CURVAS DE CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO. Alexandra Avendaño.; Jennifer Tapasco.; Oscar E. Afanador.
[email protected] (01240221),
[email protected](01240159),
[email protected] (01235640) . Facultad de Ciencias Naturales y exactas; Dep. Química; Universidad del valle Cali, Colombia. 18-10-2012 RESUMEN Se realizaron diversos procedimientos, en los cuales se sometieron dos sustancias a una perdida o ganancia de calor para lograr su cambio de estado respectivo, teniendo en cuenta la variación de la temperatura a razón de un tiempo determinado, según lo establecido por el proceso realizado, de lo que se obtuvo diferentes datos, con los cuales se logró determinar las curvas de calentamiento y enfriamiento de dichas sustancias. 1. DATOS Parte 1. Curva de calentamiento del agua En un vaso de 200 ml se agregó una cantidad de agua sólida, se pesó (22.38g) y se le tomó la temperatura inicial (1.3oC). El vaso se colocó en una estufa digital y dentro de él se introdujo un magneto, el cual aceleraba el calentamiento, se empezó a calentar suavemente con buena agitación hasta que se fundió el sólido, de lo que se tomó la temperatura cada 30 segundos. Luego se aumentó la velocidad de calentamiento y se siguió midiendo la temperatura cada 30 segundos hasta que el líquido empezó la ebullición; de esto se siguió tomando la temperatura durante 2 minutos. Para terminar se dejó enfriar y se determinó la masa final del agua. (Tabla No.1) Masa inicial H2O: 22.38 g Masa final H2O: 15.6 g
Tabla No.1 Registro de la variación de la temperatura del hielo cada 30 s al suministrarle calor hasta que se fundiera y se evaporara. Tiempo (s) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 T14 T15 T16 T17 T18 T19 T20 T21 T22 T23 T24 T25 T26 T27 T28 T29 T30 T31 T23 T24 T25
Temperatura (°C) 1.8 5.3 10.9 15.8 17.8 19.2 20.3 21.3 22.5 24.3 26.3 27.4 32.4 32.4 32.4 32.4 36.3 39.8 43.5 45.8 50.3 55.8 59.9 64.6 68.8 70.1 75.2 82.3 89.3 91.0 94.3 94.7 96.2 96.2
T26
96.4
Parte 2. Curva de enfriamiento del agua y el etanol. En un vaso de precipitados de 50 ml se vertió agua destilada y se calentó hasta que comenzó la ebullición. Se introdujo un termómetro al vaso y se determinó la temperatura inicial. (95.3 oC). luego se retiró la fuente de calor y se siguió tomando la temperatura cada 30 segundos hasta que bajó a 34.7oC (Tabla No. 2.). Posterior a esto se introdujo el vaso con el termómetro en otro vaso de 200 ml que contenía una mezcla frigorífica de hielo-sal y se siguió determinando la variación de la temperatura cada 15 segundos. Cuando la lectura del termómetro se estabilizó, se tomó datos durante dos minutos más (Tabla No. 3.). El procedimiento anterior, se repitió utilizando 10 ml de alcohol etílico, después de que comenzó la ebullición se introdujo un termómetro al vaso y se determinó la temperatura inicial. (75.3 oC). luego se retiró la fuente de calor y se siguió tomando la temperatura cada 30 segundos hasta que bajó a 34.8oC (Tabla No. 4.), al introducir el vaso a la mezcla frigorífica de hielo-sal, se siguió tomando la variación de la temperatura cada 15 segundos. (Tabla No. 5.)
