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Lab calor de fusion del hielo

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Universidad Autónoma de Chiriquí

        Facultad de Medicina

        Escuela de Medicina

 Laboratorio de Físico Química 235




          Laboratorio Nª 6

      Calor de fusión del hielo



      Profesora: Beverly Rojas

Profesor Asistente: William De Gracia



            Estudiantes:

      Arauz Leticia 4-755-1502
     Morales Lidenis 4-766-2414
    Osorio Guadalupe 9-739-1827
   Santamaría Angelis 4-762-1557



    II Segundo año de Medicina

             II Semestre



       15 de octubre de 2012
EXPERIMENTO Nº6

                           CALOR DE FUSION DEL HIELO



OBJETIVOS

   1. Comprobar que los cambios de estados se producen a temperaturas constantes.
   2. Analizar los procesos termodinámicos asociados a cambios de estados.
   3. Determinar el calor latente de fusión del hielo.

RESUMEN

En esta experiencia se logro determinar el calor de fusión del hielo empleado un
calorímetro para el cual calibramos el calor de específico, a partir de este procedimiento se
realizaron tres medidas de peso y temperatura en equilibrio de la mezcla de hielo y agua,
finalmente mediante los cálculos se obtuvo un valor de 332 x103 J/Kg para el calor de
fusión del hielo, al comparar este resultado con el valor teórico que corresponde a 334 x103
J/Kg se aprecia una medida bastante exacta con bajo porcentaje de error.

MARCO TEORICO

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). Cuando
se aplica calor al hielo, va ascendiendo su temperatura hasta que llega a 0 °C (temperatura
de cambio de fase), a partir de entonces, aun cuando se le siga aplicando calor, la
temperatura no cambia hasta que se haya fundido del todo. Esto se debe a que el calor se
emplea en la fusión del hielo.
Una sustancia experimenta un cambio de temperatura cuando absorbe o cede calor al
ambiente que le rodea. Sin embargo, cuando una sustancia cambia de fase absorbe o cede
calor sin que se produzca un cambio de su temperatura. El calor Q que es necesario aportar
para que una masa m de cierta sustancia cambie de fase es igual a: Q=mL, donde L se
denomina calor latente de la sustancia y depende del tipo de cambio de fase. Para que el
agua cambie de sólido (hielo) a líquido, a 0ºC se necesitan 334000 J/kg o 334 kJ/kg. (1)
Una de las formas de determinar el calor latente de cambio de estado es por el método de
las mezclas. Consiste en mezclar dos sustancias (o una misma en dos estados de agregación
distintos) a diferentes temperaturas, de manera que una de ellas ceda calor a la otra y la
temperatura del equilibrio final es tal que una de ellas al alcanzarla, realiza un cambio de
estado. Una condición importante es que no haya pérdidas caloríficas con el medio exterior.
Se ha de tener en cuenta la cantidad de calor absorbida por el calorímetro, por medio de su
equivalente en agua K.
Este experimento se realiza con agua a una temperatura superior a 0ºC e inferior a 100ºC
por
tanto en estado líquido, y con hielo fundente a 0ºC. Si M es la masa inicial de agua, en este
caso la sustancia caliente y m es la masa del hielo fundente y K el equivalente en agua del
calorímetro; T0 la temperatura del agua y calorímetro, antes de la mezcla, T la temperatura
final del equilibrio, c el calor específico del agua líquida, que tomaremos como (1,0 ± 0,1)
cal/gºC y L el calor latente de fusión del agua, valor que queremos determinar, un simple
balance energético conduce a:
                 Mc (T0 –T) + K( T0 –T) = mL + mc (T −0)
                              Q cedido = Q absorbido
Donde:

                                                    (2)
MATERIALES




Vaso
químico                    Termómetr
                           o




             Calorímetro               Hielo

Probeta




Balanza                    Plancha
PROCEDIMIENTOS


Calibración del calorímetro



                                     Medir 200mL de                      Leer t1. Colocar en
   Pesar el calorímetro             agua a temperatura                    el calorímetro y
                                        ambiente.                               pesar.




