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• Jean Carlos Quispe

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CALOR SENSIBLE Y CALOR LATENTE – CALORÍMETRO

I. OBJETIVO:   

Aprender las relaciones fundamentales de la calorimetría con la termodinámica y la termoquímica. Determinación de la capacidad calorífica de un sistema o constante del calorímetro. Manejo del termostato y del calorímetro.

II. MATERIALES Y EQUIPOS:       

Una balanza electrónica Probeta de 1000ml Probeta de 100ml Matraz Recipiente o calorímetro Termómetros electrónicos y PC más software Ultratermostato

III. FUNDAMENTO TEORICO: Calor Sensible: Es aquel que recibe un cuerpo o un objeto y hace que aumente su temperatura sin afectar su estructura molecular y por lo tanto su estado. En general, se ha observado experimentalmente que la cantidad de calor necesaria para calentar o enfriar un cuerpo es directamente proporcional a la masa del cuerpo y a la diferencia de temperaturas. La constante de proporcionalidad recibe el nombre de calor específico. 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). Se debe tener en cuenta que esta energía en forma de calor se invierte para el cambio de fase y no para un aumento de la temperatura. Antiguamente se usaba la expresión calor latente para referirse al calor de fusión o de vaporización. Latente, en latín, quiere decir escondido, y se llamaba así porque, al no notarse un cambio de temperatura mientras se produce el cambio de fase (a pesar de añadir calor), este se quedaba escondido. La idea proviene de la época en la que se creía que el calor era una sustancia fluida denominada calórico. Por el contrario, el calor que se aplica cuando la sustancia no cambia de fase y aumenta la temperatura, se llama calor sensible.

Complementario a la teoría dada en clases. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), se utiliza como unidad de energía el Joule (J), siendo la equivalencia: 1 caloría = 4,184 julios Para evaluar la cantidad de energía calorífica absorbida o desprendida por un cuerpo o sustancia, por un cambio en su temperatura, vale decir el calor sensible, se parte de la siguiente relación:

Cp 

dH dT

(1)

Podemos derivar entonces la siguiente expresión para evaluar el calor sensible en líquidos y sólidos: Q = m * cS * T (2) Donde: Q = energía calorífica transferida (calorías) m = masa de la sustancia (gramos) cS = calor específico de la sustancia (calorías/gramo °C) T = variación de temperatura (°C). En la ecuación (2) se pueden agrupar los 2 primeros términos del segundo miembro en uno solo, denominado capacidad calorífica C, o factor de capacidad, siendo T el factor de intensidad, de donde: Q = C T (3) Cuando una sustancia sufre un cambio de estado físico o mejor un cambio de fase, por ejemplo el agua, para pasar de líquido a vapor, absorbe un determinada cantidad de calor sin que se produzca una variación apreciable en la temperatura, Si la sustancia se condensa, entonces se elimina la misma cantidad de calor que absorbió al vaporizarse; este calor “oculto” o “escondido” es el llamado calor latente o también calor de transformación. Para llevar a cabo mediciones experimentales de calores latentes, se suelen utilizar los instrumentos llamados calorímetros. Estos son instrumentos que sirven para la

determinación experimental de los intercambios caloríficos. El calorímetro es un sistema aislado, de tal manera que no haya intercambio de calor con el medio ambiente. Se utilizan usualmente como calorímetro a los llamados vasos Dewar (frasco termo), que no cumplen exactamente con el requisito de no intercambiar calor con el medio ambiente. Un sistema calorimétrico que se emplea con mucha frecuencia en calorimetría es mostrado en la figura 7.1. Si aplicamos la ecuación (3) para evaluar el calor absorbido o cedido por el sistema calorimétrico, tenemos que es necesario conocer el factor capacidad C. Este factor toma entonces el nombre de constante del sistema calorimétrico “K” y se expresa en unidades de calorías/°C o equivalente. Tendremos entonces el nombre de constante del sistema calorimétrico “K” y se expresa en unidades de calorías/°C. Tendremos entonces: Q = K T

(4)

Esta ecuación es utilizada para evaluar el calor absorbido (o cedido) por el sistema calorimétrico, que para simplificar diremos simplemente al realizar el balance energético: “calor ganado (o cedido) por el calorímetro”, y la constante “K” llamaremos simplemente “Constante del calorímetro”, aunque este valor expresa propiamente la capacidad calorífica del sistema calorimétrico. “Equivalente en agua” del calorímetro que se define como la cantidad de agua requerida para absorber la misma cantidad de calor absorbida por el calorímetro y sus partes componentes, incluyendo el baño de agua. IV. PROCEDIMIENTO: Experimento 1. Determinación de la Constante del Calorímetro 1. Echamos el agua fría en un recipiente cuya temperatura es de T1= 21°C. 2. Echamos el agua caliente en otro recipiente cuya temperatura de T2= 42°C

3. Pesamos el agua fría en una probeta: 150ml con peso de 149 g. 4. Echamos el agua caliente en otra probeta y lo pesamos: 150ml con peso de 145 g. 5. Volvemos a echar en un matraz combinando el agua fría con el agua caliente y medimos su temperatura: Tf=30.74 °C Cálculos Realice los cálculos para encontrar la constante “K” del calorímetro. Cálculo del incremento de la temperatura por: T = Tf - T1. T = 30.74 - 21 = 9.74°C

Q1 = calor ganado por el agua en el calorímetro.

