UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA

Facultad: Ingeniería Agroindustrial

Curso: Física 1

Ciclo: III

Tema: Calor latente de fusión del agua

Docente: Secundino Vera Mesa

Práctica: N° 08

Estudiantes:

Arévalo Oliva María

Javier Villanueva Magda

Zapata Oviedo Kevin

Chimbote – Perú

2014

I.Objetivos:

1.1.Medir el calor latente de fusion del agua usando la tecnica de calorimetria

II. Fundamento Teorico:

El calor requerido para cambiar la fase de una sustancia pura de masa m, conocido como calor de transformación, está dada por:

Q=mL

El parámetro L se llama calor latente de la sustancia y depende de la naturaleza del cambio de fase y de las propiedades de la sustancia. La unidad de calor latente es J/Kg. En sí, representa la cantidad de calor por unidad de masa necesaria para un cambio de fase.Aquí dando algunos valores de L para sustancias conocidas, y para los cambios de fase de líquido a solido (fusión), f, y de solido a gas (vaporización),Lv.

Sustancia Punto de Fusion (ºC)

Lf(J/Kg) Punto de ebullición (ºC)

Lv(J/Kg)

Helio -269.65 5.23x104 -268.93 2.09x104

Nitrogeno -209.97 2.55x104 -195.81 2.01x105

Oxigeno -218.79 1.38x104 -182.97 2.13x105

Alcohol etílico -114 10.4x104 78 8.54x105

Agua 0 33.3x104 100.00 2.26x106

Azufre 119 3.81x104 444.60 3.26x105

Plomo 327.3 2.45x104 1750 8.70x105

Aluminio 660 39.7x104 2450 1.14x107

Plata 960.80 8.82x104 2193 2.33x106

Oro 1063.00 6.44x104 2660 1.58x106

Cobre 1083 13.4x104 1187 5.06x106

Los cambios de fase se pueden explicar en base al reacomodo de las moléculas cuando se agrega ose quita calor de la sustancia. Considérese primero el cambio de fase de líquido a gas. Las moléculas en el líquido están más juntas, y las fuerzas entre ellas son más fuertes que en un gas, donde las moléculas se encuentran más separadas. Por lo tanto, en un líquido se debe hacer trabajo sobre las fuerzas moleculares de atracción para poder separar las moléculas. El calor de vaporización es la cantidad de energía que se debe agregar al líquido para lograr esto. Análogamente, durante el proceso de fusión (cambio de fase de sólido a líquido) la amplitud de vibración de los átomos del sólido llega a ser lo suficientemente grande como para vencer las fuerzas de atracción que se mantienen a los átomos en sus posiciones fijas. La energía calorífica que se requiere para fundir por completo cierta masa de un sólido es igual al trabajo que se requiere para romper las ligaduras y transformar a la masa de una fase ordenada de sólido a una fase desordenada de líquido.

El calor sensible es aquel que produce un cambio de temperatura de la masa: Q = mcT; en cambio, el calor de transformación se utiliza totalmente para romper las fuerzas intermoleculares interatómicas de la masa de sólido o líquido, es decir, no produce cambio de temperatura en el cuerpo por lo que los procesos de cambios de fase ocurren a una temperatura y presión fija.

Método calorimétrico para calcular el calor latente de fusión del agua

Consiste en mezclar un bloque de hielo a temperatura TH y de masa conocida con una masa dada de agua en un calorímetro y medir los cambios de temperatura que experimenta el sistema. En la mezcla, el agua del calorímetro, ma con una temperatura inicial Ta y temperatura final T va a ceder una energía total mac(T – Ta) la cual permite:

1. Elevar la temperatura del hielo hasta 0ºC, absorbiendo el calor sensible QH= mHcH(0– TH),

2. Fundir completamente los bloques de hielo utilizando el calor de transformación QL= mHLf ,

3. Elevar la temperatura del agua resultante del hielo hasta la temperatura de equilibrio T, absorbiendo el calor sensible QHa= mHc(T– 0).

En la Figura 1 se muestra esquemáticamente los procesos de enfriamiento del agua (recta: Ta– C) y del calentamiento del hielo (línea quebrada: TH – A-B-C).

Figura1. Gráfica Temperatura. Calor (T vs Q)

Aplicando el principio de conservación de la energía:Qa= QH+ QL+ QHa

– mac(T– Ta) = mHcH(0– TH) + mHLf+mHc(T– 0) (2)donde: ma = masa de agua en el calorímetro c = calor específico del agua Ta= temperatura del agua en el calorímetro mH= masa de hielo cH= calor específico del hielo TH= temperatura inicial del hielo Lf= calor latente de fusión del hielo T = temperatura de equilibrio térmico. Despejando obtenemos:

Lf = mac(Ta– T) - m Hc(T) + m HcH(TH)mH

III. Resumen

IV. Materiales y Equipo

Materiales instrumentos PrecisiónHielo Balanza 0.5Agua vaso de precipitación 0.05

Soporte Metálico Termómetro 19ºC

V. Procedimiento y Datos Experimentales

5.1. Utilice la siguiente técnica para medir masas: Coloque sobre la balanza el calorímetro y presione la tecla “tara” de la balanza electrónica. Vierta en el calorímetro 200g de agua (mA). Anote esta lectura y las siguientes medidas en la Tabla 2.

