C A L O R L A T E N T E 1
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Este documento presenta un experimento para determinar el calor latente de fusión del hielo y el calor latente de condensación del agua sin usar un termómetro o balanza. Se tomará un trozo de hielo a 0°C y se colocará en un recipiente con agua entre 92-100°C. Luego de derretirse el hielo, se medirá la cantidad de hielo fundido para calcular el calor de fusión. Para encontrar el calor de condensación, se medirá la cantidad de agua condensada del vapor de agua en un recipient
C A L O R L A T E N T E 1
- 1. ERICK CONDE PARALELO 4 OBJETIVOS Determinar el calor latente de fusión del hielo y el calor latente de condensación del agua sin termómetro y sin balanza. RESUMEN En este laboratorio el calor de fusión del hielo lo determinaremos tomando un trozo de hielo con una temperatura inicial de y vertiéndolo en un recipiente (sistema compuesto por una lata con una masa determinada de agua entre 92 y 100ºC). Después de que el hielo se derrite medimos la cantidad de hielo derretido con una jeringa, asi mismo para encontrar el calor latente de condensación se coloca un determinado tiempo el extremo del tubo dentro de la lata para que el vapor que sale del tubo se condense, medimos esa cantidad de agua y luego procedemos a introducir el extremo del tubo dentro de la lata pero con un trozo de hielo en su interior, esperamos el mismo tiempo y medimos la cantidad de agua que se encuentra en el interior con estos datos podremos calcular el calor de fusión y condensación del hielo. INTRODUCCIÓN El calor también interviene en los cambio de fase, como la fusión del hielo o la ebullición del agua. Cambios de fase. Usamos el término fase para describir un estado específico de la materia, como sólido, líquido o gas. El compuesto H20 existe: en la fase sólida como hielo, en la fase líquida como agua y en la fase gaseosa como vapor de agua. (También llamamos a éstos estados de la materia: el estado sólido, el estado líquido y el estado gaseoso.) Una transición de una fase a otra es un cambio de fase. Para una presión dada, los cambios de fase se dan a una temperatura definida, generalmente acompañada por absorción o emisión de calor y un cambio de volumen y densidad. Un ejemplo conocido de cambio de fase es la fusión del hielo. Si agregamos calor a hielo a 0ºC y presión atmosférica normal, la temperatura del hielo no aumenta. En vez de ello, parte de él se funde para formar agua líquida. Si agregamos el calor lentamente, manteniendo el sistema muy cerca del
- 2. ERICK CONDE PARALELO 4 equilibrio térmico, la temperatura seguirá en 0ºC hasta que todo el hielo se haya fundido como se muestra en la figura. El aire circundante ésta a temperatura ambiente, pero esta mezcla se mantiene a 0ºC hasta que todo el hielo se funde y el cambio de fase es total. El efecto de agregar calor a este sistema no elevar su temperatura sino cambiar su fase sólida a líquida. Para convertir 1Kg de hielo a 0ºC en 1Kg de agua líquida a 0ºC y presión 5 atmosférica normal, necesitamos 3.34 x 10 J de calor. El calor requerido por unidad de masa se llama calor de fusión (o calor latente de fusión), denotado con Lf. Para el agua a presión atmosférica normal el calor de fusión es: Lf = 3.34 x 105 J/Kg = 79.6 cal/g = 143 Btu/lb. En términos mas generales, para fundir una masa m de material con calor de fusión Lf se requiere una cantidad de calor Q dada por Q = m Lf Este proceso es reversible. Para congelar agua líquida a 0ºC tenemos que quitar calor; la magnitud es la misma, pero ahora Q es negativo porque se quita calor en lugar de agregarse. A fin de cubrir ambas posibilidades e incluir otros tipos de cambios de fase, escribimos Q = ± m L (transferencia de calor en un cambio de fase)
- 3. ERICK CONDE PARALELO 4 Usamos el signo mas (entra calor) cuando el material se funde, y el signo menos (sale calor) cuando se congela. El calor de fusión es diferente para diferentes materiales, y también varía un poco con la presión. El metal galio, que vemos aquí fundiéndose en la mano de una persona, es uno de los pocos elementos que funden cerca de la temperatura ambiente. Su temperatura de fusion es de 29.8ºC y su calor de fusion es de 8.04 x 104J/Kg. Para un material dado, a una presión dada, la temperatura de congelación es la misma que la de fusión. En esta temperatura única, las fases líquida y sólida (agua liquida y hielo, por ejemplo) pueden coexistir en una condición llamada equilibrio de fases. Una cosa análoga sucede con la ebullición o evaporización, una transición de fase líquido y gas. El calor correspondiente (por unidad de masa) se llama calor de vaporización Lv. A presión atmosférica normal el calor de vaporización Lv del agua es: Lv = 2.256 x 105 J/Kg = 539 cal/g = 970 Btu/lb Al igual que la fusión, la ebullición es una transición reversible. Si quitamos calor a un gas a la temperatura de ebullición, el gas vuelve a la fase liquida (se condensa), cediendo a su entorno la misma cantidad de calor (calor de vaporización) que se necesito para evaporizarlo. A una presión dada, las temperaturas de ebullición y condensación siempre no son las mismas; en ellas, las fases liquidas y gaseosas pueden coexistir en equilibrio de fases.
