Calor latente de vaporización y calor latente de fusión del hielo Esteban Escobar Londoño1 Daniel Salazar Correa2 Jordán Salamanca Cárdenas3 Julián Rayo Alape4 Universidad Distrital Francisco José De Caldas, Facultad de ciencias y educación, Licenciatura en física Bogotá, Colombia Octubre-2014
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[email protected] 2 jasalamancac@c jasalam
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Resume Resumen
Es sabido que el agua cambia de fase cuando el medio en el que esta cambia su temperatura, por ejemplo cuando el agua cambia de sólido a líquido, este proceso se conoce como calor de fusión y cuando el agua cambia de líquido a gaseoso se conoce como calor de vaporización. Estos procesos se conocen como calor latente ya sea de vaporización o de fusión. El calor latente es la energía que cierta cantidad de una sustancia necesita para cambiar de fase. En esta práctica de laboratorio pretendemos medir el calor latente o la energía requerida para que el agua cambie de fase, para realizar estos cálculos utilizaremos un calorímetro, una balanza y un termómetro. ter mómetro. Palabras clave: Calor latente, vaporización, fusión, cambio de fase. Abstract:
It is known that the water changes phase when the way into which this one changes his temperature, for example when the water changes of solidly to liquid, this process is known as heat of merger and when the water changes liquid to gaseous it is known as heat of vaporization. These processes are known as latent heat already is of vaporization or of merger. The latent heatis the energy that certain quantity of a substance needs to change phase. In this practice of laboratory we try to measure the latent heat or the needed energy in order that the water changes phase, to realize these calculations we will use a calorimeter, a scale and a thermometer. Key words: Latent heat, vaporization, merger, phase change.
1. Introducción
conduce a un cambio en la temperatura. Siempre que
Normalmente una sustancia sustancia experimenta un cambio en la
ocurre esto, las características físicas de las sustancias
temperatura si se transfiere calor entre ella y su medio,
cambian de una forma a otra, lo que se conoce como
sin embargo existen casos en lo que el flujo de calor no
cambio de fase.
2. Marco teórico
(1)
El cambio de fase o como comúnmente se denomina
(2)
(estado) de un sistema se da cuando se sigue aplicando calor al sistema pero este no puede aumentar más su temperatura, entonces el calor que ingresa al sistema deja de emplearse en aumentar la temperatura del sistema, y pasa ahora a emplearse en romper los enlaces de las partículas obligando al sistema a cambiar de fase, luego este mismo proceso puede darse de manera inversa y así el calor que ahora es cedido por el sistema se emplea para unir los enlaces. Se llama calor latente o
Dónde: t1: tiempo que se demora el agua en entrar en ebullición t2:
tiempo que transcurre desde el comienzo de la
ebullición hasta que se consume el agua. Lv: calor latente de
evaporización
c: calor especifico de la
sustancia
: diferencia entre el la temperatura del punto de
ΔT
ebullición y la temperatura ambiente. Dividimos las ecuaciones (1) y (2) :
calor escondido, y debe su nombre al hecho de saber que la temperatura del sistema permanece invariante aun cuando se comunica calor al sistema, este calor debe conservarse de alguna manera en el sistema, aunque no se vea representado por T, entonces se dice que el calor
(3)
Y con la ecuación (3) obtenemos la ecuación que nos relaciona los tiempos y las temperaturas para poder hallar el calor latente de vaporización.
se “escondió”.