5.2 Mida la temperatura inicial del agua, Ta.

5.3. Con la misma técnica del ítem 4.1, pero en otro deposito, mida la masa mH de hielo.

5.4. Mida la temperatura inicial del hielo, TH

5.5. Añada hielo al calorímetro, espere que se produzca el equilibrio térmico, y lea la temperatura de equilibrio T.

5.6. Repita los pasos anteriores hasta completar seis series de mediciones, tratando de que la masa de hielo sea constante en cada serie. Anote todas sus mediciones en la Tabla 2.

B= N(ΣXiYi)-( ΣYi)( ΣXi) N(ΣXi

2)-( ΣXi)2

A= (ΣYi )( ΣXi2 )-( ΣX i)( ΣXiYi)

N(ΣXi2)–(ΣXi)2

N mA (Kg) TA (ºC) TH (ºC) mH (Kg) T (ºC)1 0.190 21ºC 0ºC 0.352 2ºC2 0.188 21ºC 0ºC 0.394 3ºC3 0.192 21.5ºC 0ºC 0.192 4ºC4 0.213 19ºC 0ºC 0.275 1ºC5 0.203 19.5ºC 0ºC 0.153 1ºc6 0.210 20ºC 0ºC 0.185 1ºC

Promedio 0.199 20.3ºC 0ºC 0.26 2ºC

VI. Procesamiento y Análisis

6.1 Con los datos de la Tabla 2 utilizando la ecuación 3, obtenga el calor latente de fusión del agua y las cantidades de calor transferidas para cada serie de mediciones. Anote sus respuestas en la tabla 3.

N Lf

(J/Kg)

Calor sensible del agua :QA

(ºC)

Calor sensible del hielo:

QH(ºC)

Calor de transformación del

hielo: QL(Kg)

Calor sensible del agua (hielo fundido): Qha (ºC)

1 8.25 3.61J 0 J 28.16J 0.704J2 5.58 3.38J 0 J 31.52J 1.182J3 13.5 3.36J 0 J 15.36J 0.768J4 12.9 3.83J 0 J 22J 0.275J5 23.5 3.75J 0 J 12.24J 0.153J6 20.6 3.99J 0 J 14.8J 0.185

Promedio 14.1 3.65J 0 J 20.68J 0.544J

6.2 En el mismo sistema de coordenadas Calor-Temperatura trace, en papel milimetrado, la grafica T vs Q para los procesos experimentados por (a) la masa de hielo y (b) la masa de agua del calorímetro. Utilice los promedios de calor que figuran en la Tabla 3 y los promedios de Ta, Th y T de la tabla 2.

ΣXi= 21.92 ΣYi=122ΣXi

2 =80.3976 ΣXiYi =518.82

A= (ΣYi )( ΣXi2 )-( ΣX i)( ΣXiYi) =

N(ΣXi2)–(ΣXi)2

A= (122 )( 80.3976 )-( 21.92)( 518.82) = 31.663 6(80.3976)–(21.92)2

B= N(ΣXiYi)-( ΣYi)( ΣXi) N(ΣXi

2)-( ΣXi)2

B= 6(518.82)-( 122)( 21.92) = -3.1013 6(80.3976)-( 21.92)2

3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4 4.117.5

1818.5

1919.5

2020.5

2121.5

22

f(x) = − 3.10130581297388 x + 31.6634372367312

T vs Q

Series2Linear (Series2)

Calor

Tem

pera

tura

6.3. Fundamente porque es o no consistente el hecho de que la parte del grafico que corresponde al proceso experimentado por la masa de agua, es lineal con pendiente negativa.

6.3. Fundamente por que es o nos consistente el hecho de que la parte del grafico anterior que corresponde al proceso experimentado por la masa de hielo ya convertido en agua de To=0 (temperatura inicial del hielo) a Tf=T (Temperatura de equilibrio), es lineal con pendiente positiva.

VII. Resultados

VIII. Conclusiones

8.1. ¿De que factores depende el calor latente de una sustancia?

8.2. ¿Por qué no hay aumento en la temperatura del hielo durante el proceso de fusión?

8.3. ¿Qué espera que suceda, respecto a la medida experimental del calor latente del hielo, si al hielo que añade el agua dentro del calorímetro, le acompaña una cantidad significativa de agua líquida?

IX. Bibliografía

Sustancia Calor Latente Lf (J/Kg) Calor latente (según textos Lf(J/Kg)

Discrepancia en % respecto del vapor bibliografico