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UNIVERSIDAD DEL VALLE CALI-COLOMBIA DEPARTAMENTO DE QUÌMICA

CURVAS DE CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO Lorraine Guastar, [email protected]; Leidy Tatiana Luna Galvis,; Leydi Marcela Moreno López.

RESUMEN La práctica realizada se dividió en dos partes, la primera consistió en fundir hielo aumentando la velocidad de calentamiento y registrando la variación de la temperatura hasta alcanzar su punto de ebullición, con ello se determinó la curva de calentamiento del agua. En la segunda parte se calentó agua destilada hasta que alcanzara el punto de ebullición. Se retiró de la fuente de calor, y se midió su temperatura hasta que este descendiera a 35°C, después se introdujo en una mezcla frigorífica de hielo-sal midiendo la variación de la T° cada 15 s hasta obtener la estabilización del termómetro, de igual manera se realizo con el etanol, con ello se puede determinar la curva de enfriamiento del agua y el etanol y también el calor ganado o cedido por estos y así mismo encontrar las temperaturas, en las cuales, hay un equilibrio entre los estados solido liquido y vapor. Palabras claves Calentamiento Temperatura

Enfriamiento Sólido

INTRODUCCIÓN En la tierra, los seres humanos estamos familiarizados con el comportamiento de sólidos líquidos y gases, a diario utilizamos líquidos (para beber, lavar, cocinar) y otros materiales sólidos que empleamos para nuestra vida. Por esto se debe tener muy en cuenta el movimiento molecular; ya que En los estados de la materia se pueden presentar cambios de fase o transformaciones de un estado agregado a otro encontrándose en diferentes temperaturas al aplicarle calor. En los líquidos el movimiento molecular es más restringido que en los gases y en los sólidos guardan posiciones bien definidas aunque puede moverse poco entre ellos. Por este motivo Mediante las curvas de calentamiento y enfriamiento se puede

Punto de ebullición Líquido

Punto de fusión Vapor

determinar el calor ganado o cedido por la sustancia, al encontrarse en diferentes temperaturas y al presentarse un equilibrio entre ellas, y un cambio de fase entre los estados sólido, líquido y vapor. Gracias a esto se puede observar en qué estado se encuentra la sustancia y su punto de equilibrio a pasar de un estado agregado a otro. En las curvas de calentamiento la sustancia se encuentra en estado sólido al aumentarle calor habrá un punto de equilibrio de pasar de solido al liquido, hasta que se convierta liquido totalmente, al amentar mas la temperatura se establece otro punto de equilibrio al pasar del estado liquido a vapora. Al contrario de la curva de calentamiento, en la curva de enfriamiento la sustancia se encuentra en estado gaseoso y su temperatura va a disminuir a presión constante hasta

solidificarla, extrayéndole calor a presión constante. Al final del proceso se puede calcular el calor aplicado o extraído a la sustancia, se considera que el calor aplicado es positivo y el extraído en el enfriamiento es negativo.

OBJETIVOS: • Determinar las curvas de calentamiento y enfriamiento del agua y alcohol etílico

TABLAS Y DATOS



PESO INICIAL DEL HIELO: 48.46 g



PESO FINAL DEL LIQUIDO: 20.11

Tabla 1 : Temperaturas registradas durante el calentamiento de los cubos de hielo Tiempo(s)

Temperatura (C )

0

4

30

5

60

6

90

7

120

7

150

9

180

12

210

15

240

20

Tabla 2: Temperaturas registradas durante el calentamiento del agua

Tiempo(s) Temperatura (C ) 270 28 300 30 330 32 360 34 390 36 420 40 450 42 480 45 510 48 540 50 570 54 600 56 630 59 660 61 690 63 720 66 750 68 780 69 810 70 840 71 870 71 900 72 930 73 960 75 990 76 1020 76 1050 76 1080 76 1110 77 1140 78 1170 78 1200 78 1230 78 1260 78 1290 78 1320 78 1350 76 1380 77 1410 79 1440 78

1470 1500 1530 1560 1590 1620 1650 1680 1710 1740 1770 1800

78 78 78 78 79 80 86 92 92 92 93 93

Tabla 3: Temperaturas registradas durante el enfriamiento del agua destilada Tiempo(s)

Temperatura(C )

