Calor latente El calor de cambio de estado es la energía requerida por una sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). Al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se libera la misma cantidad de energía. Antiguamente se usaba la expresión calor latente para referirse al calor de fusión o de vaporización. Latente en latín quiere decir escondido, y se llamaba así porque, al no notarse un cambio de temperatura mientras se produce el cambio de fase (a pesar de añadir calor), éste se quedaba escondido. La idea proviene de la época en la que se creía que el calor era una sustancia fluida denominada calórico. Por el contrario, el calor que se aplica cuando la sustancia no cambia de fase, aumenta la temperatura y se llama calor sensible. 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 vez fundido el hielo la temperatura volverá a subir hasta llegar a 100 °C; desde ese momento se mantendrá estable hasta que se evapore toda el agua.
Cambios de estado Q = mL Donde L es el calor de fusión o de evaporación y m es la masa que cambia de estado.
Medida del calor de vaporización Para medir el calor de vaporización se coloca un recipiente metálico con una masa m de agua sobre un hornillo eléctrico de potencia P. La temperatura inicial del agua es T a. A medida que transcurre el tiempo, se va elevando la temperatura del agua, hasta que entra en ebullición a 100 ºC. Anotamos el tiempo t 1. El agua se evapora, disminuyendo el nivel de agua en el recipiente hasta que toda el agua se ha convertido en vapor. Anotamos el tiempo t 2 que transcurre desde el comienzo de la ebullición hasta que se consume el agua . Tendremos las siguientes relaciones
P·t1=m·c·(100-T a) P·t2=m·Lv donde Lv es el calor de evaporación del agua que trataremos de determinar, Eliminamos la cantidad desconocida P en el sistema de dos ecuaciones, y despejamos L v.
La medida del calor latente de evaporación del agua es problemática, ya que es difícil determinar el momento en el que el agua entra en ebullición y el momento en el que el agua se evapora completamente. Las pérdidas de calor son importantes (ley de enfriamiento de Newton) ya que la diferencias de temperatura entre el agua en ebullición y el ambiente es muy grande. Habría que tener en cuenta también, el calor absorbido por el recipiente, el agua que se evapora durante el proceso de calentamiento y el agua que se condensa en las paredes del recipiente .
Actividades Para evitar una excesiva complejidad en la simulación de la experiencia, se ha supuesto que las pérdidas de calor son despreciables. Como en una experiencia real, solamente una parte de la energía suministrada por el hornillo eléctrico, sobre el que se pone el recipiente de agua, se emplea en calentarla, el resto va a la atmósfera. La potencia efectiva empleada en el calentamiento es igual a la potencia consumida menos una proporción seleccionada aleatoriamente y comprendida entre el 10% y el 30%. Se introduce La potencia del calentador eléctrico en W, actuando en la barra de desplazamiento titulada y y
Masa m de agua en gramos en el recipiente Temperatura inicial T a del agua
Se pulsa el botón titulado Empieza Se observa como la temperatura del agua se va incrementando con el tiempo hasta que en el instante t 1 el agua empieza a hervir. A partir de ese momento, el agua se va evaporando a la temperatura constante de 100ºC, empleando un tiempo t2 en dicho proceso. Usando los botones titulados Pausa/Continua y Paso se miden los tiempos t t2.
Resumen: Introducción. El objeto principal de esta práctica es determinar el calor latente de vaporización del nitrógeno a la presión atmosférica, utilizando la técnica denominada termogravimetría. Esta es una técnica experimental basada en medir la pérdida de masa producida por algún efecto térmico y así saber las cantidades de energía que se han utilizado en dicho proceso .
1
y
2 .
Desarrollo de la práctica.
Para el caso concreto del nitrógeno, su temperatura normal de ebullición es de 77.3K. Este nitrógeno fue introducido en un vaso Dewar; con lo cual tenemos una diferencia de temperatura bastante grande entre el nitrógeno y la temperatura ambiente. Además esta diferencia de temperatura permanece constante, así se produce un paso de calor por unidad de tiempo del exterior al interior del vaso Dewar; el cual también es constante. Este paso de calor provoca una vaporización del nitrógeno que fue detectada por la balanza La forma W = V.I = V ²/R, donde I es la intensidad de corriente que circula por el
circuito. Si suponemos que las condiciones experimentales son constantes podemos afirmar entonces: L (dm/dt) + P + W = 0 La fórmula es:Q=m·c·(Tf-Ti) En esta ecuación P son las pérdidas por unidad de tiempo. Como las pérdidas de masa quedaron registradas por la balanza tanto en el caso en el que no había disipación de calor como en el que existía disipación, se pueden representar gráficamente los valores de la masa frente al tiempo en lo que se conoce como gráficas termogravimétricas. A raíz de dichas gráficas se pueden obtener el valor de L y de P.
