FISICA II LABORATORIO
Ing. Iván Salinas Garcia
CALOR LATENTE DE VAPORIZACION 1. OBJETIVOS.
Determinar el valor experimental del calor latente de vaporización del agua.
2. INTRODUCCION. Cuando un cuerpo es calentado, por ejemplo, acercándole a una llama, se le proporciona calor, aumenta su temperatura. Durante mucho tiempo se pensó que esto era siempre así. Sin embargo, al construirse los primeros termómetros, pronto se descubrió que cuando un trozo de hielo es calentado, se funde y la mezcla de agua y hielo que se tiene hasta que todo el hielo se funde, se encuentra en todo momento a la misma temperatura que el hielo, es decir a 0 ºC. Joseph Black fue uno de los primeros científicos en distinguir entre calor sensible, o calor que se manifiesta en la elevación de la temperatura de un cuerpo, y calor latente, o calor que se utiliza para producir un cambio en el estado de agregación de un cuerpo (cambio de fase, de fase sólida a fase líquida en el caso del hielo que se funde y de fase líquida a gas en el caso del agua que se evapora) sin que haya una variación de la temperatura.
3. FUNDAMENTO TEORICO. Una sustancia con frecuencia se somete a cambios de temperatura cuando se transfiere energía entre la sustancia y su medio ambiente. Sin embargo, en algunas situaciones, la transferencia de energía no provoca un cambio de temperatura. Esto puede ocurrir cuando las características físicas de la sustancia cambian de una forma a otra, lo que comúnmente se denomina cambio de fase. Algunos de los cambios de fase mas comunes son: de solido a liquido (fusión), de liquido a gas (ebullición) y los cambios en la estructura cristalina de un sólido. Todos estos cambios de fase implican un cambio de energía interna, pero no cambio de temperatura. La transferencia de energía necesaria para que se produzca un cambio de fase en una determinada masa m de una sustancia pura es: Q mL
Donde L se denomina calor latente de la sustancia y depende tanto de la naturaleza del cambio de fase como de la propia sustancia. El signo de la ecuación debe seleccionarse de acuerdo con la dirección en la que fluya la energía. Cuando un bloque de hielo se funde para transformarse en agua líquida, la ecuación se escribirá:
Q mL Pero, en caso de que el agua líquida se congele para transformarse en hielo, puesto que se esta extrayendo energía del agua, se deberá utilizar el signo negativo en la ecuación,
Q mL QT
Q1 Q2 Q3 ... Qn
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El calor de fusión L f es el término que se utiliza cuando el cambio de fase en cuestión se refiere a una fusión o congelación, y el calor de vaporización Lv es el término que se utiliza cuando el cambio sucede durante la ebullición o condensación. Tal es el caso del calor latente de fusión del agua a presión atmosférica que corresponde a: 5
L f 3.33x10
J Kg
Y el calor latente de vaporización del agua que corresponde a Lv
2.26x106
J Kg
El calor latente de fusión es la energía necesaria para romper todos los enlaces intermoleculares de un kilogramo de una sustancia, de forma que pueda pasar de la fase solida a la liquida. El calor latente de vaporización es la energía que hay que suministrar a un kilogramo de una sustancia en fase liquida para romper todos los enlaces del liquido de modo que se convierta en gas. Según datos de calor latente, el de vaporización para una determinada sustancia suele ser mayor que el calor latente de fusión. En el cambio de la fase solida a la liquida, los enlaces que unen las moléculas del solido se transforman en cierto modo en enlaces mas débiles en el liquido. No obstante, en el cambio de la fase liquida a la gaseosa, los enlaces se rompen completamente, creando una situación en la cual las moléculas esencialmente no tienen enlace entre si. Por tanto, se necesita más energía para evaporar una determinada masa de una sustancia que para fundirla. Los conceptos utilizados son:
Primera ley de la termodinámica: También conocido como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiara. Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por Antoine Lavoisier. La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente: E S
EENTRA E SALE
Calor específico: La cantidad de energía necesaria para elevar un grado la temperatura de un kilogramo de una sustancia cualquiera dependiendo de la sustancia en cuestión.
