FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA FACULTAD DE INGENIERÍA FISICOQUÍMICA 2013-1
CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN
RESUMEN El siguiente informe contiene los datos obtenidos mediante la simulación de la evaporización del agua, permitiendo el cálculo cálculo del calor involucrado involucrado en este proceso. Para la realización se emplearon diferentes valores, tanto para la potencia del hornillo eléctrico como para la masa de agua y la temperatura inicial de la misma. Palabras clave: Vaporización, calor latente, temperatura, potencia. ABSTRACT The following report contains simulation data obtained through evaporation of water, allowing the calculation of the heat involved in this process. Development, different values were used for both the power of an electric stove, for the water mass and the initial temperature thereof. Keywords: Vaporization, latent heat, temperature, power. INTRODUCCIÓN Las sustancias puras como el agua poseen la cualidad de cambiar de fase al suministrar o retirar calor; con el objetivo objetivo de analizar el cambio de la temperatura respecto al tiempo se realizó la simulación teniendo en cuenta factores como: la masa de agua, la temperatura inicial y la potencia suministrada que en este caso, tiene como objetivo aumentar la temperatura temperatura de tal forma que suceda un cambio de estado líquido a gaseoso. Cuando se suministra calor a un sistema en fase liquida, la temperatura comienza a aumentar a medida que transcurre el tiempo, alcanzando un valor en el cual la presión de vapor es igual a la presión atmosférica (Temperatura de ebullición, para el agua 100ºC). En estos procesos que involucran cambios de fase en sustancias puras, existe transferencia de calor sin un aumento en la temperatura, denominado como calor latente.
Dónde: = Calor de evaporización del agua. = Tiempo que transcurre para que el agua llegue a 100ºC. = Tiempo de transcurre desde el comienzo de la ebullición hasta que se consume en su totalidad el agua. = 100ºC – Temperatura inicial ( ). = Masa de agua (gr)
MATERIALES Y MÉTODOS La práctica se realizó mediante laboratorios virtuales, tomando diferentes datos iniciales con el fin de simular el comportamiento comportamiento del proceso. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN En la Tabla Nº 1 se puede observar detalladamente como influye la potencia, la masa y la temperatura inicial de la sustancia en los tiempos para alcanzar una presión de vapor igual a la atmosférica y la conversión completa, en este caso del agua en vapor.
Tabla 1. Simulación de calor latente.
t-fin
1000 200
20
88
682
594
500
200
20
176 1364 1188 2257200 380
1500 200
20
59
500
200
30
154 1342 1188 2257200 380
1500 200
30
52
448
396
2228262 1125,38
1000 200
30
77
671
594
2257200 760
500
200
50
110 1299 1189 2259100 380
1000 200
50
55
650
595
2261000 760
1500 200
50
39
433
394
2111436 1071,79
500
200
80
48
1233 1185 2063875 348,333
1000 200
80
22
617
595
2261000 760
1500 200
80
15
411
396
2207040 1114,67
500
500
30
385 3355 2970 2257200 380
1000 500
30
193 1678 1485 2251352 758,031
1500 500
30
129 1119 990
Masa
455
396
W
(coexisten las dos fases) o si cambia de temperatura, su fase será constate.
