CALOR LATENTE DE FUSIÓN DEL HIELO

Laboratorio#6

CALOR LATENTE DE FUSIÓN DEL HIELO

  

OBJETIVOS

1. Comprobar que los cambios de estados se producen a temperaturas constantes.
2. Analizar los procesos termodinámicos asociados a cambios de estados.
3. Determinar el calor latente de fusión del hielo.

RESUMEN

En esta experiencia se logro determinar el calor de fusión del hielo empleado un calorímetro para el cual calibramos el calor de específico, a partir de este procedimiento se realizaron tres medidas de peso y temperatura en equilibrio de la mezcla de hielo y agua, finalmente mediante los cálculos se obtuvo un valor de 332x10^3 J/kg  para el calor de fusión del hielo, al comparar este resultado con el valor teórico que corresponde a 334x10^3 J/kg  se aprecia una medida bastante exacta con bajo porcentaje de error.

MARCO TEÓRICO 

El calor latente es la energía requerida por una cantidad de sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). Cuando se aplica calor al hielo, va ascendiendo su temperatura hasta que llega a 0 °C (temperatura de cambio de fase), a partir de entonces, aun cuando se le siga aplicando calor, la temperatura no cambia hasta que se haya fundido del todo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo.

Una sustancia experimenta un cambio de temperatura cuando absorbe o cede calor al ambiente que le rodea. Sin embargo, cuando una sustancia cambia de fase absorbe o cede calor sin que se produzca un cambio de su temperatura. El calor Q que es necesario aportar para que una masa m de cierta sustancia cambie de fase es igual a: Q=mL, donde L se denomina calor latente de la sustancia y depende del tipo de cambio de fase. Para que el agua cambie de sólido (hielo) a líquido, a 0ºC se necesitan 334000 J/kg o 334 kJ/kg. (1)

Una de las formas de determinar el calor latente de cambio de estado es por el método de las mezclas. Consiste en mezclar dos sustancias (o una misma en dos estados de agregación distintos) a diferentes temperaturas, de manera que una de ellas ceda calor a la otra y la temperatura del equilibrio final es tal que una de ellas al alcanzarla, realiza un cambio de estado. Una condición importante es que no haya pérdidas caloríficas con el medio exterior.

Se ha de tener en cuenta la cantidad de calor absorbida por el calorímetro, por medio de su equivalente en agua K.

Este experimento se realiza con agua a una temperatura superior a 0ºC e inferior a 100ºC por

tanto en estado líquido, y con hielo fundente a 0ºC. Si M es la masa inicial de agua, en este caso la sustancia caliente y m es la masa del hielo fundente y K el equivalente en agua del calorímetro; T0 la temperatura del agua y calorímetro, antes de la mezcla, T la temperatura final del equilibrio, c el calor específico del agua líquida, que tomaremos como (1,0 ± 0,1) cal/gºC y L el calor latente de fusión del agua, valor que queremos determinar, un simple balance energético conduce a:

                           Mc (T0 –T) + K( T0 –T) = mL + mc (T −0)

                                                Q cedido = Q absorbido

Donde:                                                                 

                                                                                                            (2)

 MATERIALES

Calorímetro de foam	Probeta
Termómetro calibrado                          Plancha	Balanza
Vasos químicos	Hielo

V. PROCEDIMIENTOS

Peso del calorímetro	T1 del agua fría °C	Peso del calorímetro+agua fría	T2 del agua caliente°C	T3 del equilibrio°C	Peso en el equilibrio
5.23g	24.0°C	193.04g	70 °C	41°C	285.85
5.29g	23.0°C	191.14g	70°C	39°C	287 .58
5.28g	23.3°C	189.04g	70°C	40°C	287.23
Promedio: 5.27g	23.4°C	191.07g	70°C	40°C	286.89g

Peso del calorímetro	T1 del agua fría °C	Peso del calorímetro +agua fria	T2  del hielo	T3 en equilibrio	Peso del hielo	Peso en equilibrio.
5.29g	24°C	246.29g	0°C	15 °C	267.85-246.27= 21.6g	267.89g
5.29g	24°C	246.44g	0°C	15°C		268.68g
5.28g	23°C	246.10g	0°C	16°C		266.98g
Promedio: 5.29g	24°C	246.27g	0°C	16°C		267.85g