0

95

30

90

60

80

750

37

780

36

810

36

840

35

855

31

870

21

885

20

900

20

915

20

930

19

945

16

960

15

975

15

990

14

1005

12

Cambios de temperatura en la Mezcla Frigorífica

Tabla 4: Temperaturas registradas durante el enfriamiento del alcohol etílico

90

76

120

72

150

68

0

70

180

65

30

69

210

63

60

61

240

61

90

57

270

59

120

55

300

57

150

53

330

51

180

51

360

50

210

50

390

48

240

49

420

47

270

47

450

46

300

46

480

45

330

45

510

44

360

43

540

43

390

42

570

42

420

41

600

41

450

40

630

40

480

38

660

39

510

37

690

39

540

36

720

38

570

35

Tiempo(s) Temperatura(C )

585

25

600

22

615

19

630

18

645

16

660

14

675

12

690

12

705

12

720

10

735

9

750

8

765

7

780

7

795

7

810

6

825

6

Cambios de temperatura en la Mezcla Frigorífica

Gráfico 1: Curva de calentamiento del agua

Gráfico 2: Curva de enfriamiento del agua

Gráfico 3: Curva de enfriamiento del alcohol etílico

TABLA 5: Temperaturas tomadas en la práctica, en donde hubo un equilibrio y ocurrieron cambios de estados. Temp Temp Temp eratur Temp eratur eratur Sust a de eratur a a de ancia ebulli a final inicial fusión ción (OC) O O ( C) ( C) O ( C) AGU 95 90 15 12 A ALC OHO L 70 69 7 6 ETÍLI CO

diferencias y ello es lo que aclara la diferencia de puntos de ebullición y fusión y las temperaturas en las cuales ocurren cambios de estado en ellas. Ver figura 1

FIGURA 1: ESTRUCTURA MOLECULAR DEL ALCOHOL ETILICO Y DEL AGUA

C2H6O

Tabla 6: Pesos registrados durante la práctica del agua en la curva de calentamiento Sustancia Peso Peso inicial final (g) (g) Agua 48.46 20.11

H2O

Tabla 7: Masas registradas en la práctica y calor específico y latente característico de cada sustancia. calor calor Sustan Mas calor espec latente latente de cia a ifico de evaporiza fusión ción 20 g 1.00 79.82 540 Agua 𝒄𝒂𝒍⁄ 𝒄𝒂𝒍⁄ 𝒄𝒂𝒍⁄ 𝒈 𝒈 𝒈℃

Alcohol 7.98 g

0.58 25.09 𝒄𝒂𝒍⁄ 𝒄𝒂𝒍⁄ 𝒈 𝒈℃

202 𝒄𝒂𝒍⁄ 𝒈

ANÀLISIS Antes de dirigir el análisis hacia las curvas obtenidas en la práctica se debe estudiar la interacción intermolecular de las sustancias para explicar su comportamiento. Las propiedades físicas y químicas de una sustancia están íntimamente relacionadas con la estructura molecular. Cuando se analiza la composición del agua y del alcohol se puede observar grandes

Las fuerzas intermoleculares del alcohol etílico son dipolo-dipolo, presenta un momento dipolar pero sus fuerzas no son tan grandes como las del agua, el cual presenta puentes de hidrógeno. Con esto puede analizar que el agua va a presentar mayor punto de ebullición y de fusión que el alcohol etílico, debido a que a mayor fuerzas intermoleculares mayor va a ser el punto de fusión y de ebullición de la sustancia. El puente de hidrogeno es un tipo especial de interacción dipolo-dipolo entre el átomo de hidrogeno de un átomo polar, como NO, O-H o F-H, y un átomo electronegativo de O, N o F. La energía promedio de un puente de hidrogeno es demasiado grande para una interacción dipolo-dipolo (más de 40 KJ/mol). Por esta razón los puentes de hidrógeno tienen un fuerte efecto en la estructura y propiedades de muchos compuestos. (1)

