• Author / Uploaded
• JOSE MANUEL VICTORIA DELGADO

Citation preview

Laboratorio de Física Básica

Fluidos y Termodinámica

CALOR LATENTE DE FUSIÓN A.

COMPETENCIA ESPECIFICA

Evalúa la transferencia de calor entre hielo, y agua a diferentes temperaturas mezclados en un calorímetro, para determinar el calor latente de fusión del hielo. B.

INFORMACIÓN TEÓRICA

El calor de fusión, también conocido como calor latente de fusión, describe la cantidad de energía que se necesita para que ocurra el cambio de fase entre un líquido y un sólido sin un cambio de temperatura. El calor latente es el calor por unidad de masa requerido para que ocurra un cambio de fase. Por ejemplo, si agregamos hielo y refresco frío a un vaso, esperaríamos que el calor del refresco ligeramente más cálido derrita el hielo en el vaso. Sin embargo, probablemente hayas notado que cuando agregas hielo a una bebida ya fría, solo parte del hielo se derrite, no todo. Esto se debe a que el refresco no contiene suficiente energía como calor para superar el calor latente de fusión del hielo. Cuando combina hielo a 0 °C y refresco frío a una temperatura superior a 0 °C, el calor del refresco continuará derritiendo el hielo hasta que ambos alcancen una temperatura de equilibrio.

Figura 01: Esquematización del calor latente de fusión del hielo Cuando se agrega o elimina energía térmica de un objeto, la temperatura del objeto normalmente se ajusta. Sin embargo, durante un cambio de fase, la temperatura de un objeto permanecerá constante a pesar de que se agregue o reste calor adicional de la sustancia. Entonces, ¿qué está pasando con el exceso de calor durante esta transferencia de energía si no está cambiando la temperatura? Esta energía térmica se dirige hacia la superación del calor latente de la sustancia.

LF-007/ 1 de 9

Laboratorio de Física Básica

Fluidos y Termodinámica

Las tres fases comunes de la materia son gas, líquido y sólido. Por lo tanto, hay tres términos diferentes para el calor latente que describen los cambios de fase de la materia. El calor latente de fusión refiere al cambio de fase entre sólido y líquido. Tenga en cuenta que el calor en realidad se refiere a la transferencia de energía térmica entre los objetos. Por lo tanto, el calor de latente de fusión abarca el proceso de agregar calor para fundir un sólido y el proceso de restar calor para congelar un líquido. Si una m a a la temperatura inicial T a se mezcla con una masa m h de hielo a 0 ºC en un calorímetro y luego la mezcla de agua y hielo se agita hasta que se alcanza una temperatura final de equilibrio T e. Pueden ocurrir dos casos: Caso 1 Se funde una parte m de la masa inicial m h, quedando una mezcla formada por hielo ¿) y agua

(m a +m) a la temperatura final de T e =0ºC. Si el calorímetro está perfectamente aislado, no pierde ni gana calor, entonces se puede demostrar que

Lf =

ma c a T a m¿

(1)

Caso 2 Si se funde todo el hielo, el estado final es una masa (m¿¿ h+m¿¿ a) ¿ ¿ de agua a la temperatura final T e >0 . Si el calorímetro está perfectamente aislado, no pierde ni gana calor, entonces se puede demostrar que Lf =c a (T a

ma m a+ mh + k −T e ) mh mh

(2)

con k=

m(T −T e ) −M (T e −T o)

Donde Lf : calor latente de fusión del hielo (334000 J/kg) c a : calor especifico del agua (4186 J/kg °K) m h : masa de hielo en el calorímetro m a : masa de agua a la T a T a : temperatura de ma k: equivalente en agua del calorímetro M : masa de agua en el calorímetro m: masa de agua en el recipiente LF-007/ 2 de 9

(3)

Laboratorio de Física Básica

Fluidos y Termodinámica

m¿: masa fundida (m h−m H ) m H : masa de hielo sin fundirse T : temperatura inicial de agua en el recipiente T o: temperatura inicial de la masa de agua que se encuentra en el calorímetro T e: temperatura de equilibrio de la mezcla C.

