la fase líquida. En este proceso se debe agregar 620 calorías de energía al hielo para convertirlo en vapor, como calor latente de sublimación, Ls = 620 cal/gr.
Deposición.
Es la transformación directa de gas a sólido (vapor a hielo). En este proceso se libera energía como calor latente de deposición, Ls = 620 cal/gr.
Ebullición.
Es un proceso en el cual el líquido pasa al estado de gas en el interior del líquido, donde el gas se concentra para formar burbujas que flotan hasta la superficie y desde ahí escapan al aire adyacente. La presión dentro de lãs burbujas debe ser grande para vencer la presión del agua que las rodea. Si la presión atmosférica aumenta, la temperatura de ebullición se eleva y viceversa. Cuando ascendemos a mayor altura sobre el nivel del mar, el agua hierve con temperaturas menores porque la presión disminuye. Pero los alimentos se cuecen cuando la temperatura del agua es elevada y no por la temperatura de ebullición, por lo tanto a mayor altura se debe esperar más tiempo para cocer los alimentos. La ebullición es un proceso de enfriamiento, en condiciones normales el agua que hierve a 100º C, se enfría con la misma rapidez con la cual la calienta la fuente de calor, sino la temperatura del agua aumentaría siempre con la aplicación del calor. Resumiendo, para cambiar el estado del agua de sólido a líquido y de líquido a gas, se debe agregar energía y viceversa en el proceso inverso, como se observa en el esquema de la figura.