El calor específico del agua es 4.184 J/g. O, el cual es demasiado elevado. La razón de ello es que para elevar la temperatura del agua (es decir, para aumentar la energía cinética promedio de sus moléculas), primero se deben romper muchos puentes de hidrógeno intermoleculares (2). Por se observa en la práctica que la cantidad de calor absorbida por el agua es mucho mayor que la del alcohol. Durante la práctica se tomaron medidas de la variación de la temperatura del agua y del alcohol para las curvas de enfriamiento, a partir de los datos obtenidos se tomó como base la información registrada en tabla 5. Estos datos fueron tomados a partir de la práctica y analizando los puntos donde hubo equilibrio inicial y finalmente. Aunque no corresponden realmente a la anterior clasificación, puesto que para ello se necesitaba que en la práctica se tomara la temperatura inicial del sistema y también la temperatura final hasta llevarlo a una solidificación cosas que no se hicieron. Por ello los anteriores datos a pesar de no corresponder a la realidad se tomaron con el fin de hacer una aproximación ó idea del calor cedido en ambos sistemas. A partir de lo anterior y de lo que se hablaba inicialmente de las estructuras moleculares de ambas sustancias se puede comprobar que el agua presenta mayores puntos de ebullición y fusión que el alcohol. A pesar que las curvas obtenidas no son perfectas como lo muestran muchos libros permiten analizar el comportamiento del agua y el alcohol en el transcurso del tiempo. Aparte de ello se pudo comprobar lo que ocurre en las sustancia físicamente cuando se elevan sus temperaturas. Por ejemplo si fijamos la atención en el peso inicial y el final del agua en la curva de calentamiento (Ver tabla 6) se observa que hay una disminución y ello se debe a que durante el calentamiento las partículas que estaban en estado líquido, con el aumento de la temperatura llegaron a un equilibrio con el vapor haciendo que varias de estas

partículas se liberaran disminuyendo la cantidad de líquido.

Al realizar las operaciones para hallar el calor total del sistema durante la curva de enfriamiento del agua y el etanol se obtuvo resultados negativos el cual es consistente con la teoría planteada en la guía de la presente práctica.

Preguntas: 1. ¿Qué se específico?

entiende

por

calor

El calor específico es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). En general, el valor del calor específico depende de dicha temperatura inicial. Se la representa con la letra (minúscula). En forma análoga, se define la capacidad calorífica como la cantidad de calor que hay que suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). Se la representa con la letra (mayúscula). Por lo tanto, el calor específico es la capacidad calorífica específica, esto es donde

es la masa de la

sustancia.(3)

(1) (2) (3)

CHANG, R; Química 9o ed. McGraw Hill. Pág. 457 CHANG, R; Química 9o ed. McGraw Hill. Pág. 461 es.wikipedia.org/wiki/Calor_espec%C3%ADfic

2. ¿Qué se entiende por calor latente?

R/ el calor latente o calor de cambio de estado es la energía requerida por una sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). Al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se libera la misma cantidad de energía.

Curva de enfriamiento del agua

Calor latente se refiere al calor de fusión o de evaporación, al no notarse un cambio un cambio de temperatura mientras se produce el cambio de fase (a pesar de añadir calor), éste se quedaba escondido.(4) 3. ¿Qué se entiende por calor? R/ El calor es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas. Con frecuencia se habla de “flujo de calor” desde un objeto caliente hacia uno frío. A pesar de que el termino calor por si mismo implica trasferencia de energía, generalmente se habla de “calor absorbido” o “calor liberado” para describir los cambios de energía que ocurren durante el proceso.(5) 4. Realice las curvas de calentamiento y enfriamiento del agua y el etanol Para realizar las siguientes gráficas se dividió el tiempo en minutos. Los puntos de cada una de ellas corresponden en su respectivo orden a los datos registrados en las tablas 1, 2 y 3. Curva de calentamiento del agua

Curva de enfriamiento del Etanol

5. explique la diferencia de los puntos de congelamiento del agua y el etanol. Las fuerzas intermoleculares (dipolodipolo) del etanol, presenta un momento dipolar pero sus fuerzas no son tan grandes como las del agua debido a esto el etanol tiene un punto de fusión de -114,1 °C, un punto de ebullición de 78,5 °C y una densidad relativa de 0,789 a 20 °C. Por otra parte el agua tiene puntos de ebullición, fusión y viscosidad muy altas, comparadas con otras sustancias no unidas entre sí por enlaces de hidrógeno. La razón para estos atributos es la dificultad, para romper estos enlaces. El agua es única porque sus átomos de oxígeno tiene dos pares libres y dos átomos de hidrógeno, significando que el número total de enlaces de una molécula de agua es cuatro (6). Por lo cual va a presentar mayor punto de ebullición 373.15 K (100 °C) y de fusión 273.15 K (0 °C) que el alcohol etílico, debido a que a mayor fuerzas intermoleculares mayor va a ser el punto de fusión y de ebullición de la sustancia. 6. Determine en las curvas, las temperaturas de fusión y ebullición del agua.