2257200 760
2244447 1133,56
2245535 1134,11
En base a los datos obtenidos se puede inferir: Un aumento en la potencia eléctrica de la placa (hornillo) disminuye los tiempos de evaporación y viceversa. El tiempo aumentara si la masa de agua aumenta, teniendo en cuenta la especificación anterior. Si la temperatura inicial del agua líquida tiene un valor alto, claramente los tiempos se minimizaran, partiendo de los demás factores ya mencionados. mencionados. Algunos valores del calor latente son iguales, ya sea porque la relación entre los tiempos es la misma, se presenta un aumento en la temperatura temperatura inicial o en el volumen. CONCLUSIONES La cantidad de energía absorbida en el cambio de fase se encuentra alrededor de 2260·10 3 J/kg. Asumiendo que el suministro de potencia es constante, las pérdidas de vapor hacen que la temperatura aumente más lentamente. Cuando un cuerpo cambia de fase la temperatura permanece constante
En el grafico se puede observar un calor sensible hasta 100ºC y en adelante un cambio de estado donde se emplea un calor latente de vaporización. La potencia efectiva esta en un rango del 70% respecto a la real, debido a perdidas hacia los alrededores. La potencia de la resistencia y la masa, son inversamente proporcionales proporcionales a los tiempos empleados en los procesos. En estado líquido los átomos y las moléculas permanecen unidos por las fuerzas de atracción, aun así pueden moverse adaptándose al recipiente que los contiene. En el momento en el que se incrementa la temperatura, el agua absorbe grandes cantidades de calor venciendo las fuerzas intermoleculares dipolo-dipolo dipolo-dipolo que le permitirán romper los puentes de hidrogeno generando un movimiento libre entre las partículas y los átomos por todo el recipiente (estado gaseoso). En esta práctica se está despreciando el calor absorbido por el recipiente, ya que no se especifica el material del mismo, adicionalmente es despreciable el agua evaporada durante el proceso del calentamiento y el agua condensada en las paredes del recipiente, por su dificultad al cálculo. BIBLIOGRAFÍA http://didactica.fisica.uson.mx/cursos/fisord/estadis tica/otros/latente/latente.htm http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/ recursos/r87510.PDF
FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA FACULTAD DE INGENIERÍA FISICOQUÍMICA 2013-1
CALOR LATENTE DE FUSIÓN
RESUMEN El informe describe las variaciones del calor latente de fusión necesario para cambiar el agua en estado sólido a estado líquido, empleando un calorímetro. Para la simulación se suponen distintos datos de masa y temperaturas con el fin de calcular el equivalente en agua del calorímetro y posteriormente el calor de fusión. Palabras clave: Calor latente, fusión, masa, temperatura, calorímetro. ABSTRACT The report describes the variations of latent heat of fusion used to change the water in the solid state to the liquid state by a calorimeter. For simulation data imply different mass and temperature, in order to calculate the water equivalent of the calorimeter and then the heat of fusion. Keywords: Latent heat, fusion, mass, temperature, calorimeter.
INTRODUCCIÓN Generalmente una sustancia experimenta un cambio de temperatura ya sea por absorber o ceder calor, sin embargo en los cambios de fase la temperatura permanece constate. Los sólidos poseen átomos y moléculas que ocupan posiciones fijas de los nudos de una red cristalina, lo que les proporciona un volumen y forma fija; cuando se presenta un incremento en la temperatura los átomos y moléculas comienzan a vibrar de tal modo que se logran vencer las fuerzas de atracción que los mantienen unidos convirtiendo el sólido en líquido. Este cambio de fase en una determinada determinada masa requiere el aporte de una cantidad de calor para que se efectué el proceso, este se denomina como calor latente de fusión. En la práctica se empleara un calorímetro, que se define como un elemento que permite medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Cuando en un calorímetro se coloca un líquido a temperatura distinta de la suya, el calorímetro absorbe (o cede) algo de calor.
A la hora de hacer el balance calorimétrico es posible imaginar que el calorímetro se comporta como una cantidad de agua adicional que hubiera que calentar o enfriar al hacer cualquier mezcla. Se define por tanto el equivalente en agua del calorímetro como la masa de agua que absorbería (o cedería) la misma cantidad de calor que el calorímetro, para modificar su temperatura desde la inicial del calorímetro a la final del mismo. MATERIALES Y MÉTODOS La práctica se realizó mediante laboratorios virtuales, tomando diferentes datos iniciales con el fin de simular el comportamiento del proceso. Una masa ma de agua a la temperatura inicial T a se mezcla con una masa mh de hielo a 0º C en un calorímetro. La mezcla de agua y hielo se agita hasta que se alcanza una temperatura final de equilibrio T e.
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN 1. Medida del equivalente en agua del calorímetro. En la tabla tabla se puede observar observar los datos datos obtenidos, al variar las masas tanto del calorímetro como de la probeta y sus respectivas temperaturas; con el objetivo de calcular el equivalente de masa del calorímetro mediante la siguiente ecuación.
100
100
80
1
200
100
80
50
100
50
Dónde:
= Masa de agua = Masa de hielo en gramos del calorímetro. = Temperatura del agua. = Temperatura del hielo 0ºc Tabla 2. Calor latente de fusión.
57,3289902
Tabla 1. Equivalente en agua.
