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• Alexis Muñoz

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Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán

Ingeniería Mecánica Eléctrica

Laboratorio de Termodinámica Grupo: 1251 - A Horario: Lunes 14:00 – 16:00

Practica No. 7 (Calor Sensible y Calor Latente) Alumno: Muñoz Cruz Javier Alexis Profesor: Ing. Diaz del Castillo Felipe Fecha de Elaboración: 30 de Octubre de 2017 Fecha de Entrega: 06 de Noviembre de 2017 Semestre: 2018 – I

Objetivo. Obtener el calor sensible y el calor latente del agua.

Introducción. CALOR SENSIBLE 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. El nombre proviene de la oposición a calor latente que se refiere al calor "escondido", es decir que se suministra, pero no "se percibe" el efecto de aumento de temperatura como un cambio de fase de hielo a agua líquida y de ésta a vapor. El calor sensible sí se percibe, puesto que aumenta la temperatura de la sustancia, haciendo que se perciba como "más caliente", o por el contrario, si se le resta calor, la percibimos como "más fría". Para aumentar la temperatura de un cuerpo hace falta aplicarle una cierta cantidad de calor (energía). La cantidad de calor aplicada en relación con la diferencia de temperatura que se logre depende del calor específico del cuerpo, que es distinto para cada sustancia. El calor sensible se puede calcular en algunos casos simples: Si el proceso se efectúa a presión constante: 𝑄 𝑠 = 𝛥 𝐻 = 𝑚 𝐶 𝑝 ( 𝑡2 − 𝑡1 ) En donde H es la entalpía del sistema, m es la masa del cuerpo, Cp es el calor específico a presión constante (definido como la cantidad de calor requerida para aumentar en un grado la temperatura de la unidad de masa de un cuerpo a presión constante), t2 es la temperatura final y t1 es la temperatura inicial del cuerpo. Si el proceso se efectúa a volumen constante: 𝑄 𝑠 = 𝛥 𝑈 = 𝑛 𝐶 𝑣 ( 𝑡2 − 𝑡1 )

En donde U representa la energía interna del sistema, n son las moles de la sustancia y Cv es el calor específico a volumen constante. Los valores de calor específico varían también con la temperatura ambiente y el estado físico de agregación de las sustancias. CALOR LATENTE Cuando un líquido pasa al estado gaseoso, toma calor latente; cuando un gas se condensa y pasa al estado líquido, cede calor latente. Durante esos procesos la temperatura no experimentará cambio alguno.

Cuando un sistema absorbe (o cede) una determinada cantidad de calor puede ocurrir que experimente un cambio en su temperatura (calor sensible) b) experimente un cambio de fase a temperatura constante (calor latente) Tipos de calor latente

Si se entrega calor (calor sensible) a cierta masa de hielo cuya temperatura es menor a 0o C a 1 atm de presión, permanecerá en estado sólido hasta que su temperatura alcance los 0o C. En este punto el hielo permanece a temperatura constante y comienza a fundirse (calor latente). La fusión es una transición de fase, una transformación desde la fase sólida ordenada a la fase líquida desordenada. Esta transición ocurre cuando el calor "rompe" algunas de las ligaduras químicas de las moléculas de agua permitiendo así que éstas se muevan más libremente. El hielo se transforma en agua, perdiendo su forma, su rigidez y su estructura cristalina. La temperatura de fusión del hielo es 0o C a 1 atm. La mezcla de hielo y agua continúa a 0o C hasta que todo el hielo se haya fundido. Cuando sólo hay agua el calor entregado produce aumento de la temperatura. Las ligaduras entre las moléculas de agua son relativamente fuertes, de manera que el calor latente de fusión del agua es grande: se necesitan alrededor de 333 000 J de calor para convertir 1kg de hielo a 0o C en 1kg de agua a 0o C. Esta misma cantidad de calor es suficiente para elevar la temperatura de 1kg de agua líquida en 80 o C ; de manera que se necesita casi la misma cantidad de calor para fundir un trozo de hielo que para calentar el agua resultante casi hasta la temperatura de ebullición. El calor latente de solidificación reaparece cuando se enfría agua a su temperatura de fusión y comienza a solidificar. A medida que se extrae calor del agua, ésta se solidifica en hielo y su temperatura no desciende. El calor que se libera cuando cierta masa de agua se transforma en hielo, sin cambiar su temperatura, es también el calor latente de fusión. Este enorme calor latente de fusión es lo que mantiene una mezcla de agua y hielo a 0 o C Si se transfiere suficiente cantidad de calor al agua (o al hielo), ésta puede vaporizarse (o sublimarse). La cantidad de calor necesaria para transformar cierta masa de líquido o de sólido en gas, sin cambiar su temperatura, se denomina calor latente de vaporización o de sublimación respectivamente. El calor latente de vaporización del agua es sorprendentemente alto debido a que sus moléculas son difíciles de separar. Se necesitan alrededor de 2 300 000 J de calor para convertir 1 kg de agua a 100 o C en 1 kg de vapor de agua a 100 o C. Esta misma cantidad de calor elevaría la temperatura de 1 kg de agua en más de 500 o C. Aún más cantidad de calor se necesita para convertir directamente hielo en vapor de agua (sublimación). Cálculo de la cantidad de calor necesaria para el cambio de estado. 𝑄 = 𝑚𝐿

Donde: L es el calor latente de la sustancia, m es la masa de sustancia que cambia de estado.

Material y Equipo. 

