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PRÁCTICA 8 “CALOR LATENTE” Introducción: Mediante esta práctica pretendemos determinar la constante del calorímetro y así poder obtener el calor latente de fusión del agua. Podemos definir al calor como un fluido de energía debido a una diferencia de temperatura. El trabajo es la transferencia de energía en la frontera de al menos dos sistemas en contacto, entre las cuales hay un desequilibrio mecánico entre sí. A su vez podemos clasificar en calor sensible, el cuál será el que absorbe o cede el sistema para cambiar su temperatura sin que se modifique su estado de agregación. =mC El calor latente es la cantidad de calor que puede absorber o ceder un sistema para cambiar su estado de agregación sin que se modifique su temperatura. =Lm La constante del calorímetro calcula la cantidad de calor que absorbe o cede el calorímetro. Podemos determinar la constante del calorímetro ya que este nos dice que Qganado=-Qcedido.

Protocolo de experimentación: Calculamos la magnitud del voltaje (volts) y la resistencia (ohms). Para calcular la constante del calorímetro, realizamos la primera parte de la experimentación, vaciamos 100 mL de agua a temperatura amiente en el dewar, y registramos su temperatura cada 30 segundos durante 5 minutos. Por otra parte al llegar aproximadamente a los 4 minutos y medio, en un vaso de precipitados de 600mL colocamos 400 mL de agua y la calentamos con la resistencia hasta el punto de ebullición. Tomamos 100 mL de agua caliente en una probeta y tomamos su temperatura, después la vaciamos en el vaso dewar en el minuto 5 y registramos la temperatura de la mezcal cada 15 segundos

durante 2 minutos y medio. Con estos datos proporcionados calculamos la constante del calorímetro. En la segunda parte calentamos agua en un matraz erlenmeyer solo seis grados Celsius arriba de su temperatura inicial, para esto hicimos una mezcla entre agua caliente y agua fría dentro del dewar obteniendo un volumen total de 175 mL, hasta obtener esos seis grados de temperatura. Esperamos a que llegara al equilibrio térmico, y medimos la temperatura durante 5 minutos cada 30 segundos. Este paso anterior nos da el dato sobre la temperatura del agua caliente. Al minuto 4 pesamos 25 gramos de hielo aproximadamente, tomando con cuidados que estos no se fueran a derretir y secándolos antes de pesarlos, para ser más exactos en el peso del hielo. Agitamos cada 15 segundos hasta obtener la temperatura, luego tomamos la temperatura durante 5 minutos cada 30 segundos. Registramos los datos obtenidos en las siguientes tablas: PRIMERA PARTE: Determinación de la capacidad térmica del calorímetro Datos: Masa del agua fría (mf): 100 g Masa del agua caliente (mc): 100 g Temperatura del agua caliente en la probeta: 79°C Que materiales ganan: Agua fría y dewar Que materiales ceden: agua caliente. DATOS EXPERIMENTALES Tiempo (min) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

Temperatura °C 21.7 21.7 21.8 21.8 21.8 21.8 21.8 21.8 21.8 21.8

Tiempo (min) 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0

Θ inicial (°C) 47.6 47.6 47.5 47.5 47.5 47.5 47.4 47.3 47.3 47.3

Q ganado = -Q cedido QH2OFRÍA + QK=-QH2O cedido mH2O fria * CH20(Teq-Th20 f) + K(Teq-Th20 fria) = - mh20 caliente * CH20 (Teq – TH20 caliente) Teq = Temperatura final (

) (

(

)

(

) (

( )

((

)

(

)

SEGUNDA PARTE. Determinación del calor latente de fusión del hielo Datos:

Masa del agua aproximadamente 6°C más a la temperatura ambiente: 175 g Masa del hielo: 26.15 g

Agua ambiente Tiempo (min) 0.5

Temperatu ra 24.4 °C

1.0

24.4 °C

1.5

24.4 °C

2.0

24.4 °C

2.5

24.4 °C

3.0

24.4 °C

3.5

24.4 °C

4.0

24.4 °C

4.5

24.4 °C

5.0

24.4 °C

)

Datos de la mezcla Tiempo (seg) 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 315

Temperatura 23.5 22.5 21.9 21.3 20.6 19.9 19.3 18.6 18.0 16.7 15.3 14.2 13.9 13.3 12.7 12.3 12.1 12.0 11.9 11.9 11.9

))

(

(

K 23.82

)

Q calorímetro 297.75

)

(

(

)

)

(

Q sensible, hielo. (cal) 311.18

(

)

Q agua (cal) -2187.5

)

cal/g

L (cal/g)

% Error

83.13

3.91%

Q calorímetro: -K(Tf-Ti) = -23.82 (11.9-24.4) = 297.75 Q sensible, hielo: Q agua=

( (

) )

• ¿Qué fuentes de error han intervenido en esta determinación? La altura de la ciudad de México para el punto de fusión del hielo, el cambio constante de temperatura del agua, el no traspasar el agua tan rápido como para no perder calor en este y pesar un poco de agua al pesar el hielo. • ¿Por qué es necesario secar el hielo con una toalla antes de añadirlo al agua? Porque podemos pesar agua y ahí ya no se calcularía adecuadamente el calor latente • ¿Por qué es necesario que la temperatura inicial del agua sea superior a la temperatura ambiente al iniciar el experimento? Para que esta encuentre el equilibrio primero y se pueda tomar más fácilmente la medición.