Tabla No. 2 Datos de la variación de la temperatura del agua cada 30 segundos al retirarle la fuente de calor. Tiempo (s) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 T14 T15 T16 T17 T18 T19 T20 T21 T22 T23 T24 T25 T26 T27 T28 T29 T30 T31 T32 T33 T34 T35 T36 T37 T38 T39 T40 T41 T42 T43 T44 T45
Temperatura (°C) 87.4 83.2 78.9 75.5 72.2 69.1 67.6 65.4 63.7 61.4 60.2 58.8 57.3 56.0 54.9 53.8 52.7 51.7 50.8 49.9 49.0 48.3 47.4 46.2 45.5 44.2 43.6 43.1 42.7 42.1 41.8 41.3 40.9 39.9 38.6 37.8 36.5 36.0 35.8 35.1 34.3 34.3 34.3 34.3 34.3
Tabla No. 3 Datos variación de la temperatura del agua cada 15 segundos después de introducir el vaso a la mezcla frigorífica. Tiempo (s) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 T14 T15 T16 T17 T18 T19 T20 T21 T22 T23 T24 T25 T26 T27 T28 T29 T30 T31 T32 T33 T34 T35 T36 T37 T38 T39 T40 T41 T42
Temperatura (°C) 33.6 30.7 29.0 27.2 25.7 17.6 14.0 13.3 12.8 12.4 11.9 11.4 10.9 10.5 10.1 8.5 7.3 6.5 5.8 5.3 4.9 4.7 4.3 3.8 3.5 3.0 2.8 2.6 2.5 2.3 2.1 2.0 1.9 1.3 1.2 0.9 0.9 0.7 0.5 0.2 0.2 0.2
La temperatura se estabilizó a los 0.9o C, después de esto, se siguió tomando datos por dos minutos, pero al minuto la temperatura bajo hasta 0.2oC y no cambio pasados los dos minutos.
Tabla No. 5 Datos de la variación de la temperatura del etanol cada 30 segundos al retirarle la fuente de calor. Tiempo (s) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 T14 T15 T16 T17 T18 T19 T20 T21 T22 T23 T24 T25 T26 T27 T28 T29 T30 T31 T32
Temperatura (°C) 69.5 66.5 66.3 63.5 60.7 58.3 56.0 54.3 51.4 50.9 49.4 48.1 46.9 45.8 44.7 43,7 42.7 41.9 41.1 40.4 39.7 39.0 38.3 37.7 36.6 36.0 35.6 35.2 34.8 34.8 34.8 34.8
Tabla No. 5 Datos variación de la temperatura del etanol cada 15 segundos después de introducir el vaso a la mezcla frigorífica. Tiempo (s) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 T14 T15 T16 T17 T18 T19 T20 T21 T22 T23 T24
Temperatura (°C) 27.5 21.4 17.8 15.1 12.3 8.9 7.5 5.5 5.1 4.1 3.3 2.6 1.9 1.4 0.9 0.6 -0.1 -0.4 -0.7 -0.8 -0.8 -0.8 -0.8 -0.8
La temperatura se estabilizó a los -0.1o C, después de esto, se siguió tomando datos por dos minutos, pero al minuto la temperatura bajo hasta -0.8oC y no cambio pasados los dos minutos. 2. ANÁLISIS DE RESULTADOS Parte 1. Curva de calentamiento del agua Los cambios de estado al que se sometió un cubo de hielo al aplicarle calor, se dieron gracias a las fuerzas intermoleculares que son las fuerzas de atracción entre las moléculas, responsables de las propiedades macroscópicas de la materia como punto de fusión, punto de ebullición, etc. La transformación de un sólido a líquido se conoce como fusión; el punto de fusión de un sólido es la temperatura a la cual las fases sólidas y líquidas coexisten en el
equilibrio. Una demostración práctica de este equilibrio dinámico se dio con el bloque de hielo, el cual es un sólido cristalino, en donde sus moléculas están ordenadas en arreglos o patrones regulares repetitivos definidos y las fuerzas netas de atracción entre éstas moléculas están en su máximo, por esto no tienen libertad de movimiento si no que vibran en posiciones fijas. Después de haberle aplicado calor al bloque de hielo por determinado tiempo, éste comenzó a fundirse a una temperatura de 32.4oC, lo cual indicó la débil atracción entre las moléculas ocasionada por el aumento en la temperatura, ya que a medida que se calentaba el sólido , éste absorbía o ganaba calor y así su temperatura aumentó hasta que alcanzó su punto de fusión, debido a que a esta temperatura, la energía cinética promedio de las moléculas se ha vuelto lo bastante grande como para comenzar a superar las fuerzas intermoleculares que las mantenían juntas en el