                                                                          Medir 100mL de
                                    Transferir el agua al                 agua caliente a
      Calcular Ce del
                                     calorímetro agitar.                 aproximadamente
       calorímetro.
                                          Leer t3.                         70 C leer t2.




Calor latente de fusión del hielo




                               Pesar el
                             calorímetro
   Pesar el                                             Medir la                   Pesar el hielo
                           con 250 mL de
 calorímetro                                          temperatura                   transferir al
                            agua. Leer la
    vacio.                                           del hielo (t2).               calorímetro.
                            temperatura
                                 (t1).




               Realizar                                                   Medir la
                                              Repetir 3                temperatura de
               cálculos.                       veces                   equilibrio (t3).
RESULTADOS



  Peso del          T1 del     Peso del calorímetro +   T2 del agua      T3 del        Peso en el
 calorímetro       agua fría         agua fría          caliente °C   equilibrio °C    equilibrio
                      °C
5.23g              24.0°C             193.04g           70 °C         41°C            285.85
5.29g              23.0°C             191.14g           70°C          39°C            287.58
5.28g              23.3°C             189.04g           70°C          40°C            287.23
Promedio:
5.27g              23.4°C             191.07g           70°C          40°C            286.89g


Para calcular el calor específico del calorímetro se utiliza:




                   Dónde:
                         masa final – (masa H2O fría + calorímetro)
                        (masa H2O fría + calorímetro) - masa calorímetro
                                = T3-T2
                             =                    =T3-T1


      masa final – (masa H2O fría + calorímetro)
      286.89g-191.07 = 95.82g

     (masa H2O fría + calorímetro) - masa calorímetro
     191.07g-5.27g =185.8g

                    = T3-T2
                    = |70-40|= 30°C

               =                      =T3-T1
               =                      =40-23.4=16.6°C
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Lab calor de fusion del hielo

