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Juan Sebastián Chona Lozano, Lidia Marcela Puchana Torrado

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA. FACULTAD DE INGENIERÍAS Y ARQUITECTURA. UNIVERSIDAD DE PAMPLONA, NORTE DE SANTANDER COLOMBIA

CALOR DE VAPORIZACIÓN DEL AGUA

RESUMEN: Con el fin de determinar el calor de vaporización del agua, se realizó un proceso en el cual se tomo cierta cantidad de agua destilada a una temperatura de 20ºC vertiéndola dentro del calorímetro y agregándole vapor de agua, con este sistema totalmente aislado se determinó la variación de temperatura con ayuda del termopar, de esta manera se obtuvo el peso aproximado del agua que entro como vapor al calorímetro. PALABRAS CLAVE: Calor de vaporización, calorímetro, vapor. INTRODUCCIÓN: Se llama "calor de vaporización", la energía necesaria para cambiar 1 gramo de sustancia en estado líquida, al estado gaseoso en el punto de ebullición. Esta energía rompe las fuerzas atractivas intermoleculares y también debe proveer la energía necesaria para expandir el gas (el trabajo P/V). En un gas ideal, ya no hay ninguna energía potencial asociada con las fuerzas intermoleculares. De modo que la energía interna, está completamente en forma de energía cinética molecular. La energía final representada aquí como energía cinética de traslación, no es estrictamente cierta. También hay un poco de energía de vibración y de rotación. Una característica importante del cambio de fase de vaporización del agua, es el gran cambio en el volumen que lo

acompaña. Una mol de agua son 18 gramos, y a la TPE si esa mol la evaporamos a gas, ocupará 22,4 litros. Si el cambio es de agua a vapor a 100°C, en vez de 0°C, entonces por la ley de gas ideal ese volumen se incrementa en la proporción de las temperaturas absolutas, 373K/273K, o sea a 30,6 litros. Comparando esto con el volumen de agua líquida, ha habido un factor de expansión de 30600/18 = 1700, cuando está evaporada a 100°C. Este es un hecho físico que conocen los bomberos, porque ese aumento de 1.700 veces el volumen, cuando en un incendio se rocía el agua sobre una superficie caliente, puede ser explosiva y peligrosa.

Una forma de visualizarlo, es teniendo en cuenta el volumen que ocupa en una probeta graduada 18 ml. de agua en estado líquido, y que corresponden a un número de moléculas igual al número de Avogadro. Si se convirtieran a vapor a 100°C esta misma mol de moléculas de agua, llenaría un globo de 38,8 cm. de diámetro (15,3 pulgadas).1 Entonces el agua, al evaporarse, necesita calor, que adquiere de su entorno inmediato, enfriándolo. Por eso los lugares donde hay agua están más frescos. Las plantas están transpirando continuamente, eliminando agua en forma de vapor. Por eso los lugares donde hay plantas están también más frescos. El agua de un botijo permanece fresca a pesar de que haga calor, gracias a que el barro de que está hecho es permeable al vapor de agua, permitiendo entonces la evaporación de parte del agua interior, que refresca la masa de agua restante.2 PARTE EXPERIMENTAL Materiales y reactivos

un peso de 150,98g y una temperatura de 20 ºC. Posteriormente se tomó la temperatura con el sensor LM35 durante un rango de 4 minutos manteniéndose constante en 0,21 V.  Dentro de un matraz con desprendimiento lateral se adicionaron aproximadamente 200mL de agua sometiéndolos a calor con el objetivo de generar vapor de agua, se conectó al calorímetro a través de una manguera, permitiendo el paso de vapor al interior de este obteniendo una variación de 5ºC.  Finalizado lo anteriormente descrito se retiró la fuente de vapor y se continuó la toma de temperatura a través del sensor LM35 por un tiempo de 11minutos, tiempo suficiente para ver una temperatura constante.  Finalmente se pesó el sistema con el fin de determinar la masa de vapor de agua que había entrado al calorímetro.

Sensor LM35 Calorímetro

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Multímetro

Se agregaron 150 ml aproximadamente de agua destilada en el calorímetro que en conjunto fueron pesados en una balanza de tres brazos dando un valor de 260,03 g. Como ya se conocía el peso aproximado del calorímetro la diferencia entre el

Agua destilada Procedimiento:  Se adicionaron al calorímetro aproximadamente 150mL de agua destilada, registrando

peso del sistema y del calorímetro dio el peso aproximado del agua introducida que correspondió a unos 150,98g , a su vez se introdujo el circuito LM-35 para medir el voltaje del agua en el calorímetro dando como valor constante un voltaje de 0,21V que traducidos a temperatura equivalen a una temperatura de 21,7℃ . En un matraz con desprendimiento lateral se agregaron 200ml aproximadamente de agua de la llave. Esta cantidad fue calentada hasta su ebullición, el matraz estaba conectado al calorímetro para la trasferencia de vapor de agua. Con un termómetro se midió la temperatura del vapor de agua observándose el desprendimiento de vapor a una temperatura de 60,81℃ y una temperatura máxima de 92℃ que se mantuvo constante, con el circuito LM-35 se midió el voltaje del agua en el calorímetro notándose el aumento del voltaje a causa de la trasferencia de vapor de agua caliente, en la tabla #1 se muestra la temperatura del vapor de agua y el voltaje del agua en el calorímetro: Tabla#1 voltaje durante la transferencia de vapor de agua.

