Calor Latente De Fusion 2a4a1d

CALOR LATENTE DE FUSIÓN Universidad de Cartagena, Ingeniería Química Cañaveral Velásquez Briyith1, Hernández Díaz Cristian1, Madero Perea Vivian1, Rodríguez Cervantes Reynolds1, Maza Galofre Ruben2 1

Estudiantes de Ingeniería Química Profesor de Física III y laboratorio

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RESUMEN La fusión de una sustancia consiste en el cambio de estado de dicha sustancia de solido a líquido, donde es necesario proporcionar calor al sólido para que se dé un cambio de estado. El principal objetivo de esta experiencia teórico-práctica, es determinar experimentalmente el calor latente de fusión del hielo, teniendo en cuenta la propiedad de la sustancia a analizar y la presión a la que esta se encuentra, como también los conceptos de las leyes de la fusión a sistemas termodinámicos, cambio de estado, calor de fusión y la conservación de la energía en sistemas con transferencia de calor entre otros. Adicionalmente, se aprecian y se analizan los fenómenos físicos que intervienen y suceden al momento de realizar el procedimiento experimental. PALABRAS CLAVES: Fase, Cambio de fase, Energía interna, Fusión, Calor de Fusión, Calorímetro, Temperatura. ABSTRACT Melting a substance consisting of the state change of the substance from solid to liquid, which is necessary to provide heat to the solid is given a change of state. The main objective of this theoretical and practical experience, it is experimentally determine the latent heat of fusion of ice, considering the property of the analyte and this pressure is, as the concepts of the laws of fusion thermodynamic systems, change of state, heat of fusion and energy conservation in heat transfer systems among others. Additionally, appreciate and analyze physical phenomena involved and occur at the time of the experimental procedure. KEYWORDS: Phase, Phase Change, Internal Energy, Fusion, Heat of Fusion, Calorimeter, Temperature. 1. INTRODUCCION El termino fase se usa para describir un estado especifico de la materia (sólido, líquido o gas).

Una sustancia se somete a un cambio de temperatura cuando cierta cantidad de energía se transfiere entre ella y los alrededores, sin embargo, la trasferencia de energía 1

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no siempre genera un cambio de temperatura, esto ocurre cuando las características físicas de la sustancia cambian, dicho cambio se conoce comúnmente como cambio de fase.

Si se requiere una cantidad de energía para producir el cambio de fase de una sustancia de masa , el calor latente de dicha sustancia está dado por:

Dos cambios de fases comunes son de sólido a líquido (fusión) y de líquido a gas (ebullición), estos cambios van de la mano con un cambio en la energía interna de la sustancia, sin producir cambios de temperatura. En el caso de la ebullición, el rompimiento de los enlaces entre moléculas en estado líquido representa el aumento en energía interna, este rompimiento permite a las moléculas alejarse más entre sí (ya en estado gaseoso), provocando un aumento en la energía potencial intermolecular en la sustancia.

(1) El nombre de calor latente (oculto o aparentemente inactivo) se da debido a que es energía liberada o ganada por una sustancia que no resulta en un cambio de temperatura, sino que se invierte en el cambio de fase de dicha sustancia. Despejando el calor de la ecuación (1): (2) Donde y son la masa y el calor latente de la sustancia estudiada respectivamente.

Esta práctica de laboratorio tiene como objetivo principal medir el calor latente de fusión del hielo, además de analizar los aspectos y fenómenos termodinámicos implicados en la fusión del hielo.

Ahora para la práctica a realizar: (3) Donde , y son el calor de fusión, la masa y el calor latente del hielo respectivamente.

2. MARCO TEORICO Se conoce como fusión al cambio de fase de una sustancia inicialmente en estado sólido a estado líquido.

Y el calor necesario ( ) para elevar la temperatura del hielo será: (

Como es de esperar, diferentes sustancias responden de manera diferente a la adición o liberación de energía mientras cambian de fase, esto se debe a que cambian sus ordenamientos moleculares internos.

)

(4)

Donde y son la masa y el calor especifico del hielo respectivamente y es la temperatura de equilibrio. Nótese que el cero en la ecuación anterior corresponde a la temperatura inicial del hielo. 2

Cañaveral B., Hernández C., Madero V., Rodríguez R.