  • 1. Universidad Autónoma de Chiriquí Facultad de Medicina Escuela de Medicina Laboratorio de Físico Química 235 Laboratorio Nª 6 Calor de fusión del hielo Profesora: Beverly Rojas Profesor Asistente: William De Gracia Estudiantes: Arauz Leticia 4-755-1502 Morales Lidenis 4-766-2414 Osorio Guadalupe 9-739-1827 Santamaría Angelis 4-762-1557 II Segundo año de Medicina II Semestre 15 de octubre de 2012
  • 2. EXPERIMENTO Nº6 CALOR DE FUSION DEL HIELO OBJETIVOS 1. Comprobar que los cambios de estados se producen a temperaturas constantes. 2. Analizar los procesos termodinámicos asociados a cambios de estados. 3. Determinar el calor latente de fusión del hielo. RESUMEN En esta experiencia se logro determinar el calor de fusión del hielo empleado un calorímetro para el cual calibramos el calor de específico, a partir de este procedimiento se realizaron tres medidas de peso y temperatura en equilibrio de la mezcla de hielo y agua, finalmente mediante los cálculos se obtuvo un valor de 332 x103 J/Kg para el calor de fusión del hielo, al comparar este resultado con el valor teórico que corresponde a 334 x103 J/Kg se aprecia una medida bastante exacta con bajo porcentaje de error. MARCO TEORICO 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). Cuando se aplica calor al hielo, va ascendiendo su temperatura hasta que llega a 0 °C (temperatura de cambio de fase), a partir de entonces, aun cuando se le siga aplicando calor, la temperatura no cambia hasta que se haya fundido del todo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo. Una sustancia experimenta un cambio de temperatura cuando absorbe o cede calor al ambiente que le rodea. Sin embargo, cuando una sustancia cambia de fase absorbe o cede calor sin que se produzca un cambio de su temperatura. El calor Q que es necesario aportar para que una masa m de cierta sustancia cambie de fase es igual a: Q=mL, donde L se denomina calor latente de la sustancia y depende del tipo de cambio de fase. Para que el agua cambie de sólido (hielo) a líquido, a 0ºC se necesitan 334000 J/kg o 334 kJ/kg. (1) Una de las formas de determinar el calor latente de cambio de estado es por el método de las mezclas. Consiste en mezclar dos sustancias (o una misma en dos estados de agregación
  • 3. distintos) a diferentes temperaturas, de manera que una de ellas ceda calor a la otra y la temperatura del equilibrio final es tal que una de ellas al alcanzarla, realiza un cambio de estado. Una condición importante es que no haya pérdidas caloríficas con el medio exterior. Se ha de tener en cuenta la cantidad de calor absorbida por el calorímetro, por medio de su equivalente en agua K. Este experimento se realiza con agua a una temperatura superior a 0ºC e inferior a 100ºC por tanto en estado líquido, y con hielo fundente a 0ºC. Si M es la masa inicial de agua, en este caso la sustancia caliente y m es la masa del hielo fundente y K el equivalente en agua del calorímetro; T0 la temperatura del agua y calorímetro, antes de la mezcla, T la temperatura final del equilibrio, c el calor específico del agua líquida, que tomaremos como (1,0 ± 0,1) cal/gºC y L el calor latente de fusión del agua, valor que queremos determinar, un simple balance energético conduce a: Mc (T0 –T) + K( T0 –T) = mL + mc (T −0) Q cedido = Q absorbido Donde: (2)
  • 4. MATERIALES Vaso químico Termómetr o Calorímetro Hielo Probeta Balanza Plancha
  • 5. PROCEDIMIENTOS Calibración del calorímetro Medir 200mL de Leer t1. Colocar en Pesar el calorímetro agua a temperatura el calorímetro y ambiente. pesar. Medir 100mL de Transferir el agua al agua caliente a Calcular Ce del calorímetro agitar. aproximadamente calorímetro. Leer t3. 70 C leer t2. Calor latente de fusión del hielo Pesar el calorímetro Pesar el Medir la Pesar el hielo con 250 mL de calorímetro temperatura transferir al agua. Leer la vacio. del hielo (t2). calorímetro. temperatura (t1). Realizar Medir la Repetir 3 temperatura de cálculos. veces equilibrio (t3).
  • 6. RESULTADOS Peso del T1 del Peso del calorímetro + T2 del agua T3 del Peso en el calorímetro agua fría agua fría caliente °C equilibrio °C equilibrio °C 5.23g 24.0°C 193.04g 70 °C 41°C 285.85 5.29g 23.0°C 191.14g 70°C 39°C 287.58 5.28g 23.3°C 189.04g 70°C 40°C 287.23 Promedio: 5.27g 23.4°C 191.07g 70°C 40°C 286.89g Para calcular el calor específico del calorímetro se utiliza: Dónde: masa final – (masa H2O fría + calorímetro) (masa H2O fría + calorímetro) - masa calorímetro = T3-T2 = =T3-T1 masa final – (masa H2O fría + calorímetro) 286.89g-191.07 = 95.82g (masa H2O fría + calorímetro) - masa calorímetro 191.07g-5.27g =185.8g = T3-T2 = |70-40|= 30°C = =T3-T1 = =40-23.4=16.6°C