Calorímetro

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Termómetro de mercurio

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Vaso de precipitados

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Cronometro

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Multímetro

Desarrollo. 1. Con ayuda del multímetro mida el voltaje de línea. (𝑉 = 124.8 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠) 2. Mida el valor de la resistencia del calorímetro. (𝑅 = 27.1 Ω) 3. Vierta 1500 ml de agua al calorímetro. 4. Con ayuda del termómetro, mida la temperatura inicial del agua. (𝑇 = 24°𝐶) 5. Conecte el calorímetro 6. Tome el tiempo que tarda el agua en alcanzar una temperatura de aproximadamente 85°C (no olvide agitar constantemente el líquido para homogeneizar la temperatura). (𝑡 = 14’19’’) 7. Caliente el líquido hasta que empiece a hervir (aproximadamente 92°C), y a partir de ese momento con ayuda del cronometro deje transcurrir 8 minutos. (𝑡 = 8’03’’) 8. Desconecte el calorímetro. 9. Con mucho cuidado mida el agua que quedo dentro del calorímetro, la diferencia con lo que se vertió inicialmente es la cantidad de agua que se evaporó.

Cuestionario. 1.- ¿Qué es el calor latente y cuál el calor sensible? R: Calor sensible, es aquel que recibe un cuerpo sin cambiar su estado físico mientras sube su temperatura. Se denomina calor sensible al que aplicado a una sustancia hace subir su temperatura Calor latente o calor de cambio de estado, es la energía absorbida por las sustancias al cambiar de estado, de sólido a líquido (calor latente de fusión) o de líquido a gaseoso (calor latente de vaporización). Al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se devuelve la misma cantidad de energía. ¿Cómo determinaría cada uno de ellos? 𝑄 𝑠 = 𝛥 𝐻 = 𝑚 𝐶 𝑝 ( 𝑡2 − 𝑡1 ) 𝑄𝐿 = 𝑚𝐿 2.- ¿Qué es la capacidad calorífica, calor específico a presión constante y en qué unidades se mide? R: Capacidad calorífica. Es la cantidad de energía, en forma de calor, que gana o pierde un sistema por unidad de masa, para que se produzca en él un cambio de temperatura de un grado, sin que haya cambio de estado. Calor específico. El calor específico o capacidad calorífica específica, c, de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para aumentar su temperatura en una unidad por unidad de masa, sin cambio de estado. En el S.I., el calor específico se expresa en joules por kilogramo-kelvin (

𝐽 𝑘𝑔 °𝐾

); otra unidad, no

𝑐𝑎𝑙

perteneciente al SI, es la caloría por gramo y por grado centígrado (𝑔 °𝐶). En los Estados Unidos, y en otros pocos países donde se sigue utilizando el Sistema Anglosajón de Unidades, el calor específico se suele medir en BTU (unidad de calor) por libra (unidad de masa) y grado Fahrenheit (unidad de temperatura).

3.- Mencione tres calores latentes. R: Calor latente de Vaporización, Solidificación, Condensación. 4.- Calcule el calor sensible del agua R: 𝑄𝑠 = 𝑚𝐶(𝑡2 − 𝑡1 ) = (1700 𝑔)(4.4 𝐽)(90 − 24) = 493680𝐽 𝑄𝑠 = 𝑚𝐶(𝑡2 − 𝑡1 ) = (1700 𝑔) (1.047

𝑐𝑎𝑙 ) (90 − 24) = 117473.4 𝑐𝑎𝑙 𝑔 °𝐶

5.- Calcule el calor latente R: 𝑉 2𝑡 𝑉 2 𝑡 (124.8 𝑉)2 (859 𝑠) 𝐽 𝑄𝐿 = 𝑚𝐿, 𝑆𝑖 𝑄𝐿 = →𝐿= = = 290.4 𝑅 𝑅𝑚 (27.1 Ω)(1700 𝑔) 𝑔 6.- Calcule el calor específico del agua (C) en cal y en Joules. R: 𝑉 2𝑡 𝑉 2𝑡 𝑄𝑠 = 𝑚𝐶(𝑡2 − 𝑡1 ), 𝑆𝑖 𝑄𝑠 = →𝐶= 𝑅 𝑅𝑚(𝑡2 − 𝑡1 ) 𝑐𝑎𝑙 1 𝑔 °𝐶 (124.8 𝑉)2 (859 𝑠) 𝑉 2𝑡 𝑐𝑎𝑙 𝐶= = = 4.4 𝐽 ( ) = 1.047 𝑅𝑚(𝑡2 − 𝑡1 ) (27.1 Ω)(1700 𝑔)(90 − 24°𝐶) 4.2 𝐽 𝑔 °𝐶 7.- Compare el valor obtenido del calor latente con el que aparece en la tabla R: El valor obtenido difiere con el dado ya que no se tienen las mismas condiciones que cuando se realizó el experimento.

Conclusiones. Pudimos recrear el experimento para poder calcular el calor sensible y latente del agua que a su vez utilizamos conceptos previos de prácticas, analizamos los conceptos de calor sensible y latente y pudimos concluir que el calor sensible sí se nota, puesto que aumenta la temperatura de la sustancia, haciendo que se perciba como "más caliente", o por el contrario, si se le resta calor, la percibimos como "más fría".

Bibliografía. Wark, K. Richards, D.E.: Termodinámica, 6a Edición Mc Graw-Hill, 2001 Termodinámica General, M. W. Zemansky y R. H. Dittman Mott, Robert. "Mecánica de los Fluidos". Cuarta Edición. Prentice Hall. México, 1996.