estado sólido. Luego de que alcanzó su punto de fusión, la temperatura se mantuvo constante por un lapso de tiempo, producto del equilibrio que se da mientras la sustancia se funde por completo, de lo que se indujo que durante esta transición la energía cinética promedio de las moléculas no cambió. Una vez que la sustancia se fundió por completo, se siguió aplicando calor al líquido, lo que generó que la sustancia absorbiera una mayor cantidad de calor y por ende ayudó a aumentar su temperatura hasta que alcanzó el punto de ebullición (96.2oC), aquí ocurrió la transición de la fase líquida a la gaseosa en la cual el calor absorbido se usó para romper las fuerzas intermoleculares que unían a las moléculas en la fase liquida; de nuevo la temperatura se mantuvo constante por un
tiempo, como respuesta al equilibrio que se daba entre el estado líquido-gaseoso mientras el líquido pasaba por completo al estado gaseoso. Una vez que esta transición llegó a su fin la temperatura del gas aumentó cuando se le aplicó más calor. Al finalizar se calculó la masa la cual fue menor a la masa inicial, esto debido a que cierta cantidad de líquido se evaporo. Parte 2. Enfriamiento del agua y el etanol. La teoría cinética molecular, se basa en la suposición de que toda materia esta constituida de diminutas partículas en constante movimiento llamadas moléculas. Al calentarse el agua y el etanol se logró que estas alcanzaran la ebullición, (95.3 oC y 75.3oC respectivamente), estado en el cual las moléculas están muy separadas y las fuerzas intermoleculares son tan pequeñas que las partículas se mueven con gran libertad. Luego la temperatura de las dos sustancias comenzó a disminuir, logrando alcanzar el agua una temperatura de 34.3 oC y el etanol de 34.8oC, temperatura en la cual estas sustancias comenzaron a cambiar del estado gaseoso al estado líquido, producto de una perdida de calor y disminución en la temperatura de las mismas, lo que ocasionó la reducción de la velocidad de las moléculas del gas aumentando las fuerzas de atracción entre éstas, obligándolas a unirse y pasar a formar parte del estado líquido; este es el proceso de una condensación y mientras se condesaban por completo, ocurrió, que la temperatura permaneció constante por un tiempo. Posteriormente se pasaron las soluciones a una mezcla frigorífica, los sistemas comenzaron a disminuir gradualmente su temperatura, buscando
equilibrarse con la de la mezcla frigorífica. El sistema de agua y la mezcla frigorífica lograron estabilizarse completamente a una temperatura de 0.9°C; mientras que el sistema de etanol logró estabilizarse a una temperatura de – 0.8°C, temperatura en la cual estas soluciones empezaron a formar parte del estado sólido, esto se dio, ya que, al seguir disminuyendo la temperatura del liquido las moléculas perdieron cada vez más energía y por ende su velocidad se redujo, obligándolas a estar lo mas cerca posible, causando un incremento en las fuerzas de atracción entre las moléculas y reduciendo su movimiento hasta que se logro así, alcanzar la solidificación. De esto también se observó, que la temperatura de condensación del agua es menor a la temperatura de condensación del etanol, lo que predice un punto de ebullición mayor para el agua en comparación con el etanol, ya que al tener el agua una temperatura menor de condensación sus partículas estarán más juntas y por ende las fuerzas intermoleculares serán mayores ya que la energía cinética promedio de las moléculas a disminuido más en el agua, y para lograr que ésta se evapore se necesitará más energía para romper las fuerzas que unen las moléculas del agua que las fuerzas que unen las moléculas del etanol.