7. Determine la cantidad de calor absorbido por el agua en la parte I. asuma que la diferencia en las masas de agua inicial y final se debe exclusivamente al proceso de vaporización en el punto de ebullición. R/ Datos:

Ces= calor especifico de la sustancia solida Cel= calor especifico de la sustancia liquida Cev=calor especifico de la sustancia vaporizada. Ls= calor latente de fusión Ti= temperatura inicial Tf= temperatura de fusión Te= temperatura de ebullición TF= temperatura final mi = masa inicial mf =masa final



𝑐𝑎𝑙

𝟎,𝟓𝟎𝟎

Ces=

Cel=

Cev=

Lv

Q4= 48.46g. (540 𝒄𝒂𝒍⁄𝒈 )

𝑔 °𝑐

Q4=26168.4cal

𝑐𝑎𝑙

𝟎,𝟗𝟗𝟓

Q 4 = m.

𝑔°𝑐 𝑐𝑎𝑙

𝟎,𝟒𝟕𝟎



𝑔°𝑐

Q 5 = mf

Q

Ls= 79.82 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔 Ti= 4°C

Cev (TF−Te )

𝟎,𝟒𝟕𝟎 cal ) (93−92 )°C 5 = 20.11g( g°c

Q5=9.45 cal

Tf= 20°C 

QT= Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

Te= 92°C

QT= (387.68cal)+(3868.07cal)+(3471. 67cal)+(26168.4cal)+(9.45cal)

TF= 93°C mi = 48.46g mf = 20.11g

QT = 33905.27cal

Lv= 540 𝒄𝒂𝒍⁄𝒈



𝑄1= 𝑚𝑖 𝑄1 =

El calor absorbido por el agua es 9343.05 cal

8. Determine la cantidad de calor cedida por el agua en la parte II. Asuma que no hubo pérdidas de líquido por evaporización durante todo el proceso.

𝐶𝑒𝑠 (Tf−Ti )

48.46𝑔(

𝟎,𝟓𝟎𝟎 𝑐𝑎𝑙 )(20−4)°𝐶 𝑔 °𝑐

𝑄1= 387.68 𝑐𝑎𝑙 

𝑄2=𝑚𝑖.𝐿𝑠 Q 2= 48.46g(79.82 cal⁄g )

m= masa Ti=temperatura inicial Te=temperatura de ebullición Tf= temperatura de fusión TF=temperatura final Ce=calor especifico Ls=calor latente de fusión Lv=calor latente de evaporización

Q2 =3868.07 cal m= 20 g



Q 3 = mi

Ti = 95 ℃

Cel (Te−Tf )

Q3 = 48.46g( 𝟎,𝟗𝟗𝟓

g°c

cal

)(92−20 )°C

(8)es.wikipedia.org/wiki/Calor_latente

Q3=3471.67 cal

Te= 90 ℃ Tf = 15 ℃ TF = 12 ℃

Ce= 1.00 𝒄𝒂𝒍⁄𝒈 ℃ Ls= 79.82 𝒄𝒂𝒍⁄𝒈 Lv= 540 𝒄𝒂𝒍⁄𝒈 (8)

𝑸𝟏= 𝒎 𝑪𝒆𝒗 (𝐓𝐞−𝐓𝐟 ) 𝑄1= 20 g. (1.00 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔 ℃ ) (90-95) ℃

𝑸𝟏= 𝒎 𝑪𝒆𝒗 (𝐓𝐞−𝐓𝐟 ) 𝑸𝟏= 7.89 g (0.58𝑐𝑎𝑙⁄𝑔 ℃) (69-70)℃

𝑄1= -100 cal

𝑸𝟏=

𝑸𝟐=𝒎.𝑳𝒗 𝑄2= 20 g. (-540𝑐𝑎𝑙⁄𝑔) 𝑄2= -10800 cal

𝑸𝟐=𝒎.𝑳𝒗 𝑄2= 7.89 g (-202 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔) 𝑄2= - 1594 cal

𝑸𝟑 = 𝒎 𝑪𝒆𝒍 (𝐓𝐟−𝐓𝐞 ) 𝑄3= 20 g (1.00 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔 ℃ ) (15-90) ℃

𝑸𝟑 = 𝒎 𝑪𝒆𝒍 (𝐓𝐟−𝐓𝐞 ) 𝑄3= 7.89 g (0.58 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔 ℃) (7-69) ℃

𝑄3=

𝑄3=

-1500 cal

- 4.57 cal

-284 cal

𝑸𝟒 = 𝒎. 𝑳𝒔 𝑄4= 20 g (-79.8 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔) 𝑄4= -1596 cal

