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• Johana Giraldo

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CURVAS DE CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO

RESUMEN Mediante tres experimentos se determinó las curvas de calentamiento y enfriamiento del agua y la curva de enfriamiento del alcohol etílico, a través de la medición de los cambios de temperatura conforme las sustancias mencionadas presentan un cambio de fase según el procedimiento al que son expuestas, ya sea enfriamiento o calentamiento, logrando de ésta manera, reconocer los equilibrios entre los estados sólido-líquido-vapor, e identificando las temperaturas experimentales de fusión y ebullición de cada sustancia, las cuales coinciden con las temperaturas reportadas por la teoría. Palabras Clave: Equilibrio, fusión, ebullición, curva de calentamiento, curva de enfriamiento.

INTRODUCCIÓN Por medio de las curvas de calentamiento y/o enfriamiento, se determina el calor ganado o cedido por una sustancia, además de las temperaturas a las cuales se encuentre un equilibrio entre los estados sólido-líquido-vapor. El calor es una forma de energía que los cuerpos almacenan (energía interna) que ocurre en función del estado de vibración de sus moléculas y depende de su estructura. El calor específico es la cantidad de calor que se necesita por unidad de masa para elevar la temperatura un grado Celsio. La relación entre calor y cambio de temperatura, se expresa normalmente con la formula Q=cmΔT, donde c es el calor específico. Esta fórmula no se aplica si se produce un cambio de fase, porque el calor añadido o sustraído durante el cambio de fase no cambia la temperatura.

En el experimento de la curva de calentamiento del agua, se pesó cierta cantidad de hielo y se calentó hasta alcanzar el punto de ebullición midiendo la temperatura cada 30 segundos, una vez terminado este procedimiento se pesó la masa final del agua. Para la curva de enfriamiento, se tomó 20mL de agua destilada y se calentó hasta alcanzar el punto de ebullición, se determinó dicha temperatura de ebullición como la temperatura inicial, después se retiró la fuente de calor y se midieron temperaturas cada 30 segundos hasta que el agua disminuyó a 35°C, luego se inició el enfriamiento de la muestra, registrando la variación en la temperatura por 2 minutos más. Este procedimiento se repitió con el alcohol isopropílico.

DATOS

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).Se debe

Para la curva de calentamiento del agua se midió la masa del hielo, la cual fue de 54.43 g.

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; por tanto al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se libera la misma cantidad de energía.

Tabla 1. Mediciones de calentamiento del agua

METODOLOGÍA

En la tabla 1. Se muestra el registro de las mediciones realizadas en el primer experimento con la muestra de hielo.

Tiempo (s) 0 30 60 90

la

Curva

Temperatura °C -0.3 0.2 0.4 0.5

de

0.9 1.6 2.1 2.3 2.9 3.6 3.9 4.9 5.8 7.4 13.4 21.6 33.0 42.8 48.8 54.4 59.4 65.5 71.5 78.5 85.3 93.2 97.1 97.5 97.8 98.0

Una vez finalizado el procedimiento anterior se midió la masa del agua final, la cual fue de 48.44g En la gráfica uno, se aprecia la curva de calentamiento del agua:

120

Temperatura °C

120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810 840 879

100 80 60 40 20 0 -20 0

200

400

600

800

1000

Tiempo (s)

Se calcula el calor para las etapas realizadas en la práctica, teniendo en cuenta que en la teoría el calor específico del agua sólida es 0.55cal/g y que m es la masa del agua. Q1=m Ces (Tf-Ti) 0.55 𝐶𝑎𝑙 )(0.2°C 𝑔

Q1= 54.43g (

– (-0.3°C)

Q1=14.97cal Para hallar Q2 se tiene en cuenta que el valor teórico de Calor latente (Ls) es 79.72cal/g Q2= m (Ls) 79.72𝑐𝑎𝑙 )=4339 𝑔

Q2= 54.43g (

cal

Para Q3 se tiene en cuenta el valor teórico del calor especifico de la sustancia líquida (Cel) como 1.00cal/g, además se toman como Te a la temperatura de ebullición y a Tf como la temperatura de fusión. Q3= m Cel (Te- Tf) 1.00𝐶𝑎𝑙 )(97.8 𝑔

Q3= 54.43g(

°c- 0.0°c)

Q3=5306 Cal Para Q4 el calor latente de vaporización Lv es (539,4 cal/g). Q4= 54.43g *(539,4 cal/g)= 2936cal Gráfica1. Curva de Calentamiento del agua

Para Q5, se conoce que el calor específico de vaporización del agua Cev es 0.50cal/g, la variable TF corresponde a la temperatura final del proceso y Te a la temperatura de ebullición. Q5=m Cev (TF – Te) 0.50𝑐𝑎𝑙 )(98.0-97.5) 𝑔