Luego el calor ganado por el hielo será:

usado, es la temperatura inicial del agua y es la temperatura en el equilibrio.

(5)

3. PROCEDIMIENTO

Reemplazando se tiene: (6)

Materiales:

Donde , y son la masa, el calor especifico y el calor latente del hielo respectivamente y es la temperatura de equilibrio.

   

Y el calor cedido por el agua (liquido) será:

  

(

)(

)

(7)

Con el objetivo de determinar de manera experimental, el valor del calor latente de fusión del hielo y de igual forma analizar el comportamiento y fenómenos físicos en el sistema, se realizan el siguiente experimento:

Donde y son la masa y el calor especifico del agua, es el equivalente en agua del calorímetro usado, es la temperatura inicial del agua y es la temperatura de equilibrio. Como el calorímetro representa un sistema aislado térmicamente:

En primera instancia, se limpian y se verifica el estado de los instrumentos de laboratorio a emplear en el procedimiento experimental. Mediante el uso de una balanza, se determinan y se registran el peso del calorímetro y el recipiente metálico sin agua y con 150 mL de esta.

(8) Reemplazando: (

)(

)

(9)

Despejando : (

)(

)

Calorímetro Probeta graduada de 500 cc Termómetros Recipientes metálicos para calentar agua Estufa eléctrica Balanza Hielo

Inicialmente, se vierten 150 mL de agua en un recipiente metálico y 100120 g de hielo en el calorímetro. Luego, se calienta el recipiente metálico con el fluido en una estufa eléctrica y mediante el uso de un termómetro se controla la temperatura a la que se encuentra el

(10)

Donde y son la masa y el calor especifico del hielo respectivamente, y son la masa y el calor especifico del agua, es el equivalente en agua del calorímetro 3

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agua dentro del recipiente, hasta llegar a los 45°C aproximadamente.

inicial del agua en el calorímetro, Te es la temperatura de equilibrio y mh es la masa de hielo fundido

Seguidamente, se retira de la estufa el recipiente metálico con agua al alcanzar los 45°C aproximadamente, y consecutivamente se registra la temperatura del hielo dentro del calorímetro y del agua en el recipiente metálico.

En la tabla 2 se muestra los valores de la equivalencia en gramo obtenida en la práctica de laboratorio de Equivalente en agua de un calorímetro, el calor latente de fusión teórico y experimental, con su porcentaje de error

Posteriormente, se vierte el agua dentro del recipiente metálico en el calorímetro, se tapa y se agita suavemente, rápidamente se mide la temperatura dentro del calorímetro y se registra dicha temperatura en el momento en que se alcance una temperatura de estabilización.

TABLA 2. Calor latente de Fusión A (kg) 0,0229 0,0229 0,0229

L.T (KJ/Kg) 334

L.Exp (KJ/Kg) 376,20 384,05 384,68

%e 11,21 13,03 13,18

Donde A es el promedio experimental del equivalente en agua de una calorímetro calculado en prácticas anteriores de laboratorios, L.T es el valor teórico del calor latente de fusión, L.Exp es el valor experimental calculado del calor latente de fusión y %e es el porcentaje de error

Finalmente, se retira el termómetro dentro del calorímetro y se vierte el agua en una probeta graduada, vacía y seca, con el fin de determinar el equivalente de hielo dentro del calorímetro, descontando el volumen total del agua en la probeta y los 150 mL iniciales dentro del calorímetro.

La ecuación usada para hallar el valor del calor latente de fusión fue la anteriormente descrita (10) y la del porcentaje de error es la siguiente

4. RESULTADOS En la tabla 1 se encuentra consignados los datos tomados experimentalmente en el laboratorio

|

TABLA 1. Datos Experimentales

|

(

)

Dónde: V.T es el valor teórico y V.Exp es el valor experimental

ma (Kg) T1 (°C) Te (°C) mh (Kg) 0,15 54 0,2 0,246 0,15 54 0,2 0,241 0,15 55 0,3 0,244 Donde ma es la masa inicial en el calorímetro, T1 es la temperatura

5. DISCUSIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS Al realizar el análisis de los datos obtenidos en la práctica de 4

Cañaveral B., Hernández C., Madero V., Rodríguez R.