c
Q mT
Entonces:
Q mcT 2
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Luego el calor ganado por el agua inicial es: Q (m1ca
C )(T2 T1 )
El calor latente:
Q1
L(m2
m1 )
El descenso de la temperatura: Q2
(m2
m1 )(Te T2 )
De donde el calor latente de vaporización del agua es: Lv
( m1ca
C )(T2 T1 ) mv ca (Te T2 )
mv
4. MATERIALES.
Calorímetro con sus accesorios (Tapa, agitador). Termómetro. Vaso de precipitados de 1000 ml. Caldera. Cocina u hornilla. Combustible para la cocina (gas). Manguera de suero. Pedazo de goma (Preservativo). Calculadora, lápiz y papel. Balanza digital.
5. PROCEDIMIENTO.
Montar la cocina u hornilla. Llenar la caldera con agua y calentarla en la cocina u hornilla conectando un extremo de la manguera de suero en la misma y aislando cualquier lugar por el que pueda fugar el vapor de agua. Pesar el calorímetro vacío con todos sus accesorios y registrar el dato. Llenar el calorímetro con agua aproximadamente hasta la mitad y pesar el mismo registrando el dato. Se deja estabilizar la temperatura del calorímetro con la masa de agua y luego se toma la temperatura y se registra la misma. Una vez que comienza a salir un flujo de vapor de agua continuo por la manguera de suero, se toma la temperatura de ebullición del agua y se la registra, después se procede a conectar el otro extremo de la manguera de suero al calorímetro (se debe 3
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verificar que el extremo de la manguera por donde fluye el vapor de agua quede por debajo del nivel del agua del calorímetro, es decir que quede sumergido) para completar el sistema y se agita el agua en el calorímetro al mismo tiempo que se observa la temperatura. Una vez que la temperatura se haya incrementado de 20 a 25 ºC se retira la manguera que proveía vapor al calorímetro anotando la temperatura final y seguidamente se pesa el calorímetro con la más de agua final registrando el dato obtenido.
6. CÁLCULOS Y GRÁFICOS. a) Calculo del valor medio de
Lv
Lv
( m1ca
C )(T2 T1 ) mv ca ( Te T2)
mv
(177.79*1 37)(44 19) (9.73*1)(89 44) 9.73
⁄
. ] [ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ] [
b) Calculo del error de
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c) Calculo del error porcentual.
̅ d) Finalmente.
⁄ 7. CONCLUSIONES
Se determino el valor experimental del calor latente de vaporización en el laboratorio de física, con medios e instrumentos proporcionados, obteniendo el valor de Lv
597.39
Mediante una correcta propagación de errores se determino un error de . Mediante el cálculo del error relativo porcentual se determino un error porcentual de 6.33 %. Se alcanzo la verificación de forma experimental del calor latente de vaporización del agua Se logro optimizar y alcanzar el objetivo de la presente practica.
8. RECOMENDACIONES.
Revisar el buen estado de los materiales. No jugar con la garrafa de gas ni con el fuego. Verificar que no hayan factores externos que hagan variar la masa del calorímetro al momento de su pesaje. Colocar un pedazo de goma en la tapa de la caldera para evitar fugas de vapor. En preferencia utilizar un preservativo, por la consistencia, flexibilidad y fácil obtención. Cuidar la cantidad de agua introducida en el calorímetro. Observar cuidadosamente los datos de la balanza analítica y anotarlos. Tener cuidado en la lectura del termómetro cuando el agua este fría y en punto de ebullición, porque eso puede hacer que los resultados varíen. 5
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Manipular el calentador de forma eficiente y cuidadosa. Manipular de manera correcta la calculadora y realizar las operaciones correspondientes. No jugar con el agua caliente que se adicionara al calorímetro, para evitar posibles accidentes. Cuidadosamente llevar a la balanza analítica el calorímetro con agua fría y caliente, evitar los movimientos bruscos.
9. BIBLIOGRAFIA - Guía de Laboratorio de Física – Universidad de Tolima (pagina web). - Física para Ciencias e Ingeniería – Raymond A. Serway. - Guía de Laboratorio de Física II- Ing. Iván Salinas García.
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