( )
49,3
57,3289902
1
57,9
57,4660633
80
1
41,8
56,8062827
200
80
1
28,5
56,7961165
400
25
80
1
75,9
56,7073171
200
200
80
20
53,7
56,2737643
500
10
80
2
78,6
47,1428571
100
300
50
90
76,3
56,2737643
100
300
90
3
32,9
57,0928196
100
300
20
50
39,7
56,8527919
500
100
90
1
76,5
59,2592593
500
400
90
1
52,8
56,9892473
500
25
90
1
86,2
60,5263158
500
25
20
40
20,9
30,5555556
100
200
20
40
31,2
57,1428571
200
200
25
20
22,8
54,5454545
100
220
75
0
126,1
142500
57,4660633
200
220
95
3
0 333784,434
56,8062827
50
50
80
0
0
56,7961165
50
10
60 18,8
0 336169,398
56,7073171
400
100
100 57,5
0 333953,963
56,2737643
200
300
100
0
0 278666,667
47,1428571
500
120
20
0,6
0 334390,048
56,2737643
100
120
100
1,5
0 333898,029
57,0928196
100
150
100
0
24,9 278666,667
56,8527919
100 24,9
100
0
24,9 1678714,86
334400
En la tabla anterior se detallan los valores supuestos para la masa de hielo adicionada; igualmente se toman diferentes valores para la temperatura del agua líquida, ya que la del hielo en este caso se asume con una T = 0ºC. Para cada fusión se utiliza un valor distinto del equivalente, el cual ha sido calculado previamente (Tabla Nº 1).
CONCLUSIONES 2. Medida del calor de fusión.
Ahora se procederá con el objetivo principal de la práctica, que es calcular el calor latente de fusión, necesario para convertir hielo en agua líquida, mediante la siguiente ecuación:
El calor se transfiere de una temperatura mayor a una menor, por ende la temperatura de equilibrio siempre estará contemplada dentro de los valores iniciales de temperatura de las sustancias. Por ejemplo si se agrega agua T=1ºC a agua T=80ºC, la temperatura de equilibrio estará entre estos dos valores.
La cantidad de agua que absorbe o cede calor en igual proporción al calorímetro, varía según la temperatura y la masa de agua que contenga. La transferencia de calor se hace evidente al observar las variaciones de la temperatura en el sistema, y se genera gracias a dicha diferencia.
Se asumen necesario 4180Joules para aumentar la temperatura en un grado Celsius. Las pérdidas de calor hacia el ambiente son despreciables ya que se está suponiendo el calorímetro como un sistema aislado. El calor latente de fusión se mantiene en un rango de 99% respecto al teórico (334000J/Kg), a excepción de algunos casos en los cuales la cantidad de agua líquida y su temperatura no fueron suficientes para fundir todo el hielo; siendo en este caso el calor latente empleado, mucho menor. Si suponemos una presión constante en el calorímetro se puede asumir, que lo realmente calculado es la entalpia de fusión, y que la temperatura se mantendrá constante (0ºC).
BIBLIOGRAFÍA http://fisicoquimica230med.blogspot.com/2012/10/ calor-latente-de-fusion-del-hielo.html http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros /fusion/fusion.htm
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CALOR ESPECÍFICO DE UN SÓLIDO. RESUMEN El siguiente informe determina el calor especifico de diferentes solidos (aluminio, cobre, estaño, hierro, oro, plata, plomo y sodio) empleando un calorímetro al que previamente se le calculo su equivalente en agua. Adicionalmente se realiza el análisis de la variación en el calor específico respecto al elemento empleado y la diferencia entre el valor obtenido mediante simulación y el valor calculado por medio de una formula específica. Palabras clave: calor especifico, solido, equivalente en agua, calorímetro. ABSTRACT The following report identifies the specific heat of different solids (aluminum, (aluminum, copper, tin, iron, gold, silver, lead and sodium) using a calorimeter which was previously water equivalent calculation. Further analysis is performed of the variation in the specific heat relative to the employee and the difeferencia between the value obtained by simulation and the value calculated by a specific formula. Keywords: specific heat, solid, water equivalent, calorimeter. INTRODUCCIÓN. El calor específico es la cantidad de calor que hay que suministrar a un gramo de un material para que eleve en un grado centígrado su temperatura. temperatura. Cuando varios varios cuerpos a diferentes temperaturas se encuentran en un recinto adiabático se producen intercambios caloríficos entre ellos alcanzándose la temperatura de equilibrio al cabo de cierto tiempo.
La capacidad calorífica del calorímetro empleado en la simulación es denominada como equivalente en agua del calorímetro, y se expresa en gramos de agua. Este representa la cantidad de agua que tiene la misma capacidad calorífica que el vaso del calorímetro, parte sumergida del agitador y del termómetro y es una constante para cada calorímetro.
