Universidad Autónoma de Chiriquí

Facultad de Medicina

Escuela de Medicina

Laboratorio de Físico Química 235

Laboratorio Nª 6

Calor de fusión del hielo

Profesora: Beverly Rojas

Profesor Asistente: William De Gracia

Estudiantes:

Arauz Leticia 4-755-1502Morales Lidenis 4-766-2414

Osorio Guadalupe 9-739-1827Santamaría Angelis 4-762-1557

II Segundo año de Medicina

II Semestre

15 de octubre de 2012

EXPERIMENTO Nº6

CALOR DE FUSION DEL HIELO

OBJETIVOS

1. Comprobar que los cambios de estados se producen a temperaturas constantes.2. Analizar los procesos termodinámicos asociados a cambios de estados.3. Determinar el calor latente de fusión del hielo.

RESUMEN

En esta experiencia se logro determinar el calor de fusión del hielo empleado un

calorímetro para el cual calibramos el calor de específico, a partir de este procedimiento se

realizaron tres medidas de peso y temperatura en equilibrio de la mezcla de hielo y agua,

finalmente mediante los cálculos se obtuvo un valor de 332 x103 J/Kg para el calor de

fusión del hielo, al comparar este resultado con el valor teórico que corresponde a 334 x103

J/Kg se aprecia una medida bastante exacta con bajo porcentaje de error.

MARCO TEORICO

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). Cuando

se aplica calor al hielo, va ascendiendo su temperatura hasta que llega a 0 °C (temperatura

de cambio de fase), a partir de entonces, aun cuando se le siga aplicando calor, la

temperatura no cambia hasta que se haya fundido del todo. Esto se debe a que el calor se

emplea en la fusión del hielo.

Una sustancia experimenta un cambio de temperatura cuando absorbe o cede calor al

ambiente que le rodea. Sin embargo, cuando una sustancia cambia de fase absorbe o cede

calor sin que se produzca un cambio de su temperatura. El calor Q que es necesario aportar

para que una masa m de cierta sustancia cambie de fase es igual a: Q=mL, donde L se

denomina calor latente de la sustancia y depende del tipo de cambio de fase. Para que el

agua cambie de sólido (hielo) a líquido, a 0ºC se necesitan 334000 J/kg o 334 kJ/kg. (1)

Una de las formas de determinar el calor latente de cambio de estado es por el método de

las mezclas. Consiste en mezclar dos sustancias (o una misma en dos estados de agregación

distintos) a diferentes temperaturas, de manera que una de ellas ceda calor a la otra y la

temperatura del equilibrio final es tal que una de ellas al alcanzarla, realiza un cambio de

estado. Una condición importante es que no haya pérdidas caloríficas con el medio exterior.

Se ha de tener en cuenta la cantidad de calor absorbida por el calorímetro, por medio de su

equivalente en agua K.

Este experimento se realiza con agua a una temperatura superior a 0ºC e inferior a 100ºC

por

tanto en estado líquido, y con hielo fundente a 0ºC. Si M es la masa inicial de agua, en este

caso la sustancia caliente y m es la masa del hielo fundente y K el equivalente en agua del

calorímetro; T0 la temperatura del agua y calorímetro, antes de la mezcla, T la temperatura

final del equilibrio, c el calor específico del agua líquida, que tomaremos como (1,0 ± 0,1)

cal/gºC y L el calor latente de fusión del agua, valor que queremos determinar, un simple

balance energético conduce a:

Mc (T0 –T) + K( T0 –T) = mL + mc (T −0)

Q cedido = Q absorbido

Donde: (2)

MATERIALES

Vaso

químico

Termómetro

Probeta

Calorímetro Hielo

Balanza Plancha

PROCEDIMIENTOS

Calibración del calorímetro

Calor latente de fusión del hielo

Pesar el calorímetroMedir 200mL de

agua a temperatura ambiente.

Leer t1. Colocar en el calorímetro y

pesar.

Medir 100mL de agua caliente a

aproximadamente 70°C leer t2.

Transferir el agua al calorímetro agitar.

Leer t3.

Calcular Ce del calorímetro.

Pesar el calorímetro

vacio.

Pesar el calorímetro con

250 mL de agua. Leer la temperatura

(t1).

Medir la temperatura del

hielo (t2).