Q5= 54.43( Q5= 13.61

El calor total gastado durante el proceso seria: QT=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5 QT= 12618.41 cal Para la curva de enfriamiento se registraron los datos que se observan en la siguiente tabla: Tabla 2. Curva de enfriamiento del agua Tiempo (s) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810 840 879 909 939 969 999 1029 1059 1089 1119 1149 1179 1209 1239

Temperatura °C 97.5 89.0 87.8 76.2 74.0 71.6 69.6 67.2 65.9 64.1 62.6 61.4 59.6 58.8 57.7 56.6 55.4 54.4 53.7 52.7 51.6 51.1 50.5 49.6 48.8 48.0 47.2 46.2 45.7 44.8 44.1 43.3 42.8 42.2 41.7 41.3 40.7 40.2 40.0 39.7 39.1 38.9

1269 1299 1329 1359 1389 1419 1449 1479 1509 1539 1569 1599 1629 1659 1689 1719 1749 1779 1809 1839 1869 1899 1929 1959 1989 2019 2049 2079

38.3 38.1 37.8 37.4 37.1 37.0 36.5 36.1 35.0 33.8 30.7 28.9 24.5 23.5 20.5 18.4 16.3 15.0 13.7 12.6 11.3 10.4 9.2 7.5 6.6 5.8 4.9 4.0

Q1= m Cev (Te –Ti) 0.50𝑐𝑎𝑙 )(97.8°C 𝑔

Q1=48.44g (

– 97.5°C)

Q1= 7.266 cal

Ahora para Q2=m Lv Q2=48.44g (539,4 cal/g)= 2613 Cal

En Q3=m Cel (Tf –Te) 1.00𝐶𝑎𝑙 )(4.9°C 𝑔

Q3= 48.44g (

-97.8°C)

Q3= - 4500 Cal Q4= m Ls 79.72𝑐𝑎𝑙 )=3861Cal 𝑔

Q4= 48.44g (

La fórmula de Q5 es

390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810 840 879 909 939 969 999 1029 1059 1089 1119

Q5= m Ces (TF – Tf) 0.55 𝐶𝑎𝑙 )(4.0°C-4.9°C) 𝑔

Q5= 48.44 (

Q5= -23.98 Cal El calor extraído para el proceso es Qt= 1957

La siguiente gráfica muestra la curva de enfriamiento del agua según los datos registrados en la tabla 2. Gráfica 2. Curva de enfriamiento del agua (T Vs. Tiempo) 120 100 80 60 40

51.4 50.9 50.2 49.1 48.7 47.8 47.8 47.3 46.5 45.3 44.5 43.7 32.9 24.9 20.7 17.2 14.0 11.2 10.1 9.1 8.5 7.9 7.5 7.3 7.0

20 0 0

500

1000

1500

2000

2500

La siguiente tabla muestra la curva de enfriamiento del alcohol etílico, según los datos de la tabla 3. Gráfica 3. Curva de enfriamiento del etanol

Se repitió el experimento anterior, pero esta vez usando alcohol etílico, los datos se muestran en la tabla No. 3 Tabla 3. Curva de enfriamiento del alcohol etílico Tiempo (s) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Temperatura °C 68.0 67.8 66.9 65.6 64.2 62.1 60.0 59.3 57.6 56.0 55.6 54.3 53.2

80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

200

400

600

800

1000

1200

Los cálculos de la curva de enfriamiento del alcohol etílico se hacen de la misma forma que en el caso del agua, pero usando los valores teóricos del alcohol, estos son los resultados: Q1= 5.171Cal Q2=9082Cal Q3= -4702Cal

Q4=1104Cal Q5=3127 Cal QT= 8616 RESULTADOS Y DISCUSIÓN Todo cambio de fase va acompañado por un cambio en la energía del sistema, que en este caso, es energía en forma de calor, En el primer experimento se presentan dos cambios de fase, el primero de ellos es de sólido a líquido, el agua se encuentra inicialmente en estado sólido, en el que sus moléculas se encuentran fijas unas respecto a otras gracias a los puentes de hidrógeno, la primera gota de líquido se observó a 0.0°C, lo cual evidencia el inicio del punto de fusión, ya que al aumentar la temperatura del sólido, sus moléculas vibran en torno a sus posiciones por la energía proporcionada en forma de calor, así que se establece un equilibrio dinámico de sólidolíquido, en ese instante, la temperatura es constante o tiene variaciones muy leves como se observa en la gráfica 1., esto se debe a que todo el calor ganado es utilizado para romper las fuerzas intermoleculares y lograr el cambio de fase, lo cual se denomina calor latente. Cuando el sólido se derrite, sus moléculas quedan en libertad de moverse unas respecto a otras, ya que ha aumentado su energía cinética. Cuando se ha conseguido cambiar de fase sólida a líquido, la temperatura volvió a aumentar de a un grado Celsius, hasta alcanzar el punto de ebullición, a esto se le conoce teóricamente como calor específico, el cual es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de un cuerpo o una sustancia en 1°C, en el momento en que el agua alcanzó su temperatura de ebullición (97.8°C) nuevamente se presentó un equilibrio dinámico entre condensación y vaporización, por lo que la temperatura vuelve a ser constante mientras ocurre el cambio de fase, lo cual se conoce como calor latente de vaporización. La diferencia en las masas de agua inicial y final se debe al proceso de vaporización, ya que las

