Calor latente, também chamado de energia latente ou calor de transformação, é a energia absorvida ou liberada por um corpo ou sistema termodinâmico durante uma transição de fase, como a fusão ou a condensação. Em uma substância pura em equilíbrio a pressão constante, a transformação ocorre sem mudança de temperatura.
O nome se refere à energia fornecida ou retirada para alterar o estado de uma substância sem que essa energia se manifeste como aumento ou diminuição de temperatura durante a transformação isotérmica. Entre seus tipos estão o calor latente de fusão, na passagem de sólido para líquido, o calor latente de vaporização, na passagem de líquido para gás, e o calor latente de sublimação, na passagem de sólido para gás.
Em uma transformação a pressão constante, o calor trocado coincide com a variação de entalpia quando o único trabalho realizado é o de expansão ou compressão. Nessas condições, o calor latente corresponde à entalpia de transição. Nas transições de fase de primeira ordem, a entalpia apresenta uma descontinuidade na temperatura de transição. Transições contínuas de segunda ordem não apresentam calor latente.
Joseph Black desenvolveu o conceito durante seus estudos de calorimetria na década de 1750 e apresentou resultados experimentais sobre o fenômeno em 1762.
O calor sensível, por sua vez, é a energia transferida como calor que produz uma mudança de temperatura no corpo.
Uso miniatura|400px|Temperatura das fases da água em função do calor fornecido. Os patamares correspondem a mudanças de fase a pressão constante.
Os termos calor sensível e calor latente distinguem a energia empregada na mudança de temperatura daquela empregada na mudança de fase. Seus valores dependem das propriedades do corpo. Em uma transformação de uma substância pura a pressão constante, o calor sensível altera a temperatura, enquanto o calor latente acompanha a mudança de fase sem alterar a temperatura de coexistência.
Na água atmosférica e oceânica, o calor latente acompanha vaporização, condensação, solidificação e fusão. O calor sensível altera a temperatura da atmosfera, do oceano ou do gelo sem uma dessas mudanças de fase. Um processo natural pode envolver mudanças de temperatura e de fase ao mesmo tempo, como ocorre quando a evaporação resfria a água restante.
O uso original da expressão por Black abrangia sistemas mantidos deliberadamente a temperatura constante. Falava-se, por exemplo, em calor latente de expansão e em outros calores latentes relacionados. Essas grandezas foram definidas antes da formulação da termodinâmica como disciplina.
Na terminologia usada por James Clerk Maxwell no século XIX, um corpo que recebesse calor enquanto se expandia a temperatura constante podia ter essa transformação caracterizada por um calor latente em relação ao volume ou calor latente de expansão. Uma alteração de pressão podia ser expressa de forma análoga por um calor latente em relação à pressão.
A constância da temperatura durante a mudança de fase requer condições específicas. Um fluido de componente único evapora ou condensa em equilíbrio a uma temperatura de saturação definida quando a pressão permanece constante. Em misturas zeotrópicas, a evaporação ou condensação a pressão constante pode ocorrer ao longo de um intervalo de temperaturas, fenômeno chamado de deslizamento de temperatura. A composição das fases se modifica durante a transformação.
Duas formas comuns de calor latente são o calor latente de fusão e o calor latente de vaporização. A vaporização pode ocorrer por ebulição ou por evaporação, inclusive abaixo do ponto de ebulição. Na fusão e na vaporização, a substância absorve energia e a transformação é endotérmica. Na evaporação da água, essa energia permite que as moléculas superem as forças de atração que as mantêm no líquido.
Na transformação inversa, a condensação, há liberação de energia. Ao condensar sobre uma superfície mais fria, o vapor pode transferir calor para ela. Comparado com uma massa igual de água líquida à mesma temperatura inicial, o vapor libera uma quantidade adicional de energia ao condensar antes de atingir a mesma temperatura final. Essa liberação de calor permite o aquecimento com vapor. O calor liberado pela condensação também pode agravar as queimaduras provocadas pelo contato do vapor com a pele.
Meteorologia Na meteorologia, o fluxo de calor latente é a transferência de energia por unidade de área ligada ao transporte de água entre a superfície e a atmosfera, geralmente na forma de vapor de água. A evaporação e a transpiração retiram energia da superfície e fornecem vapor à atmosfera. A condensação sobre a superfície pode produzir um fluxo no sentido inverso. Esse fluxo integra o balanço de energia da superfície terrestre e não depende de o vapor condensar mais tarde na troposfera.
O fluxo de calor latente pode ser estimado pela técnica da razão de Bowen ou medido pelo método de covariância de vórtices turbulentos. Neste último, usam-se as flutuações da velocidade vertical do ar e da quantidade de vapor de água.
Quando uma parcela de ar saturado sobe e se resfria, parte do vapor de água condensa e libera calor latente. Essa liberação reduz a taxa de resfriamento da parcela em comparação com a expansão adiabática do ar não saturado. Nos ciclones tropicais, o calor latente liberado pela condensação alimenta a convecção da tempestade.
História
Contexto
Resfriamento evaporativo miniatura|183px|William Cullen
Em 1756, o médico e químico escocês William Cullen publicou seus experimentos de resfriamento por evaporação no segundo volume de Essays and Observations, Physical and Literary. Cullen usou uma bomba de ar para reduzir a pressão em um recipiente com éter etílico. O éter entrou em ebulição, e a evaporação resfriou o líquido restante, sem que fosse necessário colocá-lo em contato com um corpo mais frio.