  • 7. Peso del T1 del Peso del T2 del T3 en Peso del Peso en calorímetro agua calorímetro hielo equilibrio hielo equilibrio fría °C + agua fría 5.29g 24°C 246.29g 0°C 15 °C 267.89g 267.85-246.27= 5.29g 24°C 246.44g 0°C 15°C 268.68g 21.6g 5.28g 23°C 246.10g 0°C 16°C 266.98g Promedio: 5.29g 24°C 246.27g 0°C 16°C 267.85g Donde: T3-T2=|313-343|= 30 T3-T1 =|297-289|=8 masa final – (masa H2O fría + calorímetro) 286.89g-191.07 = 95.82g (masa H2O fría con hielo + calorímetro) - masa calorímetro 246.27-5.29=240.98g Porcentaje de error:
  • 8. DISCUSIÓN En esta experiencia se realizaron dos procedimientos, uno para calibrar el calorímetro que utilizaríamos y otro para obtener l calor de fusión del hielo, en cada uno se realizaron tres repeticiones para obtener un promedio obteniéndose en la primera de calibración del calorímetro un valor de que corresponde al calor especifico del calorímetro es decir la cantidad de calor que es capaz de mantener el aparato. En este caso el cambio de temperatura experimentado por un objeto cuando absorbe cierta cantidad de energía está controlado por su capacidad calorífica, así, Cuando un sistema con una masa m1, se pone en contacto con un sistema con una masa m2, donde m1> m2, que está a diferente temperatura, fluye calor entre ellos hasta alcanzar una temperatura de equilibrio próxima a la del sistema de masa mayor; se dice entonces que una cantidad de calor ΔQ se transfiere desde el sistema de mayor temperatura al sistema de menor temperatura, de esta forma se calibra el aparato a utilizar. Un calorímetro a presión constante como el que utilizamos refleja en realidad el valor de la entalpia o medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, cuando la entalpia se realiza en procesos de cambio de estado se le denomina calor de fusión o calor de vaporización dependiendo del estado en el que se encuentra o que se realice el proceso. En este caso buscábamos la entalpía de fusión del hielo o calor “latente” de fusión, conocemos que es la cantidad de calor necesaria para pasar la unidad de masa de hielo del estado sólido al líquido a la temperatura de fusión del mismo. Si la presión bajo la cual se produce el cambio de fase se mantiene constante e igual a 1 atmósfera, la temperatura de fusión también se mantiene constante y es igual a 0ºC. Lo que sucede es que cuando el hielo se funde la ganancia de energía se convierte en trabajo de contracción de volumen pues el hielo es más denso que el agua a la misma temperatura y en este proceso se tiende a aumentar la entropía. Cuando una masa de hielo cambia de estado sólido al líquido, a presión y temperatura constantes, absorbe de su entorno una energía igual a:
  • 9. = 79 kcal/kg = 333.5 kJ/kg que es el valor teórico de la experiencia Lo que realizamos fue mediciones de cómo variaba la temperatura de la mezcla de agua y hielo cuando éste se funde. Y como no queremos poseer intercambios de calor con el entorno se realiza la prueba en el calorímetro previamente calibrado, de forma que cuando colocamos un líquido a temperatura distinta de la suya, el calorímetro absorbe (o cede) algo de calor. Este calor se obtiene por la variación de temperatura que se registra con un termómetro, esta variación debe medirse cuando se alcanza la temperatura en equilibrio. De esta manera obtuvimos un valor de que comparado al valor teórico arrojó un porcentaje de error de 0.45%, esto nos demuestra que la experiencia se realizó correctamente.
  • 10. CONCLUSIONES  En nuestra experiencia comprobamos la temperatura constante o en equilibrio luego de un cambio de estado, esto fue al colocar el hielo (estado sólido) dentro del agua a temperatura ambiente y que luego de ocurrir el cambio de estado a líquido, la temperatura se mantuvo constante o en equilibrio, esto lo podemos explicar desde el punto de vista de la energía en forma de calor que se transmite a un cuerpo y que sirve para elevar su temperatura, Cuanto más calor, mayor temperatura adquiere el cuerpo. También conocemos que la temperatura es una función lineal de la energía menos en cambios de estado, pues una vez que se alcanza una determinada temperatura, si seguimos aumentando la energía, no se logrará elevar su temperatura, sino realizar un cambio de estado: de sólido a líquido (fusión) mientras no haya concluido la transformación, no aumentará la temperatura. En ese período de tiempo, la temperatura permanece constante, aunque el calor sigue aumentando. Es, por tanto, una función definida a intervalos o trozos  Durante el cambio de estado que experimentamos se observan varios procesos termodinámicos relacionados, como lo son un proceso isotérmico donde la temperatura se mantuvo constante durante el proceso de cambio de estado del hielo, pues mientras no se completó el cambio de estado la temperatura se mantuvo constante o en equilibrio y esto fue principalmente a la capacidad del calorímetro de