2.2 Medida del calor latente de fusión
Durante este laboratorio nos concentraremos en el agua
Se introduce una masa m de hielo a un calorímetro con
puesto que sus “bajas” temperaturas para cambiar de
agua a una temperatura T ligeramente por encima de la
fase nos proporcionan una toma de datos más confiable.
temperatura ambiente Ta y se agita la mezcla hasta que
2.1
el hielo se funde completamente. Se elige la masa m del
Medida
del
calor
latente
de
vaporización Para medir el calor de vaporización se coloca en un recipiente con una masa m de agua sobre una estufa eléctrica de potencia P. La temperatura inicial del agua es Ta. A medida que transcurre el tiempo, se va elevando la temperatura del agua, hasta que entra en ebullición. Anotamos el tiempo t1. 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 t2 que transcurre desde el comienzo de la ebullición hasta que se consume el agua.
hielo de modo que la temperatura T e de equilibrio esté ligeramente por debajo de la temperatura ambiente, es decir, de modo que T-Ta≈T-Te. De este modo, el calor cedido al ambiente en la primera etapa de la experiencia se compensa con el calor ganado en la segunda etapa.
Si se funde todo el hielo, el estado final es una masa (mh+ma) de agua a la temperatura final Te>0. Ahora hemos que tener en cuenta que la masa mh de hielo se convierte en agua y a continuación, eleva su temperatura de 0ºC a Te. Por otra parte, el calorímetro (su masa equivalente en agua k) eleva su temperatura de 0º C a Te. El calor absorbido por el hielo es:
(4)
Calor absorbido por el calorímetro:
(5)
Termocupla Cronometro
Agregamos agua al beaker a una temperatura ambiente
El calor cedido por el agua es: (6)
si el calorímetro está perfectamente aislado, no pierde ni
Ta, luego procedemos a calentarla en la estufa eléctrica y tomamos el tiempo que tarda en llegar a punto de ebullición, siendo este tiempo t1, luego dejamos que
gana calor, se cumplirá que:
continúe evaporándose el sistema hasta que no quede Por lo tanto sumando los tres Q y despejando el calor
agua y tomamos el tiempo t2.
latente de fusión (L f ) obtenemos: (7)
Dónde: k: equivalente en agua del calorímetro
Figura 1. ( Montaje
ma: masa del agua en el calorímetro
vaporización)
mh: masa del hielo
3.2. Calor latente de fusión
Ta: temperatura inicial del agua
Materiales:
Te: temperatura de equilibrio cuando si introduce el
calorímetro
hielo.
balanza
termómetro
2.3
Tabla
del
calor
latente
de
vaporización y de fusión de algunas sustancias.
experimental del calor latente de
Primero debemos encontrar el equivalente en agua del calorímetro, para ello usamos dos cantidades diferentes de agua (m1 y m2 ), una a mayor temperatura que el ambiente y otra a menor (T1 y T2 ), luego vertimos ambas en el calorímetro y se revuelve hasta obtener el equilibrio termino (Te) entonces el calor ganado por el agua fría es igual al cedido por el agua caliente más el del calorímetro. Una vez conocida esta relación procedemos a encontrar calor latente de fusión del hielo, se llena parcialmente el calorímetro con agua a una temperatura mayor que la del
Tabla 1. Calores latentes.
ambiente (conociendo el valor de la masa del agua y de
3. Montaje experimental
calorímetro por su puesto), y luego vertimos el hielo
3.1. Calor latente de vaporización
entre el calorímetro, batiendo hasta tener una
Materiales:
temperatura de equilibrio, Luego se toma la masa del
Estufa electrica
beaker
sistema para determinar la cantidad de masa que se agregó en forma de hielo al sistema, así el calor perdido por el agua es igual al ganado por el hielo en 2 partes,
una para cambiar de fase (temperatura no cambia) y otra
4.2 Calor latente de fusión
de calentamiento para el hilo que se está convirtiendo en
Masa calorímetro: 261.3 ± 0.1 g
agua.