moléculas en estado gaseoso al estar mucho más separadas y al tener mayor energía cinética se escapan del recipiente, perdiéndose así, cierta cantidad de agua con respecto a lo que se tenía al inicial el experimento. Al realizar los cálculos, se encontró que el calor ganado por el agua durante el proceso fue de 12618.41 cal Respecto a la curva de enfriamiento del agua y el alcohol etílico, conforme las partículas en fase gaseosa se condensan, se libera calor del sistema porque su energía está disminuyendo, durante éste equilibrio dinámico la temperatura es contante o varia muy poco hasta que todas las moléculas de vapor pasan a estado líquido y una vez ha ocurrido este cambio, la temperatura comienza a bajar, experimentalmente, no se observó el cambio de fase de líquido a sólido, ya que para esto se requiere mejores condiciones para la mezcla frigorífica y un poco más de tiempo para seguir disminuyendo la temperatura del agua o el alcohol y eliminar mucha más energía. Según los cálculos realizados, la cantidad de calor extraída de la muestra de agua fue de 1957Cal y la del etanol fue de 8616Cal. CONCLUSIONES Se determinó que cada cambio de fase implica un cambio en la energía del sistema, en el caso de la curva de calentamiento, se absorbe energía en forma de calor, mientras que en la curva de enfriamiento se extrae la energía a medida que disminuye la temperatura. Las fuerzas intermoleculares que se rompen durante cada equilibrio dinámico lo hacen por medio del calor latente de fusión, el cual no genera un aumento en la temperatura del sistema sino que la mantiene constante, ya que esta energía se usa totalmente para eliminar las fuerzas intermoleculares y lograr el cambio de fase, una vez esto ocurre, la temperatura vuelve a aumentar de a un grado Celsius hasta alcanzar el otro cambio de fase, este aumento en la temperatura es el calor específico.

REFERENCIAS 1. Brown T; Lemay H.; Bursten B. (2004). Fuerzas Intermoleculares, líquidos y sólidos. En: Química la ciencia central. Gonzáles R. Pearson Education, México. Pág. 420-422. 2. Chang, R; College, W. (2002). Gases. En: Química. Hernandez. McGraw-Hill, México. Pág. 446-452.

2. ¿Qué se entiende por calor latente? Cuando se inicia un cambio de estado en una sustancia pura la temperatura se paraliza hast a que el cambio deestado se completa, y todo el calor invertido exclusivamente en vencer las fuerzas intermoleculares se denomina calor latente de cambio de estado, característico de cada sustancia y cada cambio de estado particular, y que presenta un valor idéntico en ambos sentidos. ¿Qué se entiende por calor?

3. Tovar, S; Rojas, C. http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbasees/thermo/spht.h tml. Noviembre del 2017. PREGUNTAS ¿Qué se entiende por calor específico? La emisión o absorción de calor hace que los objetos cambien de temperatura. El cambio de temperatura que un objeto experimenta cuando absorbe cierta cantidad de energía está determinado por su capacidad calorífica. La capacidad calorífica de un objeto es la cantidad de calor necesaria para elevar su temperatura en 1ºC. Cuanto mayor es la capacidad calorífica de un cuerpo, más calor se necesita para producir una elevación de temperatura dada. En el caso de sustancias puras, la capacidad calorífica suele darse para cierta cantidad de la sustancia. Capacidad calorífica de 1 mol de una sustancia se denomina capacidad calorífica molar. La capacidad calorífica de 1 g de una sustancia es su capacidad calorífica específica, o simplemente su calor específico. Por lo tanto, el calor específico de una sustancia es la cantidad de calor que se necesita para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de la sustancia. El calor específico es una propiedad intensiva, mientras que la capacidad calorífica es una propiedad extensiva.

El calor es una forma de energía denominada energía térmica. La energía térmica es la energía cinética promedio de las moléculas de un cuerpo. Por lo tanto se define calor como la energía cinética molecular total que se transfiere de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Entre mayor sea la vibración o movimiento de las moléculas habrá más energía térmica, y mientras mayor sea esta dentro determinado cuerpo o determinada sustancia, tendrá mayor temperatura. Cuando el calor entra en un cuerpo se produce calentamiento y cuando sale, enfria miento. Incluso los objetos más fríos poseen algo de calor porque sus átomos se están moviendo.