- 4. ERICK CONDE PARALELO 4 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Equipo • Una lata pequeña • Hielo • Jeringa • Reverbero • Generador de vapor • Agua a) Medición del calor de fusión del hielo. Para este y el siguiente experimento, se debe congelar una lata medio llena de agua y llevarla al laboratorio en el momento de la práctica. Es responsabilidad de cada estudiante lograr este cometido. En el laboratorio se debe a poner hervir agua (temperatura t de 92 a 100 ºC). Con una jeringa retirar una cantidad de masa M de agua hirviendo y verterla dentro de la lata con hielo, como se muestra en la figura 1 (antes de esta vaciar toda el agua que haya). Figura 1 Después de algunos segundos, verter el agua que hay en un recipiente y medir su volumen (con la jeringa), lo que nos da la masa total M’. Por tanto, la masa de hielo fundido es m = M’ – M. Si el calor de fusión del hielo, se tiene: M (t – 0) = m L
- 5. ERICK CONDE PARALELO 4 b) Medición del calor de condensación del agua. Poner a hervir el agua del generador. Cuando haya abundancia de vapor (temperatura t de 92 a 100ºC), colocar el extremo del tubo dentro de una lata vacía, situada en agua fría, y empezar a cronometrar. Después de cierto tiempo (1 minuto, por ejemplo) se retira el tubo, y con una jeringa se mide el volumen del agua, de masa M (figura 2). Figura 2 Colocar el tubo de vapor dentro de la lata con hielo (antes de esta operación vaciar toda el agua que haya) y espera el mismo tiempo anterior (esto nos garantiza la misma cantidad de vapor) (figura 3). Figura 3 Después de algunos segundos, verter toda el agua en un recipiente y medir su volumen, de masa M’. L a masa de hielo fundido es, por tanto, m = M’ – M. Si L es calor latente de condensación, se tiene: ML + M(t – 0) = 80 m
- 6. ERICK CONDE PARALELO 4 RESULTADOS Medición del calor de fusión del hielo Datos M(ml.) 2.0±0.1 M’(ml.) 4.6±0.1 m(ml.) 2.6±0.1 Cálculos M= masa del agua hirviendo M’=masa del agua hirviendo + masa del hielo fundido m= masa del hielo fundido m= M’ – M Δm= ΔM’ – ΔM m= 4.6 - 2.0 ∆m= 0.1 + 0.1 m= 2.6 ml. ∆m= 0.2 ml. m= (2.6±0.2) ml. Calor de fusión del hielo To= (o±1)°c Tf= (1oo±1)°c L= M (Tf - To) m ΔL= Δm*{M(Tf - To )} + m*{ΔM(Tf - To) + M(ΔTf + ΔTo)} m2
- 7. ERICK CONDE PARALELO 4 L= 2.0 (100 - 0) ΔL= 0.2*{2.0(100 - 0)} + 2.6*{o.1(100 - 0) + 2.0(1 + 1) } 2.6 2.62 L= 77 cal/g ΔL= 5 cal/g Lfusión= (77±5) (cal/g.) Medición del calor de condensación del agua Datos M(ml.) 3.2±0.1 M’(ml.) 29.0±0.1 m(ml.) 25.8±0.1 Cálculos M= masa del vapor de agua a temperatura ambiente M’=masa del vapor de agua + masa del hielo fundido m= masa del hielo fundido m= M’ – M Δm= ΔM’ – ΔM m= 29.0 – 3.2 ∆m= 0.1 + 0.1 m= 25.8 ml. ∆m= 0.2 ml. m= (25.8±0.2) ml. Calor de condensación del agua To= (o±1)°c Tf= (1oo±1)°c L= M (Tf - To) m ΔL= Δm*{M(Tf - To )} + m*{ΔM(Tf - To) + M(ΔTf + ΔTo)}
- 8. ERICK CONDE PARALELO 4 m2 L= (25.8*80) - 3.2*(98 - 0) ΔL= o.1*{25.8*80–3.2(100 -0)}+3,2*{o.2*80+(0.1(100-0)+3.2(1+1))} 3.2 3.22 L= 549 cal/g ΔL= 11 cal/g Lcondensación= (549±11) (cal/g.) Porcentaje de error de la práctica Calor latente de fusión teórico= 80(cal/g) %= 3.7% Calor latente de condensación teórico= 540(cal/g) %=1.66%