  • 11. mantener el calor dentro de él es decir de mantener el proceso de forma adiabática o sin transferencia de calor, al estar aislado del entorno. De forma que se pudo evidenciar que el calor absorbido es igual al calor cedido, el cual se manifestó con la diferencia de temperatura en el termómetro. Además de otro proceso que se asumió una presión externa constante es decir isobárico  Nuestro último objetivo era determinar el calor latente de fusión del hielo, en donde se pudo comprobar que a través de un gran cuidado y realización del proceso de forma correcta se puede obtener el resultado correcto, la obtención de un valor cercano al real o teórico dependerá, por ende, de la correcta calibración del calorímetro, de la precisión en las mediciones y del error asociado al observador. De tal forma pudimos determinar el calor latente de fusión del hielo como , con un porcentaje de error de 0.45%.
  • 12. CUESTIONARIO 1. ¿En qué sentido se falsearía el resultado de la experiencia si el hielo utilizado no estuviera bien seco? Para que los resultados de la experiencia fuesen validos y próximos a los teóricos era necesario secar muy bien el hielo antes de agregarlo en el calorímetro con agua ya que de lo contrario un mal secado haría que el hielo tuviese agua en su superficie y el calor del agua líquida no se estaba determinando, porque el calor latente de fusión solo se refiere del hielo al agua es decir el calor absorbido por el líquido. 2. Compárese el resultado obtenido para el calor de fusión del hielo con su valor real. Estudie las posibles causas de la diferencia existente. R: el valor teórico del calor de fusión del hielo es de 334 KJ/Kg (334000 J/kg), mientras que el valor experimental obtenido fue de 332 KJ/Kg (332 x103 J/Kg) bastante próximo al teórico. Las causas posibles de las diferencias entre ambos valores se pueden atribuir a: La determinación del calor específico del calorímetro pudo influir en los resultados si esta no fue tan precisa, ya que errores en la agitación de la mezcla pudo alterar la temperatura del sistema. Errores en los instrumentos empleados, ya el calorímetro empleado cada vez que se realizaba una nueva medida su peso variaba por que absorbía agua. Al momento de usar el termómetro en el agua a temperatura ambiente, luego en el hielo y nuevamente en la mezcla pudo alterar la temperatura del sistema. Errores de lectura de temperatura. Además si la temperatura era muy baja había que sacar un poco el termómetro para poder leer la misma. La cantidad de hielo empleado debía ser constante para todas las medidas así como no emplear gran cantidad de hielo, ya que el calor necesario para fundir una cantidad grande es mayor y tardaría mucho más tiempo.
  • 13. 3. Explique cómo utilizaría el “método de las mezclas” para determinar el calor latente de vaporización del agua y escriba las ecuaciones correspondientes. El calor latente de vaporización del agua se mide a través del método de mezcla inyectando vapor de agua a una cantidad determinada de agua fría. La condensación del vapor de agua permite liberación de calor o energía térmica en dos etapas: a. Se libera calor, convirtiendo el vapor en agua (cambio de fase) a una misma temperatura de 100ºC (agua hirviendo). b. El agua hirviendo intercambia calor con el agua fría circundante (transferencia de calor) hasta alcanzar una temperatura final de equilibrio (T final) deteniendo el intercambio de energía en el sistema. De acuerdo a la conservación de la energía este proceso se refiere a que, el calor total liberado por el vapor es igual al calor total absorbido por el agua fría. Ecuaciones correspondientes al proceso: - Qvapor= Qalf Donde: - Qvapor = Qcambio de fase + Qtransferencia de calor Siendo: Qcambio de fase = m vapor L v y Qtransferencia de calor = m vapor Ceagua (Tvapor -Tfinal) Por lo que Qal f = m al f Ceagua (Tfinal –Tinicial) 4. ¿La evaporación como tal es un proceso térmico de enfriamiento o de calentamiento? R. La evaporación es un proceso de calentamiento ya que para pasar de estado líquido a gaseoso se necesita un aumento de temperatura. Cuando la temperatura aumenta a100ºC permite que el líquido hierva y pase a estado gaseoso o vaporación.
  • 14. BIBLIOGRAFÍA 1. Calor latente. (s.f).Wikipedia. Recuperado el 12 de octubre de 2012, de http://es.wikipedia.org/wiki/Calor_latente. 2. Fusión del hielo. (s.f). Recuperado el 12 de octubre de 2012, de http://bacterio.uc3m.es/docencia/laboratorio/guiones_esp/termo/Fusion_Hielo_Guio n.pdf 3. Determinación de la entalpía de fusión del hielo. (s.f). Practica 14. Recuperado el 12 de octubre de 2012, deHttp://www.ucm.es/info/Geofis/practicas/prac14r.pdf