MATERIALES Y ESQUEMA  Uso de PC o Laptop  Acceso con conexión a internet

Figura 2. Esquema representativo del sistema para la experimentación

LF-007/ 3 de 9

Laboratorio de Física Básica

Fluidos y Termodinámica

APELLIDOS Y NOMBRES: ESCUELA PROFESIONAL: HORARIO: PROFESOR (A):

CUI: FECHA: FIRMA: NOTA: CALOR LATENTE DE FUSIÓN

D. CUESTIONARIO PREVIO (4p) 1. ¿Qué es el calor latente? Explique.

2. Demuestre y describa la ecuación (1) de la sección B (INFORMACIÓN TEÓRICA).

3. Cuál es la diferencia entre calor latente de fusión y calor latente de vaporización. Mencione ejemplos relacionados con la vida cotidiana.

4. Demuestre y describa la ecuación (2) de la sección B (INFORMACIÓN TEÓRICA).

E. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL (3p) 1. Ingrese al siguiente link. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/calor/fusion/fusion.html 2. En el simulador elija la opción “Equivalente en agua”, seguidamente deberá de hacer click en “Prepara”, y luego click en “Calcula” ahora anote los valores para: M = 150 (g) ; m = 150 (g) ; T o= 90 (°C) T = 50(°C) ; T e =¿76.9 (°C) con ayuda de la ecuación (3) calcule el equivalente en agua del calorímetro k =¿158.02(g) 3. Para realizar el Caso 1 de la sección B (Información Teórica), en el simulador elija la opción “Calor de fusión”, luego ahora anote los valores para LF-007/ 4 de 9

Laboratorio de Física Básica

Fluidos y Termodinámica

m h = 100(gr) ; ma = 100 (gr) ; seguidamente deberá de hacer click en “Prepara”, y luego click en “Calcula”; para completar la Tabla 1 anote los valores de T e para diferentes T a. Para los cálculos correspondientes en la Tabla 1 considerar: P=ma c a T a ; Q=mh −mH Tabla 1: variación de la T e para diferentes T a según Caso 1 T a (°C)

Lectura 1 2 3 4 5

Q (gr)

P (J)

m H (gr)

30

62.5

12558

37.5

40

49.9

16744

50.1

50

37.4

20930

62.6

60

24.9

25116

75.1

70

12.4

29302

87.6

4. Para realizar el Caso 2 de la sección B (Información Teórica), en el simulador elija la opción “Calor de fusión”, luego ahora anote los valores para m h = 100 (gr) ; ma = 100 (gr) ; seguidamente deberá de hacer click en “Prepara”, y luego click en “Calcula”; para completar la Tabla 2 anote los valores de T e para diferentes T a. Para los cálculos correspondientes en la Tabla 1 considerar: R=m a T a Tabla 1: variación de la T e para diferentes T a según Caso 2 T a (°C)

Lectura 1 2 3 4 5

F.

T e (°C)

R (kg°C)

90

3.9

3000

100

7.8

4000

110

11.7

5000

120

15.6

6000

130

19.5

7000

ANÁLISIS DE DATOS(4p)

1. Con los datos de la Tabla 1, grafique P en función de Q para obtener la gráfica 01, luego determine la ecuación de esta gráfica; y obtenga el valor de la pendiente e intersecto, con sus respectivas unidades según el sistema internacional

LF-007/ 5 de 9

Laboratorio de Física Básica

Fluidos y Termodinámica

P en funcion de Q 35000 30000 25000

𝑃 (J)

20000 15000 10000 5000 0 30

40

50

60

70

80

90

100

𝑄 (gr)

Y= Bx+A Y=334.34x + 6.7403 B en (kJ/gr) A en (kJ) 2. Con los datos de la Tabla 2, grafique R en función de T e para obtener la gráfica 02, luego determine la ecuación de esta gráfica; y obtenga el valor de la pendiente e intersecto, con sus respectivas unidades según el sistema internacional.