• ¿Cómo se podría mejorar la determinación? Realizando el experimento sin cambios de temperatura del ambiente y con hielo a 0°C y totalmente seco. Análisis: El calor latente de fusión del hielo, como sabemos existe el calor sensible y el calor latente, el primero fluye dentro de un sistema pero no cambia el estado, solo cambia la temperatura, en el calor latente ocurre lo contrario, no se modifica la temperatura, pero si existe un cambio de estado, en ese caso que fue el que analizamos en la práctica se necesita el valor de “L” una constante que tiene que unidades J/g, KJ/kg o cal/ g, Esta fue calculada gracias a un análisis del sistema, es decir, de la mezcla de hielo y agua, quien cede calor y quien gana, y el cambio de esta estado que el hielo está sufriendo a causa de la temperatura del agua, para ello fue necesario determinar nuevamente el valor de K (constante de calorímetro) pues también forma parte del sistema y también cedió calor. L representa el calor latente de fusión del hielo, es decir el cambio en la entalpía, y teóricamente sabemos que este valor es de 80 cal/g, así con nuestro valor, que fue de 83.13, pudimos determinar el porcentaje de error, el cual fue de 3.91% y estos errores se pueden atribuir a errores en las mediciones de temperatura principalmente, en los tiempos ya que no en todos fueron exactamente los segundos indicados.

Conclusiones:  El calor latente y el calor sensible no son lo mismo ya que el sensible pueden existir cambios de temperatura, mientras que en el latente se mantiene constante, pero también necesita de un cierto calor asociado para que este se de y ocurra un cambio de estado.  El calor latente de fusión lo podemos obtener por medio de los datos obtenidos de calor que se cede y el calor que se gana, con las Q del agua con temperatura en equilibrio, la Q del calorímetro y la Q de nuestro hielo.  Sabemos que tenemos un 3.91% de error en nuestro resultado gracias a que la medición de la constante del calorímetro no fue tomada correctamente y se tuvo que repetir, por lo que la temperatura ambiental y de nuestro calorímetro pudo variar.  Existieron errores en la realización de nuestro experimento por diversas causas como el hielo mojado, el hielo no se encontraba a 0°C por la altura cambio de temperatura, nuestro termómetro no funcionaba y se tuvo que cambiar etc que nos crean esa diferencia al calcular el % error.

ACTIVIDADES SUGERIDAS PARA COMPLEMENTAR EL TEMA DE ENTALPIA DE FUSION DEL HIELO. 1. Es posible mantener alimentos relativamente fríos sin utilizar un refrigerador, envolviéndolos con una toalla empapada en agua fría. ¿Por qué funciona este procedimiento? Si es posible, y el procedimiento funciona porque antes de que el agua fría de la toalla se caliente por medio de los cuerpos a enfriar tiene que haber un equilibrio térmico el cual reduce la temperatura de los objetos calientes. 2. El hielo seco (anhídrido carbónico), el alcanfor y el yodo pasan directamente del estado sólido al gaseoso (se subliman). ¿Estos cuerpos, absorben o ceden calor en dicho proceso? Absorben calor del medio en el que se encuentran para poder hacer el proceso de sublimación. 3. Un trozo de hielo a cero grados Celsius funde en un vaso de vidrio. ¿Cuál es la temperatura de la mezcla de hielo-agua cuando el hielo está (a) a medio fundir, (b) fundido en un 90%? En los dos casos se encuentran los dos a 0° C ya que se encuentra en el proceso de calor latente de fusión y en este la temperatura se mantiene constante. 4. Una persona que usa lentes observa que se empañan cuando en un día frío pasa de una habitación caliente al exterior. ¿Por qué? Porque al encontrarse en a primera habitación encuentran un equilibrio que al pasar a la otra habitación fría los lentes ceden calor creando ese vapor. Problemario 1. Se coloca la misma cantidad de agua a 60 °C en dos recipientes adiabáticos. Se añade un poco de hielo a uno de ellos e igual masa de agua a 0 °C al otro. ¿Cuál de las dos mezclas alcanzará menor temperatura? ¿Por qué?

La mezcla que contiene hielo, ya que este absorbe calor latente, requiere energía para un cambio de fase y un aumento de temperatura al llegar al equilibrio, que comparando con el agua, esta ya aumenta su temperatura directamente porque se encuentra en una fase líquida.

2. Se suministran 2880 Btu a 30 lb de hielo a 32 °F. ¿Cuánto hielo queda sin fundir?

Calor latente:334,4 kJ/kg a 0 ºC 2880 Btu = 3038.56086 kJ ; 30 lb = 13.6077711 kg ; 32°F = 0 °C m= (-Q/L) + mi = -9.0866 + 13.6077 = 4.5310 kg 4.5310 kg de hielo no se alcanzaron a fundir

3.Se coloca un cubo de hielo a 0 °C en 500 g de agua a 60 °C. La temperatura final es de 18°C.¿Cuál era la masa del cubo de hielo? L=79,9 cal/g m L + m Ca (18° - 0°) = 0,5kg Ca (60° - 18°) m (L + 18° Ca) = 500 g Ca 42°C m= 214 g de hielo 4.Una muestra de 15 cm de cierto líquido se calienta y la variación de la temperatura en función del tiempo se representa en la figura 1. Si se calienta el doble de volumen (30 cm) del mismo líquido, ¿cuál de los siguientes gráficos de calentamiento se obtendrá?

La gráfica del inciso D. Ya que al existir un aumento en el volumen (el doble), sabemos que la temperatura va a disminuir hasta la mitad.

BIBLIOGRAFIA:  Alvarenga B. y Máximo A. Física general. México: Harla, 1983  García Gómez C. et al. Química general en cuestiones. México: AddisonWesley Iberoamericana, 86,1990.  Efron A. El mundo del calor. Buenos Aires: Bell Santander, 1971