DISCUSIÓN

En esta experiencia se realizaron dos procedimientos ,uno para calibrar el calorímetro que utilizaríamos y otro para obtener l calor de fusión del hielo, en cada uno se realizaron tres repeticiones para obtener un promedio obteniéndose en la primera de calibración del calorímetro un valor de -5.55 J/gK   que corresponde al calor especifico del calorímetro es decir la cantidad de calor que es capaz de mantener el aparato.  En este caso  el  cambio de temperatura experimentado por un objeto cuando absorbe cierta cantidad de energía está controlado por su capacidad calorífica, así, Cuando un sistema con una masa m1, se pone en contacto con un sistema con una masa m2, donde m1> m2, que está a diferente temperatura, fluye calor entre ellos hasta alcanzar una temperatura de equilibrio próxima a la del sistema de masa mayor; se dice entonces que una cantidad de calor ΔQ se transfiere desde el sistema de mayor temperatura al sistema de menor temperatura, de esta forma se calibra el aparato a utilizar.

Un calorímetro a presión constante como el que utilizamos refleja en realidad el valor de la entalpia o  medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, cuando la entalpia se raliza en procesos de cambio de estado se le denomina calor de fusión o calor de vaporización dependiendo del estado en el que se cuentra o que se realice el proceso. En este caso buscábamos la  entalpía de fusión del hielo o calor “latente” de fusión, Lf conocemos que es  la cantidad de calor necesaria para pasar la unidad de masa de hielo del estado sólido al líquido a la temperatura de fusión del  mismo.  Si  la  presión  bajo  la  cual  se  produce  el  cambio  de  fase  se  mantiene constante e igual a 1 atmósfera, la temperatura de fusión también se mantiene constante y es igual a 0ºC.  lo que sucede es que cuando el hielo se funde la ganancia de energía se convierte en trabajo de contracción de volumen pues el hielo es mas denso que el agua a la misma temperatura y en este proceso se tiende a aumentar la entropía. Cuando una masa de hielo cambia de estado sólido al líquido, a presión y temperatura constantes, absorbe de su entorno una energía igual a:

Lf = 79 kcal/kg = 333.5 kJ/kg que es el valor teórico de la experiencia

Lo que realizamos fue mediciones de cómo variaba la temperatura de la mezcla de agua y hielo cuando éste se funde. 

Y como no queremos poseer intercambios de calor con el entorno se realiza la prueba en el calorímetro previamente calibrado, de forma que cuando colocamos un líquido a temperatura distinta de la suya, el calorímetro absorbe (o cede) algo de calor. Este calor se obtiene por la variacion de temperatura que se registra con un termómetro, esta variación debe medirse cuando se alcanza la temperatura en equilibrio.

De esta manera obtuvimos un valor de 332x10^3 J/kg  que comparado al valor teorico arrojó un porcentaje de error de 0.45%, esto nos demuestra que la experiencia se realizó correctamente.

                       CONCLUSIONES

v  En nuestra experiencia comprobamos la temperatura constante o en equilibrio  luego de un cambio de estado, esto fue al colocar el hielo (estado sólido) dentro del agua a temperatura ambiente y que luego de ocurrir el cambio de estado a líquido, la temperatura se mantuvo constante o en equilibrio, esto lo podemos explicar desde el punto de vista de la energía en forma de calor que se transmite a un cuerpo y que sirve para elevar su temperatura,  Cuanto más calor, mayor temperatura adquiere el cuerpo. También conocemos que la temperatura es una función lineal de la energía menos en cambios de estado, pues una vez que se alcanza una determinada temperatura, si seguimos aumentando la energía, no se logrará elevar su temperatura, sino realizar un cambio de estado: de sólido a líquido (fusión) mientras no haya concluido la transformación, no aumentará la temperatura. En ese período de tiempo, la temperatura permanece constante, aunque el calor sigue aumentando. Es, por tanto, una función definida a intervalos o trozos

v  Durante el cambio de estado que experimentamos se observan varios procesos termodinámicos relacionados, como lo son un proceso isotérmico donde la temperatura se mantuvo constante durante el proceso de cambio de estado del hielo, pues mientras no se completó el cambio de estado la temperatura se mantuvo constante o en equilibrio y esto fue principalmente a la capacidad del calorímetro de mantener el calor dentro de él es decir de mantener el proceso de forma adiabática o sin transferencia de calor, al estar aislado del entorno. De forma que se pudo evidenciar que el calor absorbido es igual al calor cedido, el cual se manifestó con la diferencia de temperatura en el termómetro. Además de otro proceso que se asumió una presión externa constante es decir isobárico

v  Nuestro último objetivo era determinar el calor latente de fusión del hielo, en donde se pudo comprobar que a través de un gran cuidado y realización del proceso de forma correcta se puede obtener el resultado correcto, la obtención de un valor cercano al real o teórico dependerá, por ende, de la correcta calibración del calorímetro, de la precisión en las mediciones y del error asociado al observador. De tal forma pudimos determinar el calor latente de fusión del hielo como 332x10^3 J/kg, con un porcentaje de error de 0.45%.