Pesar el hielo transferir al calorímetro.

Medir la temperatura de equilibrio (t3).

Repetir 3 vecesRealizar cálculos.

RESULTADOS

Peso del calorímetro

T1 del agua fría

°C

Peso del calorímetro + agua fría

T2 del agua caliente °C

T3 del equilibrio °C

Peso en el equilibrio

5.23g 24.0°C 193.04g 70 °C 41°C 285.855.29g 23.0°C 191.14g 70°C 39°C 287.585.28g 23.3°C 189.04g 70°C 40°C 287.23Promedio: 5.27g 23.4°C 191.07g 70°C 40°C 286.89g

Para calcular el calor específico del calorímetro se utiliza:

Ce=mc CeH 2 O ∆ T H 2 O caliente−m f CeH 2 O ∆ T H 2 O fria

m∆ Tcalorimetro

mc=¿ masa final – (masa H2O fría + calorímetro)mc=¿ 286.89g-191.07 = 95.82g

mf =¿ (masa H2O fría + calorímetro) - masa calorímetromf =¿ 191.07g-5.27g =185.8g

∆ T H 2O caliente= T3-T2∆ T H 2O caliente= |70-40|= 30°C

∆ T H 2O Fria=∆ T H 2O calorimetro=T3-T1 ∆ T H 2O Fria=∆ T H 2O calorimetro=40-23.4=16.6°C

Ce=(95.81 g ) (4.18 J . g . ° C )(30 ° C)−(185.8 g ) (4.18 J . g . ° C )(16.6 ° C)

(5.27g )(30 °C )

Ce=12014.574−12892.2904158.1

Dónde:mc=¿ masa final – (masa H2O fría + calorímetro)mf =¿ (masa H2O fría + calorímetro) - masa calorímetro∆ T H 2O caliente= T3-T2∆ T H 2O Fria=∆ T H 2O calorimetro=T3-T1

Ce=−5.55 J /g ° C

Peso del calorímetro

T1 del agua

fría °C

Peso del calorímetro+ agua fría

T2 del hielo

T3 en equilibrio

Peso del hielo

Peso en equilibrio

5.29g 24°C 246.29g 0°C 15 °C267.85-246.27=

21.6g

267.89g 5.29g 24°C 246.44g 0°C 15°C 268.68g5.28g 23°C 246.10g 0°C 16°C 266.98gPromedio: 5.29g 24°C 246.27g 0°C 16°C 267.85g

∆ Hf =Qliberado−Qabsorvidom (kg ) calorimetro

Donde:

∆ Hf =mCe (T 3−T 2 ) calorimetro+⌊mCe(T 3−T 1) H 2O fria−mCe ∆ Thielo ⌋

m (kg )calorimetro

T3-T2=|313-343|= 30° CT3-T1 =|297-289|=8° Cmc=¿ masa final – (masa H2O fría + calorímetro)mc=¿ 286.89g-191.07 = 95.82g

mf =¿ (masa H2O fría con hielo + calorímetro) - masa calorímetromf =¿ 246.27-5.29=240.98g

Lf =(5 . 29 g ) (−5 .55 J / gC ) (30 °C )+⌊ (240. 98 g ) (4 .18 J / g ) (8 °C )− (21 . 6 g ) (2. 090 J / gC ) (0 ° C ) ⌋

0 . 0216 kg

Lf =−880.785 J+8058.3712 J−0 J0.0216 kg

Lf =332 x103 Jkg

=¿

Porcentaje de error:

% deerror= valor teório−valor experimentalvalor teórico

x 100

% deerror=333.5 x103 J / kg−332 x103 J /kg333.5 x103 J /kg

x100=0.45 %

DISCUSIÓN

En esta experiencia se realizaron dos procedimientos, uno para calibrar el calorímetro que

utilizaríamos y otro para obtener l calor de fusión del hielo, en cada uno se realizaron tres

repeticiones para obtener un promedio obteniéndose en la primera de calibración del

calorímetro un valor de −5 .55 J /gK que corresponde al calor especifico del calorímetro es

decir la cantidad de calor que es capaz de mantener el aparato. En este caso  el cambio de

temperatura experimentado por un objeto cuando absorbe cierta cantidad de energía está

controlado por su capacidad calorífica, así, Cuando un sistema con una masa m1, se pone

en contacto con un sistema con una masa m2, donde m1> m2, que está a diferente

temperatura, fluye calor entre ellos hasta alcanzar una temperatura de equilibrio próxima a

la del sistema de masa mayor; se dice entonces que una cantidad de calor ΔQ se transfiere

desde el sistema de mayor temperatura al sistema de menor temperatura, de esta forma se

calibra el aparato a utilizar.