= 100 T cal

100 x 9.74°C cal = 974 cal. Q2 = calor ganado por el calorímetro.

= K T cal

15.605 calorías/°C x 9.74°C = 152 cal. Q3 = calor cedido por el agua (caliente) del segundo vaso.

= 100 (T2 – Tf) cal.

100 (42 – 30.74) cal. = 1126 cal. Por el balance de energía calorífica de acuerdo con el 1er principio de la termodinámica: Q3 = Q1 + Q2

(5)

1126 = 974 + 152 1126 = 1126 Reemplazamos valores tendremos:

K

100 (T2  Tf  T) T

𝐾=

calorías/°C

100(42−30.74−9.74) 9.74

calorías/°C

K= 15.605 calorías/°C

Experimento 2: Calor latente de Fusión del hielo. El calor latente de fusión de una sustancia o entalpía de fusión, a presión constante, se representa por el símbolo λf o ∆Hf. 1. Pesamos el agua caliente: 150 g. 2. Combinamos el agua caliente con la mezcla anterior (agua tibia) y medimos la temperatura: T= 37.60 °C 3. Pesamos y medimos la temperatura del hielo : Peso = 50 g. Th= -16 °C 4. Combinamos el hielo con el agua tibia y lo pesamos: 200 g 5. Con un cronometro registramos la temperatura cada 10 segundos después que todo el hielo se haya fundido por espacio de 2 minutos más.

Temperatura °C 23.05 20.98 19.56 18.60 17.51 16.63 16.07 15.65 15.45 15.30 15.07 15.06 15.02 14.98

Tiempo (s) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

Grafico del hielo 160 140

Tiempo (s)

120 100 80 60 40 20 0 0

5

10

15

20

25

Temperatura (°C)

6. Vierta toda el agua del calorímetro en una probeta graduada y anote el aumento en el volumen de agua con respecto a los 150 ml iníciales. Esta diferencia corresponde a la masa de hielo lo que se ha agregado (m gramos de hielo). El volumen final es: 196 ml 196 – 150 = 46 ml o 46 g de hielo Peso Total: 97.5 g Cálculos: En el estado inicial tenemos una masa M de hielo de densidad ρh=0.917 g/cm³ Para fundir una masa Δm de hielo y convertirla en agua se necesita una cantidad de calor Q=Lf·Δm

Donde Lf es el calor latente de fusión calor de fusión del hielo Lf = 334 000 J/kg Q= 334 000 J/kg x (50-46) Q=334 000 J/kg x 4 g Q=334 000 J/kg x 0.04 kg Q=13360 J

V. 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.  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.

VI. OBSERVACIONES Y SUGERENCIAS:  Debemos medir con total paciencia las temperaturas de fusión del hielo.  Tratar de conservar la temperatura inicial del agua u otros en el recipiente sin que este se afecte por la temperatura del medio ambiente.

VII. BIBLIOGRAFIA:    

Termodinámica - Yunus A. Çengel, Michael A. Boles https://es.wikipedia.org/wiki/Calor_sensible https://es.wikipedia.org/wiki/Calor_latente http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/fusion/fusion.htm

VIII. ANEXOS:

IX. CUESTIONARIO: Encuentre los valores teóricos del calor latente de fusión del hielo y del calor latente de vaporización del agua, a la presión barométrica del laboratorio. Compare éstos, con sus valores experimentales. Establezca los porcentajes de error.  

Calor latente de fusión: 334 kJ/kg (79,7 kcal/kg) a 0 °C; de vaporización: 2257 kJ/kg (539,4 kcal/kg) a 100 °C. La temperatura en el laboratorio:

 Calor latente de fusión: -16 °C  de vaporización: 110 °C ¿Cuánta energía calorífica se debe suministrar a 120 g de hielo a -10 °C y 1 atm para convertirlos en valor de agua a 115 °C y 1 atm? Q=m·c·ΔT = 120 x 1 x (-10 - 115) Q=120 x -125 Q= - 15 KJ Se tienen 60 g de agua a 83 °C y 1 atm. ¿Qué cantidad de energía calorífica deberán desprender para congelar, transformándose en hielo cuya temperatura sea de -8 °C? Q=m·c·ΔT Q=60 x 1 x (83 –(-8)) Q=60 x 91 Q= 5460 J Se pueden emplear procedimientos similares a los descritos en esta práctica para determinar calores latentes de otras sustancias. Explique brevemente cómo serían tales procedimientos? 

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Se llena un termo con hielo y se cierra. A través del tapón se pasa un largo tubo de vidrio de pequeña sección S y dos cables que conectan con una resistencia por la que circula una corriente eléctrica que calienta el hielo para convertirlo en agua a 0ºC. Se añade agua a través del tubo para rellenar la botella y propio el tubo. En la parte izquierda de la figura, se muestra la situación inicial. En la parte derecha, la situación al cabo de un cierto tiempo t después de conectar la resistencia a una batería. La resistencia eléctrica calienta el hielo, se funde y el volumen del sistema disminuye, como consecuencia, pasa agua del tubo de vidrio al termo. Medimos la variación de altura del agua en el tubo vertical graduado. El experimento consiste en medir la energía necesaria para reducir el volumen del sistema en una determinada cantidad a temperatura constante y a presión constante.