MATERIALES Y MÉTODOS 1. Determinación del equivalente en agua del calorímetro. Se ponen M gramos de agua en el calorímetro, se agita, y después de un poco de tiempo, se mide su temperatura T 0. A continuación, se vierten m gramos de agua a la temperatura T . Se agita la mezcla y después de un poco de tiempo, se mide la temperatura de equilibrio T e. Se calcula mediante la siguiente ecuación:
2. Determinación del calor especifico del sólido. Se pone un material sólido de masa m con calor específico c desconocido en agua casi hirviendo a una temperatura T en el calorímetro. Se agita, y después de un
cierto tiempo se alcanza la temperatura de equilibrio T e. La determinación del calor específico se realiza mediante la siguiente formula:
Para el Aluminio, bajo las condiciones de equivalente en agua ya establecidas y con un valor teórico respecto al calor especifico, de 800J/Kg K; se obtiene. Tabla 2. Capacidad calorífica del Aluminio.
Te 23 20 37 25 41
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN. A continuación se registran los datos obtenidos mediante simulación, variando la masa de agua en el calorímetro, la masa en la probeta y sus respectivas temperaturas. Tabla 1. Equivalente calorímetro.
en
150 150 150 150 150 150 150 150 250 50 50 50 50
18 10 30 10 30 18 10 30 30 30 10 10 30
70 150 150 250 250 250 50 50 100 100 100 200 200
80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80
36 43 53 51 60 55 26 41 43 59 51 61 67
agua
del
21,1111111 18,1818182 26,0869565 26,8292683 16,6666667 18,9189189 18,75 27,2727273 34,6153846 22,4137931 20,7317073 24,5098039 20,2702703
Los datos en la Tabla Nº 1 determinan que calentar las paredes, el termómetro y el agitador equivale a calentar una masa de agua determinada, k. En la determinación del calor especifico de un sólido, se varía la masa de agua en el calorímetro y su temperatura, y la masa del solido que siempre estará a una T constate igual a 80ºC. Para cada condición previamente se determinó el equivalente en agua del calorímetro que se utilizara en el cálculo. Cada tabla está relacionada con los 5 primeros valores de la Tabla Nº1.
c 897,582846 782,232323 799,953488 807,498891 787,111111
%Error 1,99805068 11,1099633 9,0961945 8,23876235 10,5555556
Para el cobre el valor teórico es igual a 390J/Kg K. Tabla 3. Capacidad calorífica del cobre.
Te 20 15 33 18 36
c 341,081481 361,030303 313,659574 382,042486 380,545455
%Error 12,5432099 7,42812743 19,5744681 2,04038815 2,42424242
En la determinación del calor especifico del estaño, se tiene como valor teórico 230J/Kg K. Tabla 4. Calor especifico del estaño.
Te 19 13 32 15 33
c 167,744991 210,151967 204,75 227,756098 178,12766
%Error 27,0673953 8,62957938 10,9782609 0,97560976 22,5531915
El valor teórico del calor especifico del hierro es: 450J/Kg K. Tabla 5. Calor especifico del hierro.
Te 20 21 34 19 36
c 341,081481 875,039548 427,304348 436,843663 380,545455
%Error 24,2041152 94,4532329 5,04347826 2,92363055 15,4343434
En la siguiente tabla se determinara el calor especifico del oro, con un valor teórico, de 130J/Kg K. Tabla 6. Calor especifico del oro.
Te 19 12 31 13 32
c 167,744991 138,040998 100,285714 132,574445 116,277778
%Error 29,0346084 6,18538324 22,8571429 1,98034219 10,5555556
El calor especifico teórico de la plata es 235J/Kg K. Tabla 7. Calor especifico de la plata.
Te 19 13 32 15 34
c 167,744991 210,151967 204,75 227,756098 242,666667
%Error 28,6191528 10,5736309 12,8723404 3,08251168 3,26241135
Calor especifico del plomo, 130J/Kg K. Tabla 8. Calor especifico del plomo.
Te 19 12 31 13 32
c 167,744991 138,040998 100,285714 132,574445 116,277778
%Error 29,0346084 6,18538324 22,8571429 1,98034219 10,5555556
El valor teórico de la capacidad calorífica del sodio es: 1300J/Kg K Tabla 9. Calor especifico del sodio.