Un calorímetro a presión constante como el que utilizamos refleja en realidad el valor de la

entalpia o  medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema

termodinámico, cuando la entalpia se realiza en procesos de cambio de estado se le

denomina calor de fusión o calor de vaporización dependiendo del estado en el que se

encuentra o que se realice el proceso. En este caso buscábamos la entalpía de fusión del

hielo o calor “latente” de fusión, Lf conocemos que es la cantidad de calor necesaria para

pasar la unidad de masa de hielo del estado sólido al líquido a la temperatura de fusión del

mismo. Si la presión bajo la cual se produce el cambio de fase se mantiene

constante e igual a 1 atmósfera, la temperatura de fusión también se mantiene constante y

es igual a 0ºC. Lo que sucede es que cuando el hielo se funde la ganancia de energía se

convierte en trabajo de contracción de volumen pues el hielo es más denso que el agua a la

misma temperatura y en este proceso se tiende a aumentar la entropía. Cuando una masa de

hielo cambia de estado sólido al líquido, a presión y temperatura constantes, absorbe de su

entorno una energía igual a:

Lf = 79 kcal/kg = 333.5 kJ/kg que es el valor teórico de la experiencia

Lo que realizamos fue mediciones de cómo variaba la temperatura de la mezcla de agua y

hielo cuando éste se funde.

Y como no queremos poseer intercambios de calor con el entorno se realiza la prueba en el

calorímetro previamente calibrado, de forma que cuando colocamos un líquido a

temperatura distinta de la suya, el calorímetro absorbe (o cede) algo de calor. Este calor se

obtiene por la variación de temperatura que se registra con un termómetro, esta variación

debe medirse cuando se alcanza la temperatura en equilibrio.

De esta manera obtuvimos un valor de 332 x103 J /kgque comparado al valor teórico arrojó

un porcentaje de error de 0.45%, esto nos demuestra que la experiencia se realizó

correctamente.

CONCLUSIONES

En nuestra experiencia comprobamos la temperatura constante o en equilibrio luego

de un cambio de estado, esto fue al colocar el hielo (estado sólido) dentro del agua a

temperatura ambiente y que luego de ocurrir el cambio de estado a líquido, la

temperatura se mantuvo constante o en equilibrio, esto lo podemos explicar desde el

punto de vista de la energía en forma de calor que se transmite a un cuerpo y que

sirve para elevar su temperatura, Cuanto más calor, mayor temperatura adquiere el

cuerpo. También conocemos que la temperatura es una función lineal de la energía

menos en cambios de estado, pues una vez que se alcanza una determinada

temperatura, si seguimos aumentando la energía, no se logrará elevar su

temperatura, sino realizar un cambio de estado: de sólido a líquido (fusión) mientras

no haya concluido la transformación, no aumentará la temperatura. En ese período

de tiempo, la temperatura permanece constante, aunque el calor sigue aumentando.

Es, por tanto, una función definida a intervalos o trozos

Durante el cambio de estado que experimentamos se observan varios procesos

termodinámicos relacionados, como lo son un proceso isotérmico donde la

temperatura se mantuvo constante durante el proceso de cambio de estado del hielo,

pues mientras no se completó el cambio de estado la temperatura se mantuvo

constante o en equilibrio y esto fue principalmente a la capacidad del calorímetro de

mantener el calor dentro de él es decir de mantener el proceso de forma adiabática o

sin transferencia de calor, al estar aislado del entorno. De forma que se pudo

evidenciar que el calor absorbido es igual al calor cedido, el cual se manifestó con la

diferencia de temperatura en el termómetro. Además de otro proceso que se asumió

una presión externa constante es decir isobárico

Nuestro último objetivo era determinar el calor latente de fusión del hielo, en donde

se pudo comprobar que a través de un gran cuidado y realización del proceso de

forma correcta se puede obtener el resultado correcto, la obtención de un valor

cercano al real o teórico dependerá, por ende, de la correcta calibración del

calorímetro, de la precisión en las mediciones y del error asociado al observador. De

tal forma pudimos determinar el calor latente de fusión del hielo como

332 x103 J /kg, con un porcentaje de error de 0.45%.

