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informe de termodinamica sobre calor de vaporizacion y de fusion
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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, ColombiaOctubre-2014
[email protected] 1 [email protected] 2
[email protected] 3 [email protected] 4
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.
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. IntroducciónNormalmente una sustancia experimenta un cambio en
la temperatura si se transfiere calor entre ella y su medio,
sin embargo existen casos en lo que el flujo de calor no
conduce a un cambio en la temperatura. Siempre que
ocurre esto, las características físicas de las sustancias
cambian de una forma a otra, lo que se conoce como
cambio de fase.
2. Marco teóricoEl cambio de fase o como comúnmente se denomina
(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
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
se “escondió”.
Durante este laboratorio nos concentraremos en el agua
puesto que sus “bajas” temperaturas para cambiar de
fase nos proporcionan una toma de datos más confiable.
2.1 Medida del calor latente de
vaporizaciónPara 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.
(1)
(2)
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
ΔT: diferencia entre el la temperatura del punto de
ebullición y la temperatura ambiente.
Dividimos las ecuaciones (1) y (2) :
(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.
2.2 Medida del calor latente de fusiónSe introduce una masa m de hielo a un calorímetro con
agua a una temperatura T ligeramente por encima de la
temperatura ambiente Ta y se agita la mezcla hasta que
el hielo se funde completamente. Se elige la masa m del
hielo de modo que la temperatura Te 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)
El calor cedido por el agua es:
(6)
si el calorímetro está perfectamente aislado, no pierde ni
gana calor, se cumplirá que:
Por lo tanto sumando los tres Q y despejando el calor
latente de fusión (Lf) obtenemos:
(7)
Dónde:
k: equivalente en agua del calorímetro
ma: masa del agua en el calorímetro
mh: masa del hielo
Ta: temperatura inicial del agua
Te: temperatura de equilibrio cuando si introduce el
hielo.
2.3 Tabla del calor latente de
vaporización y de fusión de algunas
sustancias.
Tabla 1. Calores latentes.
3. Montaje experimental
3.1. Calor latente de vaporización
Materiales:
Estufa electrica
beaker
Termocupla
Cronometro
Agregamos agua al beaker a una temperatura ambiente
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
continúe evaporándose el sistema hasta que no quede
agua y tomamos el tiempo t2.
Figura 1. (Montaje experimental del calor latente de
vaporización)
3.2. Calor latente de fusión Materiales:
calorímetro
balanza
termómetro
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
ambiente (conociendo el valor de la masa del agua y de
calorímetro por su puesto), y luego vertimos el hielo
entre el calorímetro, batiendo hasta tener una
temperatura de equilibrio, Luego se toma la masa del
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
de calentamiento para el hilo que se está convirtiendo en
agua.
4. Datos
4.1 Calor latente de vaporizaciónMasa del agua 122.2 ± 0.01 g
Tiempo 1 (s) ± 0,01 s
Tiempo 2 (s) ± 0,01 s
Temperatura 1 (°C) ± 0,1 °C
Temperatura 2 (°C) ± 0,1 °C
514,217 s 2344,619 s 15,8 °C 91,9 °CTabla 2. Datos vaporización
Donde el tiempo 1 (t1) es el tardado en llegar a punto de
ebullición, el t2 el tardado en vaporización, la
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
agua es uno obtenemos que el calor latente del agua es:
Luego el error de propagación en medida del calor
latente usando la siguiente ecuación:
Entonces:
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
la temperatura exacta de ebullición, además de
fenómenos de condensación.
Por lo que se deduce que hubo errores durante la
medición de los eventos para el cálculo del calor
latente de vaporización.
4.2 Calor latente de fusión Masa calorímetro: 261.3 ± 0.1 g
Masa de agua (ma): 197.8 ± 0.2 g
Masa del hielo (mh): 7.1 ± 0.1 g
Temperatura ambiente (Ta): 17.6 ± 0.1 oC
Temperatura final de equilibrio (Te): 14.7 ± 0.1 oC
En la referencia [2] el cual es el laboratorio que hicimos
de capacidad calorífica obtuvimos experimentalmente el
valor del calor específico del agua la cual nos dio:
Con un error:
También obtuvimos el equivalente en agua del
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
de fusión del hielo:
Con un error de:
Por lo que se deduce que hubo errores durante la
medición de los eventos para el cálculo del calor
latente de fusión del hielo.
5. Conclusiones
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
cual nos indica que hubo algún error en la medición y
toma de datos. Teniendo en cuenta además que al utilizar
los datos de prácticas anteriores para obtener el calor
especifico del agua, el cual tiene también un porcentaje
de error de 19%, de alguna manera se suma este error al
error del cálculo del calor latente, pues de por si el valor
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].
<http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/o
tros/fusion/fusion.htm> [citado en 15 de
noviembre de 2014].
[5] ÁNGEL FRANCO GARCÍA. Calor latente
vaporización del agua. [en línea].
<http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/o
tros/latente/latente.htm> [citado en 15 de
noviembre de 2014].
