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• Eduardo Lara Magaña

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I N S T I T U T O P OL I T É C N I C O N A C I ON A L UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE INGENIERÍA CAMPUS GUANAJUATO

LABORATORIO DE TERMODINÁMICA I PRÁCTICA 4: Efectos térmicos 3: calor de fusión. CARRERA: Ingeniería Farmacéutica. ASIGNATURA: Termodinámica

GRUPO: INTEGRANTES:

I.

EQUIPO No:     

SEMESTRE: Segundo

FECHA:

HABILIDADES A DESARROLLAR: Que el alumno el concepto de calor involucrado en los cambios de fase de las sustancias puras. Que el alumno determine experimentalmente el calor de fusión de un cubo de hielo.

II.

INTRODUCCIÓN Y JUSTIFICACIÓN (Por equipo): El concepto de calor latente (fusión y vaporización) se explicará de manera intuitiva. Considere el siguiente gráfico donde se representa el calor añadido a una sustancia contra la temperatura. Más específicamente, se considera el caso del agua.

Figura 1. Gráfica de temperatura contra calor suministrado para el agua.

Inicialmente, se tiene agua en el estado sólido; a medida que se le suministra calor su temperatura se incrementa (calor sensible) hasta llegar a un punto donde la pendiente no cambia, es decir, la temperatura se mantiene constante hasta que toda la fase sólida se convierte a fase líquida (calor sensible de fusión), después de esto, la temperatura del agua líquida comienza a incrementarse nuevamente hasta llegar nuevamente a un punto donde la pendiente no cambia, es decir, la temperatura se mantiene constante hasta que toda la fase líquida se convierte a fase gaseosa (calor latente de vaporización). Después de esto, si se sigue suministrando calor, la temperatura del agua también se incrementará, pero, sin haber más cambios de fase. La temperatura de fusión del agua es de 0 °C y su temperatura de vaporización 100 °C, además, el calor de fusión a la temperatura de fusión es de 334 kJ/kg y el calor de vaporización también a la temperatura de vaporización es de 2260 kJ/kg. El calor de fusión y de vaporización se puede estimar mediante la ecuación de Clayperon que se expresa como:

Donde es el calor latente, T es la temperatura (K), molar) producto del cambio de fase y P es la presión.

es el cambio de volumen (específico o

Experimentalmente, el calor de fusión del hielo se determina por el método de las “mezclas”: dicho método consiste en introducir una masa de hielo (m hielo) a una temperatura (Th) en un calorímetro conteniendo una masa de agua (m agua) a una temperatura inicial (Ti). Después de esto, el contacto entre el agua y el hielo provocará que el cubo de hielo se funda ya que recibirá calor tanto del agua como del calorímetro. Debido a este proceso, este nuevo sistema alcanzará una temperatura de equilibrio (Te). El calor que absorbe el hielo se expresa mediante los siguientes términos:

El aporte de calor proviene tanto del agua como del calorímetro a la temperatura inicial. La expresión anterior también se puede formular de la manera siguiente:

(

)

( ( (

)

) )

Ahora, si se tiene en cuenta que la temperatura de fusión del hielo (Th) es de 0 °C entonces se puede despejar el calor latente de fusión experimental del hielo ( ):

(

)(

)

III. MATERIAL, HERRAMIENTAS Y EQUIPO DE SEGURIDAD A EMPLEAR: Material         

Calorímetro (consulte la práctica 1). 2 Termómetros. Agitador de vidrio. Probeta de 100 mL. 1 matraz Erlenmeyer de 100mL. Soporte universal con anillo. Pinza universal con adaptadores (nueces). Mechero con tanque de gas. Balanza analítica.

Sustancias  Cubitos de hielo.  Agua destilada (H2O). IV.

DESARROLLO EXPERIMENTAL:

1. Determine el calor específico del calorímetro ( ) de la misma manera que se hizo en la práctica uno. Registre también la masa del calorímetro ( ), recuerde que no es el conjunto completo sino solamente el vaso del interior. 2. Agregue una cantidad conocida de agua al interior del calorímetro ( ). Registre la temperatura del agua. La masa la puede determinar a partir del volumen y del siguiente polinomio para calcular la densidad en función de la temperatura: donde T 3 debe estar en °C y la densidad tiene unidades de kg/m . 3. Pese un cubito de hielo. Registre su masa ( ) y temperatura ( ). 4. Nuevamente registre la temperatura del agua dentro del calorímetro después de que ha alcanzado el equilibrio térmico con el calorímetro ( ). 5. Agregue el hielo al agua que se encuentra contenida en el calorímetro. Tape rápidamente y con precaución el calorímetro. Tenga en cuenta que la tapa debe tener colocado el termómetro. 6. Deje que el sistema alcance el equilibrio térmico nuevamente y registre la temperatura ( ). 7. Repita dos veces el procedimiento a partir del paso 2.

V.

REGISTRO DE DATOS Y RESULTADOS (Por equipo): Tabla 1. Datos experimentales.

EXPERIMENTO

(kJ/kg°C)

(kg)

(kg)

(kg)

(°C)

(°C)

(°C)

1 2 PROMEDIO

Nota: Los datos siguientes serán útiles para determinar el calor de fusión. , , (Se puede utilizar este valor en caso de que haya errores en la determinación del

).

Tabla 2. Comparación entre los resultados teóricos y los experimentales.

CANTIDAD

VALOR 334 kJ/kg

|

VI.

|

NOMENCLATURA: = Calor latente de fusión del hielo, kJ/kg. = Masa del agua a temperatura ambiente, kg. = Masa del cubito de hielo, kg. = Masa del calorímetro (vaso de precipitados interno), kg. . = Calor específico del agua, kJ/kg °C. . = Calor específico del calorímetro, kJ/ kg °C. = Temperatura inicial del agua momentos antes de agregar el cubito de hielo, °C. = Temperatura del cubito de hielo, °C. = Temperatura de equilibrio que alcanza el sistema después de agregar el cubito de hielo, °C.

VII. 1. 2. 3. 4. 5.

VIII.

IX.

CUESTIONARIO (Por equipo): ¿Qué es el calor sensible? ¿Qué es el calor latente? ¿Por qué se mantiene constante la temperatura en la fusión y vaporización de una sustancia? ¿Por qué la determinación del calor latente se realizó utilizando un calorímetro? ¿El aporte calorífico del calorímetro a la fusión es significativo? ¿Por qué?

ANÁLISIS DE RESULTADOS nombre del integrante):

Y CONCLUSIONES (Individuales, registrar el

BIBLIOGRAFÍA: Mortimer, R.G.; “Physical chemistry”, Third Edition, Elsevier, 2008. Smith, J.M., Van Ness, H.C., Abbot, M.M.; “Introducción a la termodinámica en Ingeniería Química”, 6ª. Edición, Mc Graw Hill, 2003.

X.

ANEXOS (Si es que existen):