Masa de agua (ma): 197.8 ± 0.2 g
4. Datos
Masa del hielo (mh): 7.1 ± 0.1 g
4.1 Calor latente de vaporización
Temperatura ambiente (Ta): 17.6 ± 0.1 oC
Masa del agua 122.2 ± 0.01 g
Temperatura final de equilibrio (Te): 14.7 ± 0.1 oC En la referencia [2] el cual es el laboratorio que hicimos
Tiempo 1 (s) ± Tiempo 2 0,01 s (s) ± 0,01 s
Temperatura 1 (°C) ± 0,1 °C
Temperatura 2 (°C) ± 0,1 °C
de capacidad calorífica obtuvimos experimentalmente el
514,217 s
15,8 °C
91,9 °C
valor del calor específico del agua la cual nos dio:
2344,619 s
Tabla 2. Datos vaporización
Donde el tiempo 1 (t1) es el tardado en llegar a punto de ebullición, el t2 el tardado en vaporización, la
Con un error:
temperatura 1(T1) es la inicial del fluido (ambiente) y la temperatura 2 (T2) es la de ebullición. De la ecuación (3) sabiendo que el calor específico del
También obtuvimos el equivalente en agua del
agua es uno obtenemos que el calor latente del agua es:
calorímetro el cual es: Equivalente mecánico en agua (k): 28.35±1.9g
Y utilizando la ecuación (7) y con los datos anteriores podemos obtener el valor del calor latente Luego el error de propagación en medida del calor
de fusión del hielo:
latente usando la siguiente ecuación:
Entonces: Con un error de: Sin embargo este error es solamente el instrumental y cabe aclarar que este laboratorio presenta un error de apreciación bastante considerable a la hora de encontrar
Por lo que se deduce que hubo errores durante la
la temperatura exacta de ebullición, además de
medición de los eventos para el cálculo del calor
fenómenos de condensación.
latente de fusión del hielo. 5. Conclusiones
Por lo que se deduce que hubo errores durante la medición de los eventos para el cálculo del calor latente de vaporización.
Como podemos observar para realizar esta práctica fue necesario recurrir a datos obtenidos en prácticas anteriores para poder realizar el cálculo del calor latente. Además vemos que de los datos obtenidos para este
cálculo obtuvimos un porcentaje de error de 24.8% lo
tros/fusion/fusion.htm>
cual nos indica que hubo algún error en la medición y
noviembre de 2014].
toma de datos. Teniendo en cuenta además que al utilizar
[5]
[citado en 15 de
ÁNGEL FRANCO GARCÍA. Calor latente
los datos de prácticas anteriores para obtener el calor
vaporización
especifico del agua, el cual tiene también un porcentaje
de error de 19%, de alguna manera se suma este error al
tros/latente/latente.htm>
error del cálculo del calor latente, pues de por si el valor
noviembre de 2014].
del calor especifico ya presenta un error en las mediciones. Finalmente también podemos concluir, que aunque se obtuvo un error de 24.8% el valor del calor latente de fusión no se encuentra tan alejado del valor teórico que se esperaba. El valor del calor latente de vaporización presenta cierta desconfianza a la hora de su cálculo por lo tanto el valor de ∆Lv es el mínimo error presente en la medida, y no
constituye para nada un valor numérico cercano al valor real. El calor de vaporización del agua depende de los factores ambientales, como presión atmosférica por ejemplo y, en vista de ello podemos atrevernos a decir que este calor latente es diferente en otras ciudades Colombianas.
6. Referencias [1]
RAYMOND A. SERWAY. Física: calor y primera ley de la termodinámica. 1 ed. México: NUEVA EDITORIAL INTERAMERICANA, 1985. p 357-358. ISBN: 968-25-0170-9.
[2]
Escobar, E. Salazar, D. Salamanca, J. Rayo, J. Capacidad calorífica en líquidos y sólidos. (octubre, 2014).
[3]
YOUNG,
HUGH
D.
y
ROGER
A.
FREEDMAN. Física universitaria volumen 1: temperatura y calor. Decimosegunda edición. México: PEARSON EDUCACION, 2009. p 586-589. ISBN: 978-607-442-288-7. [4]
ÁNGEL FRANCO GARCÍA. Calor latente de fusión.
[en
línea].
del
agua.
[en
línea].
[citado en 15 de