𝑸𝟒 = 𝒎. 𝑳𝒔 𝑄4= 7.89 g (-25.09𝑐𝑎𝑙⁄𝑔) 𝑄4= - 198 cal

𝑸𝟓 = 𝒎 𝑪𝒆𝒔 (𝐓𝐅−𝐓𝐟 ) 𝑄5= 20 g (1.00 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔 ℃ ) (12-15)℃

𝑸𝟓 = 𝒎 𝑪𝒆𝒔 (𝐓𝐅−𝐓𝐟 ) 𝑄5= 7.89 g (0.58 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔 ℃ ) (6-7) ℃

𝑄5=

𝑄5=

-60 cal

- 4.57 cal

𝑸𝑻 = 𝑸𝟏 + 𝑸𝟐 + 𝑸𝟑 + 𝑸𝟒 + 𝑸𝟓 𝑸𝑻 = (−𝟏𝟎𝟎 𝒄𝒂𝒍) + (−𝟏𝟎𝟖𝟎𝟎 𝒄𝒂𝒍) + ( −𝟏𝟓𝟎𝟎 𝒄𝒂𝒍 ) + (−𝟏𝟓𝟗𝟔 𝒄𝒂𝒍 ) + ( −𝟔𝟎 𝒄𝒂𝒍 ) 𝑸𝑻 = −𝟏𝟒𝟎𝟓𝟔 𝒄𝒂𝒍 El calor cedido por el agua es de -14056 cal.

𝑸𝑻 = 𝑸𝟏 + 𝑸𝟐 + 𝑸𝟑 + 𝑸𝟒 + 𝑸𝟓 𝑸𝑻 = (−𝟒. 𝟓𝟕𝒄𝒂𝒍) + (−𝟏𝟓𝟗𝟒 𝒄𝒂𝒍) + (−𝟐𝟖𝟒 𝒄𝒂𝒍 ) + (−𝟏𝟗𝟖 𝒄𝒂𝒍 ) + ( −𝟒. 𝟓𝟕 𝒄𝒂𝒍 ) 𝑸𝑻 = −𝟐𝟎𝟖𝟓. 𝟏𝟒 𝒄𝒂𝒍 El calor cedido por el alcohol etílico es de – 2085.14 cal.

9. repita los mismos cálculos para el alcohol etílico. Asuma que no hubo pérdidas de líquido por evaporización durante todo el proceso. m= 7.98 g

Ce= 0.58 𝒄𝒂𝒍⁄𝒈 ℃

Ti = 70 ℃

Ls= 25.09 𝒄𝒂𝒍⁄𝒈 Lv= 202 𝒄𝒂𝒍⁄𝒈

Te= 69 ℃ Tf = 7 ℃ TF = 6 ℃

10. consulte el calor de fusión, el calor

específico y el calor de evaporización del alcohol etílico. R/ 

Calor de evaporización para el etanol(7)

Sustanc ia

Calor de evaporizaci ón (cal/g)

Calor de evaporizaci ón .103( J/Kg)

Etanol (𝐶2 𝐻5 𝑂𝐻 ) 

202

Calor de fusión(7)



sustancia

Punto de fusión (cal/g)

Calor de fusión .103 (J/Kg)

Etanol (𝐶2 𝐻5 𝑂𝐻 )

25.09

104



Calor específico (cal/g.ºC)

Calor específico (j/kg °𝒌

0,58

2450

Etanol (𝐶2 𝐻5 𝑂𝐻 )

Conclusiones:



Con las curvas de calentamiento y enfriamiento se puede determinar los cambios que ocurren con las sustancias cuando se someten a diferentes temperaturas.

Calor especifico(7)

Sustancia



mezcla frigorífica, baño María) cuya temperatura es menor o mayor este le cede o absorbe calor a la sustancia.

854

Las fuerzas intermoleculares y los enlaces de hidrogeno están ligados a las propiedades físicas de las moléculas, ya que varia el punto de fusión, el punto de ebullición, viscosidad. Cuando se pone en contacto el agua y el etanol con otra sustancia o medio (ejemplo:

(7) www.monografias.com › Física

Bibliografía:   



CHANG, R; Química 9o ed. McGraw Hill. Pág. 457,239, 461 Química de Chang 7 ed. Pág 225 Guía de laboratorio de química 1. Pág. 40,41 INTERNET: Buscador: Google http://neuro.qi.fcen.uba.ar/ricuti/No _me_salen/TERMO/TEOR_calorim etria.html

ANEXO

Curva de Calentamiento del agua

Curva de enfriamiento del agua

Curva de enfriamiento del etanol