CUESTIONARIO

1. ¿En qué sentido se falsearía el resultado de la experiencia si el hielo utilizado no

estuviera bien seco?

Para que los resultados de la experiencia fuesen validos y próximos a los teóricos era

necesario secar muy bien el hielo antes de agregarlo en el calorímetro con agua ya que de lo

contrario un mal secado haría que el hielo tuviese agua en su superficie y el calor del agua

líquida no se estaba determinando, porque el calor latente de fusión solo se refiere del

hielo al agua es decir el calor absorbido por el líquido.

2. Compárese el resultado obtenido para el calor de fusión del hielo con su valor real.

Estudie las posibles causas de la diferencia existente.

R: el valor teórico del calor de fusión del hielo es de 334 KJ/Kg (334000 J/kg), mientras

que el valor experimental obtenido fue de 332 KJ/Kg (332 x103 J/Kg) bastante próximo al

teórico. Las causas posibles de las diferencias entre ambos valores se pueden atribuir a:

La determinación del calor específico del calorímetro pudo influir en los resultados

si esta no fue tan precisa, ya que errores en la agitación de la mezcla pudo alterar la

temperatura del sistema.

Errores en los instrumentos empleados, ya el calorímetro empleado cada vez que se

realizaba una nueva medida su peso variaba por que absorbía agua.

Al momento de usar el termómetro en el agua a temperatura ambiente, luego en el

hielo y nuevamente en la mezcla pudo alterar la temperatura del sistema.

Errores de lectura de temperatura. Además si la temperatura era muy baja había que

sacar un poco el termómetro para poder leer la misma.

La cantidad de hielo empleado debía ser constante para todas las medidas así como

no emplear gran cantidad de hielo, ya que el calor necesario para fundir una

cantidad grande es mayor y tardaría mucho más tiempo.

3. Explique cómo utilizaría el “método de las mezclas” para determinar el calor

latente de vaporización del agua y escriba las ecuaciones correspondientes.

El calor latente de vaporización del agua se mide a través del método de mezcla inyectando

vapor de agua a una cantidad determinada de agua fría. La condensación del vapor de agua

permite liberación de calor o energía térmica en dos etapas:

a. Se libera calor, convirtiendo el vapor en agua (cambio de fase) a una misma

temperatura de 100ºC (agua hirviendo).

b. El agua hirviendo intercambia calor con el agua fría circundante (transferencia de

calor) hasta alcanzar una temperatura final de equilibrio (T final) deteniendo el

intercambio de energía en el sistema. De acuerdo a la conservación de la energía

este proceso se refiere a que, el calor total liberado por el vapor es igual al calor

total absorbido por el agua fría.

Ecuaciones correspondientes al proceso:

Donde: -∆Qvapor =∆Qcambio de fase + ∆Qtransferencia de calor

Siendo: ∆Qcambio de fase = m vapor L v

y ∆Qtransferencia de calor = m vapor Ceagua (Tvapor -Tfinal)

Por lo que ∆Qal f = m al f Ceagua (Tfinal –Tinicial)

4. ¿La evaporación como tal es un proceso térmico de enfriamiento o de calentamiento?

R. La evaporación es un proceso de calentamiento ya que para pasar de estado líquido a

gaseoso se necesita un aumento de temperatura. Cuando la temperatura aumenta a100ºC

permite que el líquido hierva y pase a estado gaseoso o vaporación.

-∆Qvapor=∆Qalf

BIBLIOGRAFÍA

1. Calor latente. (s.f).Wikipedia. Recuperado el 12 de octubre de 2012, de

http://es.wikipedia.org/wiki/Calor_latente.

2. Fusión del hielo. (s.f). Recuperado el 12 de octubre de 2012, de

http://bacterio.uc3m.es/docencia/laboratorio/guiones_esp/termo/Fusion_Hielo_Guio

n.pdf

3. Determinación de la entalpía de fusión del hielo. (s.f). Practica 14. Recuperado el 12 de octubre de 2012, deHttp://www.ucm.es/info/Geofis/practicas/prac14r.pdf