3. SOLUCIÓN AL CUESTIONARIO. 1. ¿QUE SE ENTIENDE POR CALOR ESPECIFICO? Calor específico, es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 1gr de una sustancia en un grado, es decir, es la capacidad de una sustancia de absorber y almacenar energía térmica, por esto el calor específico es una propiedad intensiva; no depende de la cantidad de materia. El calor específico depende de la temperatura. 2. ¿QUÉ SE ENTIENDE POR CALOR LATENTE? 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).Se debe tener en cuenta que esta energía en forma de calor se invierte para el cambio de fase y no para un aumento de la temperatura; por tanto al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se libera la misma cantidad de energía. 3. ¿QUÉ SE ENTIENDE POR CALOR? El calor es la energía que se intercambia entre un sistema y sus alrededores como resultado de una diferencia de temperaturas. La energía en forma de calor, pasa desde el cuerpo mas caliente (con una temperatura mas alta) hasta el cuerpo mas frio (con una temperatura mas baja). A nivel molecular las moléculas del cuerpo más caliente ceden energía cinética a través de colisiones a las moléculas del cuerpo más frio. La energía térmica se transfieres, es decir, el calor fluye hasta que se igualan los valores medios de la energías cinéticas moleculares de los dos cuerpos; hasta que las temperaturas se igualan. El calor como el trabajo, describe la energía en transito entre un sistema y sus alrededores. La transferencia de calor puede no solo causar la modificación de la
temperatura si no también el estado de la materia 4. REALICE LAS CURVAS DE CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO DEL AGUA Y DEL ETANOL.
Temperatura
120 100 80 60 40 20 0
tiempo (s)
120 100 80 60 temperatura
40 20 0
tiempo(s)
temperatura
80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 tiempo(s)
Q2=m∗L S 5. EXPLIQUE LA DIFERENCIA DE LOS PUNTOS DE CONGELACIÓN DEL AGUA Y DEL ETANOL.
Q2=22.38
g∗1 Kg ∗334000 J /kg 1000 g 3
El punto de congelación del agua es mayor frente al punto de congelación del etanol ya que las fuerzas intermoleculares que actúan en el agua son mas fuertes que las fuerzas intermoleculares que actúan en el etanol, resultado de poseer el agua dos puentes de hidrogeno y el alcohol solo uno.
Q2=7.4749 X 10 J Q 3=m∗Cel∗(T e −T f ) Q3=22.38
g∗1 Kg ∗4.186 J /kg . ℃ ( 96.2 ° C−32.4 ° C ) 1000 g
Q3=5.9769 X 103 J 6. DETERMINE EN LAS CURVAS, LAS TEMPERATURAS DE FUSIÓN Y EBULLICIÓN DEL AGUA Y EL ETANOL. Etanol Temperatura de fusión: 75.3oC Temperatura de ebullición:-0.8oC Agua: Temperatura de fusión: 0.9 Temperatura de ebullición: 95.3oC 7. DETERMINE LA CANTIDAD DE CALOR ABSORBIDO POR EL AGUA EN LA PARTE 1. ASUMA QUE LA DIFERENCIA EN LAS MASAS DE AGUA INICIAL Y FINAL SE DEBE EXCLUSIVAMENTE AL PROCESO DE VAPORIZACIÓN EN EL PUNTO DE EBULLICIÓN. Q 1=m∗Ces∗(T f −T i) Q1=22.38
Q4 =m∗Lv Q4 =22.38
g∗1 Kg ∗2260000 J /kg 1000 g 3
Q4 =50.5788 X 10 J Q5=m∗Cev∗( T F −T e ) Q5=22.38