R en funcion de T 8000 7000

f(x) = 256.41 x + 2000

6000

𝑅 (kg°C)

5000 4000 3000 2000 1000 0

2

4

6

8

10

12

14

16

𝑇_𝑒 (°C)

Y=Bx + A Y=256.41x + 2000 B en (kg) A en (kg°C) G. COMPARACIÓN Y EVALUACIÓN(3p)

LF-007/ 6 de 9

18

20

22

Laboratorio de Física Básica

Fluidos y Termodinámica

1. A partir de la pendiente de la gráfica 01, obtenga el valor de Lf del hielo y compárelo con el valor del Lf del hielo de la sección B (Información Teórica). Justifique su respuesta. P=334.34 (Q)+ ¿6.7403

DONDE: Y=334.34x + 6.7403 y= Ax+ B Pendiente : A=334.34 x (J )

Comparación: J ) kg



Valor teórico: Lf =334000(



Valor experimental: Lf =334340(

J ) kg

experimental |Valor bibliografico−Valor |×100 % Valor bibliografico 334000−334.34 aracion ( % )=| |×100 % 334000

aracion ( % )=

aracion ( % )=0.1%

2. A partir de la pendiente de la gráfica 02, obtenga el valor de k y compárelo con k de la sección E.2. Justifique su respuesta.

3. A partir de la Intersecto de la gráfica 02, obtenga el valor de Lf del hielo y compárelo con el valor del Lf del hielo de la sección B (Información Teórica). Justifique su respuesta. Y=Bx + A Y=256.41x + 2000 Intercepto :B=2000( kg∗K)

LF-007/ 7 de 9

Laboratorio de Física Básica

Fluidos y Termodinámica

Utilizamos: Lf =c a (T a

ma m a+ mh + k −T e ) mh mh

Donde remplazando: c a : calor especifico del agua (4186 J/kg °K) T a : temperatura de ma m h : masa de hielo en el calorímetro m a : masa de agua a la T a k: equivalente en agua del calorímetrok =¿158.02(g) m h = 100 (gr) ; ma = 100 (gr) ; Lf =c a (T a

100 200+158,02 −T e ) 100 100 Lf =4186

J ( 56.74 kg K ) kgK

Lf =329982.38 J

J  Valor teórico: Lf =334000( kg )

 Valor experimental: Lf =¿

H. CONCLUSIONES(2p) ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………. I. CUESTIONARIO FINAL(4p)

LF-007/ 8 de 9

Laboratorio de Física Básica

Fluidos y Termodinámica

1. ¿Por qué es más efectivo enfriar latas de bebidas colocándolas en una cubeta que contiene hielo y agua en lugar de una cubeta de agua a una temperatura inicial de 0 °C. Explique? Por que la cubeta que tiene el hielo con agua su temperatura esta mas baja y ya que la lata es un metal se transfiere mas rápido su temperatura haciendo enfriar a la bebida que se encuentra en la lata. El calor latente de fusión de la cubeta con hielo es mayor que una que no tiene y su temperatura esta en 0º.

2. ¿Por qué permanece la temperatura del hielo a 0 °C cuando se está derritiendo? Justifique su respuesta. Por que no tiene suficiente calor latente para cambiar de estado, haciéndolo que este en un estado intermedio entre el liquido y el solido haciendo que una parte se este derritiendo mientras otra siga sólida. 3. ¿Por qué el calor siempre fluye espontáneamente desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura? Justifique su respuesta El cuerpo con mayor temperatura transfiere a uno de menor porque al estar en un estado de agitación de sus partículas en el caso de mayor temperatura hace que perturbe a la que tiene un estado menor de agitación de partículas y transfiriéndose energía hasta estar en equilibrio. J. BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL Autor

Título

Edición

Año

K. BIBLIOGRAFÍA DE REFERENCIA 1. Guías de Laboratorio de Física Básica, Departamento Académico de Física UNSA, Año 2016. 2. Ángel Franco García, Curso Interactivo de Física en Internet, 2015 http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/index.html

LF-007/ 9 de 9