Em 1758, durante um dia quente em Cambridge, na Inglaterra, Benjamin Franklin e o cientista John Hadley molharam repetidamente com éter o bulbo de um termômetro de mercúrio e usaram um fole para acelerar a evaporação. A cada nova evaporação, a temperatura indicada caía e chegou a cerca de −14 °C. Outro termômetro mostrava que o ambiente permanecia próximo de 18 °C. Em sua carta Cooling by Evaporation, Franklin observou que seria possível "congelar um homem até a morte em um dia quente de verão".
Calor latente miniatura|196px|Joseph Black
A palavra latente vem do latim latēns, com o sentido de "oculto".
Sabia-se que, quando a temperatura do ar ultrapassava o ponto de congelamento, a neve derretia lentamente e a água resultante permanecia próxima da temperatura de fusão. Em 1757, Black começou a investigar se a fusão de um sólido exigia calor independentemente de qualquer aumento de temperatura. A explicação que ele procurou testar era a de que a fusão viria acompanhada apenas por um pequeno aumento de temperatura e não exigiria calor além daquele necessário para esse aumento. Black verificou que a fusão exigia muito mais calor do que a elevação da temperatura poderia explicar. Ele também verificou que um líquido libera calor durante a solidificação em quantidade muito maior do que a simples queda de temperatura poderia explicar.
Black comparava a mudança de temperatura de duas massas iguais de água submetidas ao mesmo aquecimento. Uma começava como gelo e precisava primeiro derreter. A outra já estava no estado líquido e apenas fria. A amostra proveniente do gelo terminava muito mais fria, pois parte da energia havia sido absorvida durante a fusão sem aparecer como aumento de temperatura no termômetro. Essa energia precisava ser fornecida, mas permanecia "latente".
Black aplicou o mesmo raciocínio à destilação de uísque escocês. O calor fornecido para vaporizar o destilado determinava parte do combustível necessário, e a mesma energia precisava ser retirada durante a condensação, o que determinava a necessidade de água de resfriamento.James Burke, "Credit Where It's Due", episódio 6 de The Day the Universe Changed, BBC, 1985, aos 34 minutos.
Quantificação do calor latente Em 1762, Black apresentou seus experimentos e resultados a uma sociedade de professores da Universidade de Glasgow.
Black colocou massas iguais de gelo a 0 °C e de água a cerca de 0,6 °C em dois recipientes idênticos e bem separados. O ar do ambiente, mantido próximo de 8,3 °C, aqueceu as amostras até cerca de 4,4 °C. A água sofreu uma elevação de aproximadamente 3,9 °C. O gelo levou 21 vezes mais tempo para atingir a mesma temperatura final. Pela comparação dos tempos de aquecimento, Black estimou que a amostra inicialmente congelada havia recebido cerca de 81,7 "graus de calor", expressos em intervalos equivalentes da escala Celsius. Cerca de 4,4 desses graus correspondiam ao aquecimento da água resultante da fusão, a parcela de calor sensível. Os aproximadamente 77,2 restantes correspondiam ao calor latente absorvido na fusão.Os "graus de calor" eram uma comparação com a quantidade de energia necessária para aquecer uma massa igual de água, não uma unidade de energia como o joule. Os intervalos históricos foram convertidos aqui para equivalentes na escala Celsius. A estimativa pelo tempo de aquecimento pressupunha taxas semelhantes de transferência de calor para as duas amostras e era aproximada. Esses números não são aumentos de temperatura do gelo durante a fusão.
Black mostrou depois que água inicialmente a cerca de 80 °C podia derreter uma massa igual de gelo a 0 °C e deixar o conjunto a 0 °C. Nessa comparação, a fusão consumia o equivalente a aproximadamente 80 "graus de calor" na escala Celsius. O valor de referência usado por William Ramsay em 1918 para comparar esse resultado correspondia a cerca de 79,5 desses graus.
Black também comparou o tempo necessário para aquecer uma massa de água com o tempo necessário para vaporizar uma massa igual, sob aquecimento uniforme. Obteve para a vaporização um valor equivalente a cerca de 461 "graus de calor" na escala Celsius. O valor usado por Ramsay para comparação correspondia a aproximadamente 537 desses graus.
James Prescott Joule Em uma palestra de 1847, James Prescott Joule propôs uma interpretação da energia latente baseada na separação das partículas e na energia de atração entre elas, uma forma de energia potencial. Ele relacionou o calor sensível, indicado pelo termômetro, ao movimento das partículas. Palestra "On Matter, Living Force, and Heat", apresentada em 5 e 12 de maio de 1847.
Calor latente específico O calor latente específico L é a energia necessária para completar uma mudança de fase por unidade de massa da substância. Para uma transformação endotérmica, com Q positivo para o calor absorvido e m igual à massa efetivamente transformada,
Trata-se de uma propriedade intensiva, que não depende do tamanho da amostra. Seu valor depende da substância, da transição e das condições de temperatura e pressão. Os calores latentes específicos de fusão e de vaporização são geralmente tabelados em J/kg ou kJ/kg.
Para uma transformação nas condições correspondentes ao valor tabelado de L, o calor absorvido é
em que Q é a energia transferida, em J ou kJ, m é a massa transformada, em kg, e L é o calor latente específico, em J/kg ou kJ/kg. Usam-se frequentemente os símbolos Lf para a fusão e Lv para a vaporização.
As tabelas geralmente apresentam L como uma quantidade positiva. Na transformação inversa, nas mesmas condições, a substância libera a mesma quantidade de energia. Com a convenção de que o calor recebido é positivo, a solidificação, a condensação e a deposição têm .
A energia de transição também pode ser expressa por quantidade de matéria. Nesse caso, emprega-se a entalpia molar de transição, geralmente em J/mol ou kJ/mol. A grandeza específica por massa e a grandeza molar não têm a mesma unidade.
Relação com a equação de Clapeyron