- 9. ERICK CONDE PARALELO 4 DISCUSIÓN El valor experimental aceptado para el calor latente de fusión del hielo es Lf = 80 cal/g pero en nuestra practica obtuvimos Lf = 77 cal/g lo cual nos arroja un porcentaje de error de 3.7%. Al realizar la medida experimental de Lf debemos asegurarnos de que el hielo se encuentre a 0ºC, y que la cantidad de hielo tomado esté lo más seco posible antes de echarlo en el interior de la lata. Hay que procurar que la cantidad tomada de agua hirviendo este lo mas cercano al los 100ºC, otro error que surge es cuando medimos el volumen que se incremento cuando se funde una cantidad de hielo es decir el total del agua que se encuentra en interior de la lata. El valor experimental aceptado para el calor latente de condensación del agua es Lv = 540 cal/g pero en nuestra practica obtuvimos lo cual nos arroja un de error Al realizar la medida experimental de Lv debemos procurar que la temperatura del vapor que fluye al través del tubo oscile entre 92 y 100ºC como se indica en el procedimiento experimental y lo controlaremos con un termómetro. Debemos tener muy en cuenta que el tiempo en el cual introducimos el extremo del tubo en el interior de la lata, por donde el cual circula vapor y el tiempo en que agregamos vapor a la lata con hielo en su interior, sea el mismo de esta manera nos garantiza que existirá una cantidad igual de vapor. Todos estos factores en conjunto hace que nuestra no sea tan precisa, por lo que es necesario repetir la practica cuantas veces sea necesario hasta que el valor obtenido sea lo mas próximo a nuestro valor teórico. CONCLUSIÓN
- 10. ERICK CONDE PARALELO 4 Logramos determinar el valor experimental tanto del calor de fusión como el de condensación del agua donde nos resulto Lfusion= (77±5)(cal/g) y Lcondensación= (552±11)(cal/g), valore que se aproximan al valor teórico. Se comprobó la primera ley de la termodinámica, la cual establece que, al suministrar una determinada cantidad de energía térmica (Q) a un sistema, esta cantidad de energía será igual a la diferencia del incremento de la energía interna del sistema (ΔU) menos el trabajo (W) efectuado por el sistema sobre sus alrededores: Además pudimos entender que el calor latente de cambio de estado es la energía que hay que comunicar a 1 kg de una sustancia para que cambie de estado. Esta energía no se emplea en aumentar la velocidad de las partículas del cuerpo, sino en modificar las fuerzas de atracción entre sus partículas que son diferentes en un estado y en otro. Es necesario cierta cantidad de calor para llagar a una temperatura constante que lleve a un cuerpo a cambiar de estado físico con respecto a su masa. ANEXOS 1) ¿Qué es más probable que provoque una serie quemadura: agua líquida a 100ºC o una masa igual de vapor a 100ºC? Explique El vapor de agua a 100ºC produce una quemadura mucho más grave que la del agua hirviendo a 100ºC sobre la piel de una persona. Esto se debe a que el vapor, además del calor que cede el agua hirviendo, al ponerse en contacto con la piel más fría se condensa, cediéndole el calor latente de vaporización. BIBLIOGRAFÍA -M. Zemansky, Calor y termodinámica (Aguilar, Madrid, 1973). -J.E. Fernández y E. Galloni, Trabajos prácticos de Física -SERWAY, Raymond A. Física, Cuarta Edición. Editorial McGraw-Hill, 1996.
- 11. ERICK CONDE PARALELO 4 Calor latente: Cantidad de Lcondensación= (552±11)(cal/g) Lfusion= (77±5)(cal/g) calor que es absorbida o ¿Qué es calor liberada por una sustancia al cambiar su estado sin latente y porque sufrir un cambio de tiene valores temperatura distintos para La cantidad de calor es cambiar de un directamente proporcional a estado a otro? la masa del cuerpo y a la elevación de temperatura Primera ley de la Termodinámica Q= m L ML + M (Tf - To) = m 80 M (Tf - To) = m L Lvaporización = 540(cal/g) El calor siempre se transfiere entre Lfusión = 80(cal/g) diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a diferentes temperaturas y el flujo de calor siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura
- 12. ERICK CONDE PARALELO 4