Temperatur a del vapor de agua (℃) 92 92 92 92 92

Voltaj e (V) 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26

Temperatur a (℃) 22,7 23,7 24,7 25,7 26,7

Se tomaron lecturas de voltaje que traducidos a temperatura , una diferencia de 5℃ como se muestra en la tabla#1. se retiró la fuente de “calor” tomando lecturas de voltaje dentro del calorímetro al transcurrir el tiempo hasta que se mantuviera constante , los datos obtenidos se muestran en la tabla #2: Tabla#2 temperatura después de retirar la caliente. Tiempo (s)

Voltaje(V)

10 27 44 60 93 660

0,30 0,31 0,32 0,33 0,34 0,34

estable fuente

Temperatura (℃) 30,7 31,7 32.7 33,7 34,7 34,7

Grafica #1 temperatura vs tiempo al retirar la fuente de vapor de agua.

temperatura vs tiempo 35 34 33 32 T(℃) vs tiempo (S)

31 30 29 28 10

27

44

60

Para este proceso la temperatura cuando el tiempo es cero es de 21,7℃ y la temperatura estable según la gráfica#1 es de 34,7℃, la capacidad calorífica del calorímetro es de 0,18cal/g℃ y la masa de agua que se condenso en el calorímetro es de 5 gramos ,para calcular el calor cedido por el vapor de agua se utilizó la siguientes formulas:

93

660

Masa del calorímetro: 107,6g Temperatura de ebullición=87℃ Reemplazando se obtiene:

en la

0,18cal/g℃ = ℃ ℃

formula #1

=251,784cal

Qganado=masa de agua fría Ce(Tm-T1) (formula#2) Qganado=150,98g

(Ecuación #1)

C es la capacidad calorífica del cuerpo o sistema c es el calor específico o capacidad calorífica específica m la masa de sustancia considerada

℃

1962,74cal

Al calcular el calor para el cambo de fase se utilizó la siguiente ecuación: Calor cedido =calor ganado

T3=34,7℃ M1=masa agua a ambiente =150,98g T1=21,7℃ CpH2O=1cal/g×℃

temperatura

Calor cedido por el vapor que se condensa + calor cedido por el agua resultante=calor ganado por el calorímetro calor ganado por el agua.

Lv= #2)

9715,6cal/mol estando un poco cerca del valor del valor real teniendo un error experimental de 16,16%.

(formula

Lv=

℃

℃

℃

℃

℃

℃

℃

Lv=385,6cal/g

CONCLUSIONES

a 92℃

El aumento de la temperatura activa el proceso de vaporización, para cada valor a la presión con la que se esté trabajando existe una temperatura a la cual la vaporización se vuelve violenta.

539,60 cal/g es el valor real a 100℃ lo que es coherente para el valor experimental debido a que el experimento se realizó a una presión menor a la de una atmosfera y por ello su punto de ebullición es menor y a causa de esto el descenso del calor de vaporación, el error experimental es de un 28,54%.

BIBLIOGRAFÍA

Calor de vaporización molar ℃

℃

℃

℃

℃

℃

[1] http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbasees/thermo/phase 2.html [2] http://www.arqhys.com/arquitectura/ calor-vaporizacion.html

℃

=8144,64 cal/mol El valor teórico para el calor de vaporización molar es de

CALOR DE FUSIÓN DEL AGUA RESUMEN: Para determinar el calor de fusión del agua, se realizo un procedimiento en el cual se, mezclaba cierta cantidad de agua destilada a temperatura ambiente con hielo con el objetivo de calcular la fusión del agua a presión atmosférica. PALABRAS CLAVE: calor de fusión, agua, hielo. INTRODUCCIÓN La entalpía de fusión o calor de fusión (ΔHfus) es la cantidad de energía necesaria para hacer que un mol de un elemento que se

encuentre en su punto de fusión pase del estado sólido al líquido, a presión constante. En otras palabras, es la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar

con su entorno. Es una magnitud de termodinámica (H), cantidad de energía que se puede intercambiar. La entalpía de fusión es un calor latente ya que durante el proceso de cambio de estado no se da un cambio apreciable de temperatura. El calor es completamente invertido en modificar la estructura del material para dar movilidad a sus unidades moleculares. Cuando para estudiar la energía necesaria para el cambio de sólido a líquido se hace referencia a la unidad de masa el parámetro empleado es el «calor específico de fusión» en cal/g o J/g. Sin embargo cuando se quiere hacer referencia a la unidad absorbida por mol de sustancia en cambio de estado se emplea la «entalpía de fusión» en KJ/mol.1 Cuando se suministra energía en forma de calor a un cuerpo, a presión constante, el resultado es un incremento de la temperatura del cuerpo. En ocasiones el cuerpo puede absorber grandes cantidades de calor sin variar su temperatura, esto ocurre durante un cambio de fase, es decir, cuando la condición física de la sustancia está variando de un estado de agregación a otro (por ejemplo, de sólido a líquido). Se necesita una cantidad específica de energía para el cambio de fase de una cantidad determinada de sustancia, esto lo expresamos como:

cuando ésta se encuentra en su punto de fusión. Para el caso particular del agua, si inicialmente la tenemos en la fase sólida (hielo) a 10°C y le transferimos energía en forma de calor, primeramente su temperatura cambiará de -10°C a 0°C. , después se transformará de hielo a agua líquida, sin sufrir cambios en su temperatura. Si inicialmente tenemos una masa de hielo m3 a 0°C y en el calorímetro de masa m1 tenemos una masa de agua m2 a una temperatura T1 inicial, al introducir el hielo en el calorímetro se tiene que la energía que absorbe el hielo es igual a la energía que cede el calorímetro mas la energía que cede el agua líquida, es decir,

la cual puede escribirse como:

De esta expresión podemos despejar al calor latente de fusión, el cual queda como:

2

PARTE EXPERIMENTAL Materiales y reactivos

Así Lf (calor latente de fusión) es la cantidad de energía en forma de calor (en calorías) que se requieren para fundir una masa de sustancia

Termómetro Calorímetro

Agua destilada

Masa del aproximadamente

agua=121g

Hielo Masa del hielo=53,47g Procedimiento:  Se adicionaron aproximadamente 120mL de agua destilada dentro del calorímetro registrando un peso de 121g y una temperatura de 20 ºC. Posteriormente se aisló el sistema y se tomo la temperatura con el sensor LM35 durante un rango de 2:25 minutos manteniéndose constante en 0,21 V.  Se peso una cantidad de hielo (53,47g), el cual fue adicionado al calorímetro y se continuó con la toma de temperaturas hasta que esta se estabilizo, en un rango aproximado de 15 minutos.  Finalmente se pesó el conjunto completo con el fin de calcular la masa del hielo fundido. ANÁLISIS DE RESULTADOS Datos obtenidos en la práctica:

Masa agregada de agua=1,85g La densidad del hielo a 0ºC es de 916,8 kg/m³ Temperatura inicial del agua=20℃ Tabla#3 Tiempo (s) 8

Voltaje (V) 0,21

Temperatura ℃ 21,7

30

0,21

21,7

60

0,21

21,7

145

0,21

21,7

En la tabla #3 se dan los valores de temperatura del agua en el calorímetro obtenidas al transcurrir el tiempo mostrándose constante. Luego agregando los 53,47 gramos de hielo al calorímetro con agua se obtuvieron los siguientes resultados mostrados en al grafica #2 de temperatura al transcurrir el tiempo para la fusión del agua: Grafica#2

temperatur (°C) vs tiempo (s) 25

T=°C

20 15 10 5 0 2

15

32

46

60

77

92 113 194 282

La temperatura inicial para este proceso es de 20℃ para el agua en el calorímetro, y la temperatura constante después de introducir el hielo es de 1,7℃ . 0,18cal/g℃ = ℃ ℃ Lf= Lf=

℃

℃

Calor molar de fusión ℃

Lfm=24939,16cal/mol

agua

79,72

Calor de fusión (J/g)

333,55

Ental pia de fusió n (KJ/ mol) 6,25

CONCLUSIONES

Mirando los valores teóricos para el calor de fusión del hielo ubicados en la tabla#3 tres es exponencial el erro experimental debido a que en la practica el hielo no se fundió en su totalidad.

℃

Tabla #4 susta Calor ncia de fusión( cal/g)

℃

Lf=1388,5 cal/g

Lfm=

Lo misma condición se aplica para el calor de fusión molar, el error experimental es alto.

=354,4344cal

℃

temperatur (°C) vs tiempo (s)

℃

℃

1. Se muestra que el calor latente del agua en este caso depende de las condiciones ambientales del lugar; así pues las variables termodinámicas se comportan cuantitativamente de manera diferente dependiendo del marco de referencia, sin cumplirse el análogo para los comportamientos cualitativos de las mismas. 2. La cantidad de calor por unidad de masa que ha proporcionado el agua en su

punto de fusión para convertir el hielo a agua líquida varía de acuerdo a las condiciones ambientales. BIBLIOGRAFÍA

1 http://es.wikipedia.org/wiki/Entalp% C3%ADa_de_fusi%C3%B3n 2 http://www.fisica.uson.mx/manuales/ electrocalor/eletrocal-lab05.pdf