Te 25 24 40 31 45
c %Error 1302,31111 0,17777778 1173,34848 9,74242424 1228,5 5,5 1268,92683 2,3902439 1196 8
CONCLUSIONES El calor se transfiere de un cuerpo a otro debido a la diferencia entre sus temperaturas. Al poner en contacto dos cuerpos, el que se encuentra a una mayor temperatura cede energía en forma de calor al otro, hasta que se logra un equilibrio térmico. El calor específico es diferente para cada material, ya que este valor depende de las propiedades internas del mismo. La variación del calor especifico según el material, se debe a la capacidad de almacenar energía interna. El aumento de la temperatura de un cuerpo se debe al movimiento de translación de las moléculas. Cuando el calor especifico de un material es relativamente relativamente grande, refleja la necesidad de una gran cantidad de energía para aumentar su temperatura y viceversa. En las tablas de los diferentes calores específicos se puede ver un porcentaje de error, en algunos casos altos y en otros bajos. Esto se puede deber a las variaciones en la temperatura de equilibrio y al valor del equivalente en agua del calorímetro empleado; teniendo en cuenta que para la simulación de la determinación del calor específico se tomaron los mismos valores que en el del equivalente, para cada caso. Según Einstein existe una T característica de cada solido relacionada con la frecuencia con que oscilan las partículas. Igualmente al acercase al cero absoluto de la temperatura, el valor del calor especifico se hace cada vez más pequeño. De esta manera Einstein explicó que el hecho de que el calor específico de una sustancia varíe el cambiar su temperatura, es una manifestación macroscópica de efectos cuánticos. BIBLIOGRAFÍA. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros /calorimetro/calorimetro.htm http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/vol umen1/ciencia2/19/htm/sec_13.htm
PREGUNTAS ADICIONALES. 1. ¿Corresponde la energía interna de un gas al calor? o ¿a su temperatura? La variación de la energía para un gas depende únicamente de la temperatura ya que se desprecian todas las interacciones posibles que pueda haber entre moléculas o átomos. La variación de la energía interna de un gas ideal es:
2. ¿Qué relación existe entre el calor cedido o absorbido (Q) y la variación de energía (ΔU) que experimenta un gas en un proceso termodinámico? termodinámico?
La variación de la energía interna está dada por: . Basados en la formula anterior se puede inferir que cuando un sistema absorbe calor de sus alrededores , la energía interna tiende a aumentar y según la formula Q deberá ser positivo; mientras que si el sistema libera calor la energía interna disminuirá y Q tendrá un valor negativo. 3. ¿Puede un trozo de hielo poseer mayor energía interna que cierta cantidad de agua en estado líquido o de vapor? No, ya que para calentar hielo se necesita un cantidad mucho menor de energía que para calentar agua. Adicionalmente se deben tener en cuenta los calores latentes empleados en los cambios de fase, concluyendo concluyendo que el vapor tendrá una una mayor cantidad de energía. 4. ¿Cuántas maneras hay de cambiar la energía interna de un sistema? La energía interna según la primera ley de la termodinámica puede cambiar transfiriendo energía en forma de calor o realizando un trabajo sobre el sistema. 5. ¿Qué es calor, cual es la diferencia entre calor y energía térmica, en qué condiciones se transfiere calor de un sistema a otro? El calor se define como la cantidad de energía transferida de un cuerpo con mayor temperatura a un cuerpo con una menor. El tipo de energía que se pone en juego en estos fenómenos de transferencia de calor se denomina como energía térmica. 6. ¿qué es capacidad calorífica y que es calor especifico, cuál es su diferencia? El calor específico de una sustancia indica la facilidad con la cual esta puede aumentar o disminuir su temperatura y es un valor fijo para cada sustancia. La capacidad calorífica es la cantidad de energía necesaria por unidad de masa para aumentar en un grado Celsius la temperatura de una sustancia. 7. ¿Cómo es la capacidad calorífica de los gases, líquidos y sólidos en general? Las capacidades caloríficas ya sean de un líquido, un sólido o un gas siempre dependerán y estará relacionada con la temperatura. temperatura. 8. ¿Cómo y por qué los punto de fusión y de ebullición de una sustancia impura cambian con respecto a una sustancia pura? Explique.
Cuando las sustancias no son puras puras sus puntos tanto de fusión como de ebullición varían varían en determinado rango dependiendo dependiendo de la solubilidad, por ejemplo la fusión puede darse a una temperatura menor a la del punto de la sustancia pura y puede que no se mantenga constante la temperatura durante el cambio de fase. 9. ¿Por qué una quemadura producida por un gramo de vapor a 100°C ocasiona más daño que una quemadura causada por un gramo de agua a la misma temperatura? El agua líquida transfiere la cantidad necesaria para equilibrar la temperatura con la de la piel, mientras que el vapor tiene que transferir la energía necesaria para convertirse en agua y luego continuar con el proceso de equilibrar su temperatura, es decir, el calor transferido es mucho mayor.
ZAMANDA LORENA GOMEZ BABATIVA CODIGO: 5101396 GR 1