g∗1 K g ∗2.020 J /kg .℃ ( 96.2° C−96.2° C ) 1000 g
Q5=0 J La cantidad de calor absorbido por el agua en la parte uno fue: Qt Qt =Q 1+Q2 +Q3 +Q 4+ Q 5
g∗1 Kg ∗2.090 J / kg .℃ ( 32.4 ° C−1.3 ° C ) Q =1.4546 X 10 3 J +7.4749 X 103 J + 5.9769 X 103 J +50.5788 t 1000 g
Q1=1.4546 X 103 J
Calor absorbido por el agua: Convenciones: Ces: calor específico de la sustancia solida Cel: calor específico de la sustancia liquida
Qt =65.49424 x 103 J Cev: calor específico de la vaporizada LV: calor latente de vaporización Ls: calor latente de fusión
sustancia
Ti: temperatura inicial Tf: temperatura de fusión TF: temperatura final Te: temperatura de ebullición m: Masa 8. DETERMINE LA CANTIDAD DE CALOR CEDIDA POR EL AGUA DE LA PARTE 2. ASUMA QUE NO HUBO PÉRDIDAS DE LÍQUIDO POR VAPORIZACIÓN DURANTE TODO EL PROCESO. Se considera que el calor extraído es negativo para el proceso de enfriamiento, y por lo tanto al signo de los calores latentes de enfriamiento se le asigna signo negativo. Q1=m∗Cev∗(T e −T i ) Q1=22.38 Q1=0 J
Q5=22.38
g∗1 Kg ∗2.090 J /kg . ℃ ( 0.9° C−34.3 ° C ) 1000 g 3
Q5=−1.5623 X 10 J La cantidad de calor cedida por el agua en la parte dos fue: Qt Qt =Q 1+Q2 +Q3 +Q 4+ Q 5
Qt =0 J +(−50.5788 X 103 J )+(−5.7989 X 103 J )+(−7.4749 X 3
Qt =−65.4149 x 10 J
g∗1 Kg ∗2.020 J /kg .℃ ( 95.3° C−95.3 °C ) 1000 g 9. REPITA LOS MISMOS CÁLCULOS PARA EL ALCOHOL ETÍLICO ASUMA QUE NO HUBO PÉRDIDAS DE LIQUIDO POR VAPORIZACIÓN DURANTE TODO EL PROCESO.
Q2=m∗L v Q2=22.38
Q 5=m∗Ces∗(T F −T f )
m=d x v g∗1 Kg ∗−2260000 J /kg 1000 g 3
Q2=−50.5788 X 10 J
d = densidad del etanol v = volumen que se utilizo de etanol m= masa del etanol m=0.789 g/ ml x 10 ml=7.89 g
Se considera que el calor extraído es negativo para el proceso de enfriamiento, y por lo tanto al signo de los calores latentes g∗1 Kg Q3=22.38 ∗4.186 J / kg . ℃ ( 34.3 ° C−96.2° de C ) enfriamiento se le asigna signo negativo. 1000 g Q3=m∗Cel∗(T f −T e )
Q3=−5.7989 X 10 3 J
Q 1=m∗Cev∗(T e −T i ) Q1=7.89
Q4 =m∗LS g∗1 Kg Q4 =22.38 ∗−334000 J / kg 1000 g Q4 =−7.4749 X 103 J
g∗1 Kg ∗1.699 J /kg .℃ ( 75.3 °C−75.3 ° C ) 1000 g
Q1=0 J Q2=m∗L v Q2=7.89
g∗1 Kg ∗−8540000 J /kg 1000 g
Q2=−6.7380 X 103 J
http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbasees/thermo/spht.html. consultada el 18-11-2012 Q 3=m∗Cel∗(T f −T e ) Petrucci Ralph, Geoffrey herring, jeffry madura, carey bissonnette, química g∗1 Kg Q3=7.89 ∗2.430 J /kg .℃ ( 34.8 ° C−75.3° C ) general principios y aplicaciones 1000 g modernas, 10 edicion, 1540. Q3=−0776.49 X 103 J
Q4 =m∗LS Q4 =7.89
g∗1 Kg ∗−104000 J /kg 1000 g
Q4 =−0.82056 X 103 J
Q5=m∗Ces∗(T F −T f ) Q5=7.89
g∗1 Kg ∗2.238 J /kg .℃ (−0.8 ° C−34.8° C ) 1000 g
Q5=−0.0006286 X 103 J La cantidad de calor cedida por el agua en la parte dos fue: Qt Qt =Q 1+Q2 +Q3 +Q 4+ Q5 Qt =0 J + (−6.7380 X 103 J ) +(−0776.49 X 103 )J 3
+ (−0.82056 X 10 J )
+
(−0.0006286 X 103 J ) Qt =−784.049 x 103 J
4. REFERENCIAS Rodrigo paredes, Química I, subproyecto No 9, colombia, Cali, 1982,362. Raymond Chang, Química general, novena edición, 1093.