laboratorio podemos notar que los porcentajes error se encuentran fuera del intervalo de aceptación de estos, pero aun estas cifras no son tan alejadas de tal intervalo; después de considerar las razones de lo ocurrido se llega a la conclusión que esto fue causado por errores humanos realizados en la práctica como la reutilización del agua saliente del calorímetro después de ser mezclada con el hielo, se ha llegado aquí por el concepto de fusión ya que nos dice que la masa que se fusiona absorberá calor de la masa a su alrededor, si este tiene más calor que él, hasta alcanzar el equilibrio térmico mas no calórico, por lo que si se utiliza tal líquido resultante la repetición de la práctica no se hará con las mismas condiciones que la primera. Además existen otros factores causantes de error en lo resultados como la utilización del agitador, sabemos que este instrumento con su movimiento es favorable para que la fusión sea menos demorado, pero si este llega a rozar con las paredes del calorímetro este creará una fricción la cual otorgará más energía al sistema, es decir, que ya no se conservará la energía dentro del calorímetro, lo que acelerará el proceso de fusión más de lo debido. Para disminuir la pérdida o ganancia de calor más de lo debido es favorable que se tomen ciertas medidas según lo dicho anteriormente además de que se utilice agua destilada la cual estará libre de contaminación y no afectara

en las mediciones experimentales tales como la temperatura de equilibrio, vital en esta práctica. La presión externa es desfavorable para el cálculo latente de fusión ya que este se encarga de disminuir el punto de fusión de cualquier sólido menos denso que su estado líquido realizando erróneos en el análisis de prácticas como esta. Uno de los aportes más comunes en esta experiencia del aporte de energía calorífica es el cambio de estado del hielo, lo hace transfiriendo calor a los átomos del sólido para que estos vibren con más rapidez. A pesar de tales inconvenientes se puede considerar que la práctica ha sido de utilidad en el estudio del calor latente del hielo. CONCLUSIONES Como conclusión de esta práctica de laboratorio se tiene que si se agrega calor a un hielo a 0 ºC (en esta práctica el calor proviene del agua que se encuentra a mayor temperatura que el hielo), la temperatura del hielo no aumenta como es de esperar, esto se debe a que en vez de manifestarse en un cambio de temperatura, la energía se invierte en el cambio de fase del hielo de solido a liquido (fusión). Por lo que también se puede concluir que un cambio de fase se da a temperatura constante y esto se pudo observar en la práctica cuando la temperatura de equilibrio siempre resulto ser muy cercana a cero, más 5

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[4] Giancoli C. Douglas. Física para universitarios, volumen 1 – tercera edición. México, Pearson Educación, 2002, págs. 490-493.

bien casi igual a cero. La diferencia con el valor de temperatura esperado puede deberse a muchos factores termodinámicos como perdidas de calor en el procedimiento, ya que se necesita de medidas muy rigurosas para realizar perfectamente la práctica.

[5] J. M. Smith – H. C. Van Ness – M. M. Abbott. Introducción a la termodinámica en ingeniería química – séptima edición, México, McGraw Hill, 2007, págs. 133 – 135. [6] Yunus A. Cegel – Michael A. Boles. Termodinámica – sexta edición, México, McGraw Hill, 2009, págs. 112 – 126.

Otro aspecto a resaltar observando la ecuación (2) es que a mayor masa de determinada sustancia mayor será la cantidad de calor o energía que habrá que suministrarle para llevarla al cambio de fase, es decir, que el calor y la masa guardan una relación directamente proporcional en este caso, ya que el calor latente es único y depende de cada sustancia. AGRADECIMIENTOS Le agradecemos a la Universidad de Cartagena por brindar un espacio adecuado para realizar practicas de los temas dados teoricamente Agradecemos tambien al profesor Ruben Maza por ser nuestras guia en la practica de laboratorio REFERENCIAS [1] Raymond A. Serway – John W. Jewett. Física para ciencias e ingeniería, volumen 1 –séptima edición. México, Cengage Learning, 2008, págs. 560-563. [2] Hugh D. Young – Roger A. Freedman – A. Lewis Ford. Física universitaria, volumen 1 – decimosegunda edición. México, Pearson Educación, 2009, págs. 586-590. [3] Robert Resnick – David Halliday – Kenneth Krane. Física, volumen 1 – cuarta edición. México, Compañía editorial continental, 2001, págs. 610 – 611. .

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