CUESTIONARIO

1. ¿En qué sentido se falsearía el resultado de la experiencia si el hielo utilizado no estuviera bien seco?

 Para que los resultados de la experiencia fuesen válidos y próximos a los teóricos era necesario secar muy bien el hielo antes de agregarlo en el calorímetro con agua ya que de lo contrario un mal secado haría que el hielo tuviese agua en su superficie y el calor del agua líquida no se estaba determinando, porque el calor latente de fusión  solo se refiere  del hielo al agua es decir el calor absorbido por el líquido.

2. Compárese el resultado obtenido para el calor de fusión del hielo con su valor real. Estudie las posibles causas de la diferencia existente. 

R: el valor teórico del calor de fusión del hielo es de 334 KJ/Kg (334000 J/kg), mientras que el valor experimental obtenido fue de 332 KJ/Kg  (332 x103  J/Kg) bastante próximo al teórico.  Las causas posibles de las diferencias entre ambos valores se pueden atribuir a:

La determinación del calor específico del calorímetro pudo influir en los resultados si esta no fue tan precisa, ya que errores en la agitación de la mezcla pudo alterar la temperatura del sistema.

Errores en los instrumentos empleados, ya el calorímetro empleado cada vez que se realizaba una nueva medida su peso variaba porque absorbía agua.

Al momento de usar el termómetro en el agua a temperatura ambiente, luego en el hielo y nuevamente en la mezcla pudo alterar la temperatura del sistema.

Errores de lectura de temperatura. Además si la temperatura era muy baja había que sacar un poco el termómetro para poder leer la misma.

La cantidad de hielo empleado debía ser constante para todas las medidas así como no emplear gran cantidad de hielo, ya que el calor necesario para fundir una cantidad grande es mayor y tardaría mucho más tiempo.

3. Explique cómo utilizaría el “método de las mezclas” para determinar  el calor latente de vaporización del agua y escriba las ecuaciones correspondientes. 

El calor latente de vaporización del agua se mide a través del método de mezcla inyectando vapor de agua a una cantidad determinada de agua fría. La condensación  del vapor de agua permite liberación  de calor o energía térmica en dos etapas:

Se libera calor, convirtiendo el vapor en agua (cambio de fase) a una misma temperatura de 100ºC (agua hirviendo).

El agua hirviendo intercambia calor con el agua fría circundante (transferencia de calor) hasta alcanzar una temperatura final de equilibrio (T final) deteniendo el intercambio de energía en el sistema. De acuerdo a la conservación de la energía este proceso se refiere a que, el calor total liberado por el vapor es igual al calor total absorbido por el agua fría.

Ecuaciones correspondientes al proceso:

	-/\Qvapor=/\ Qalf

Donde:  

                -/\Qvapor =/\Qcambio de fase + /\Qtransferencia de calor

Siendo:   

               /\ Qcambio de fase = m vapor L v

y              

               /\ Qtransferencia de calor = m vapor Ceagua  (Tvapor -Tfinal) 

Por lo que      

               /\ Qal f = m al f  Ceagua  (Tfinal –Tinicial)

4. ¿La evaporación como tal es un proceso térmico de enfriamiento o de calentamiento?

R. La evaporación es un proceso de calentamiento ya que para pasar de estado líquido a gaseoso se necesita un aumento de temperatura. Cuando la temperatura aumenta a100ºC permite que el líquido hierva y pase a estado gaseoso o vaporación. 

BIBLIOGRAFÍA

·         Calor latente. (s.f).Wikipedia. Recuperado el 12 de octubre de 2012, de http://es.wikipedia.org/wiki/Calor_latente.

·         Fusión del hielo. (s.f). Recuperado el 12 de octubre de 2012, de http://bacterio.uc3m.es/docencia/laboratorio/guiones_esp/termo/Fusion_Hielo_Guion.pdf

·         Determinación de la entalpía de fusión del hielo. (s.f). Practica 14. Recuperado el 12 de octubre de 2012, deHttp://www.ucm.es/info/Geofis/practicas/prac14r.pdf