UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁ

CENTRO REGIONAL DE AZUERO

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

LICENCIATURA EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

FÍSICA III

Laboratorio # 4

“Calor de Fusión y Calor de Vaporización”

Facilitador:

Héctor Vergara

Integrantes

Delgado, Humberto

Martínez, Vicente

Ordóñez, Yahir

Vargas, Catalino

Realizado el 21 de Octubre

Entregado el 28 de Octubre

Segundo Semestre 2010

INTRODUCCIÓN

A continuación trataremos temas de gran importancia en el área de la

termodinámica como los son el calor de fusión y el calor de vaporización. Cada

uno de estos términos involucra procesos químicos que se observan a diario en

elementos como el agua, además de sustancias propias de las plantas.

El calor de fusión por definición no es más que la cantidad de energía necesaria

para fundir un mol de una sustancia o de un elemento químico. Esta definición

surge del la explicación del fenómeno de fusión que resulta ser la transición de

un estado sólido de la sustancia a un estado líquido.

Para el caso del calor de vaporización lo podemos definir como la cantidad de

calor necesaria para convertir cierto líquido a su temperatura de ebullición en

vapor a la misma temperatura; proceso inverso al de la condensación. Este es un

efecto muy parecido al que producen las plantas que transpiran

permanentemente eliminando el agua en forma de vapor. El agua y las plantas

por esta razón producen una sensación de frescor.

Para esta experiencia se empleo una serie de procedimientos químicos que nos

permitieron recolectar información necesaria para la confección de gráficas y el

análisis del comportamiento térmico de sustancias y elementos.

MARCO TEÓRICO

La fusión de una sustancia consiste en el cambio de estado de dicha sustancia de sólido a líquido.

Para que tenga lugar este cambio de estado es necesario proporcionar calor al sólido. Cuando

alcanza una cierta temperatura denominada punto de fusión, todo el calor que se le transmita

se emplea en producir el cambio de estado sólido a líquido, permaneciendo la temperatura

constante durante este proceso. El valor del punto de fusión depende de la sustancia de que se

trate y de la presión a la que se encuentre. La temperatura a la que se funde un sólido cuando se

le suministra calor a presión atmosférica se denomina punto normal de fusión. Para el caso del

hielo el punto normal de fusión es 0°C.

La cantidad de calor por unidad de masa que ha de suministrarse a una sustancia en su punto de

fusión para convertirla completamente en líquido a la misma temperatura se le llama calor de

fusión de la sustancia y se le asigna la letra Lf comúnmente expresada en cal/g.

La ecuación que representa la primera parte de la experiencia es esta:

Donde:

mh : masa del hielo

m: masa del agua

mC : masa del calorímetro

c : calor específico del agua

Lf : calor latente de fusión del hielo

T2: Temperatura final (equilibrio térmico)

T1: Temperatura inicial

ch: Capacidad calorífica del hielo

En la figura se muestra cómo se va incrementando la temperatura a medida que se aporta calor al

sistema. La vaporización del agua requiere de una gran cantidad de calor como se aprecia en la gráfica, a

pesar que la misma no está a escala.

El calor que se requiere para cambiar una sustancia de fase líquida a vapor se denomina calor de

vaporización y se le representa con la letra Lv.

En la determinación experimental del calor de fusión del hielo y el calor de vaporización del agua

utilizaremos el método de mezclas. Este método hace uso del principio de que, cuando un

intercambio de calor toma lugar entre dos cuerpos más fríos, se alcanza la temperatura de

equilibrio. Esto es cierto si no hay intercambio de calor con los alrededores. Entonces para determinar el

calor de vaporización del agua usamos la siguiente relación matemática:

MLv + M( I00 - T2) + mc(T2 - T1) + mccc (T2 - T1) = 0

Donde:

M : masa de vapor

m : masa del agua en el calorímetro

mc : masa del calorímetro

c : calor específico del agua

cc : calor específico del calorímetro

Lv : calor latente de vaporización del agua

T 2 : Temperatura final (equilibrio térmico)

T1 : Temperatura inicial

OBJETIVOS

Estudiar el intercambio de temperatura cuando una sustancia

sufre un cambio de fase.

Estudiar los cambios de temperaturas involucradas cuando el agua

cambia de sólido a líquido y de líquido a gas.

Medir el calor latente de fusión del hielo.

MATERIALES

Calorímetro 1 Hornilla 1 Matraz pequeño 1 Manguera 1 Tubo de vidrio en l 1 balanza 1 Termómetro 1 Hielo 1 Papel toalla 1 Agitador 1 Aro soporte 1 Base soporte 1 Cronómetro 1 Mechero 1 Pinzas de bureta 1 Probeta graduada de 100 cm3 1 Termómetro de mercurio de -1000C a 1000C 1 Varilla soporte roscada 1 Vaso de precipitación de 250 cm3 2

PROCEDIMIENTO

Calor de fusión del hielo

1. Pese el vaso del calorímetro vació (m). Anote en la tabla de datos.

2. Llene el vaso del calorímetro hasta la mitad con agua que tenga 10°C por encima de la

temperatura ambiente, péselo. Reste a esa lectura, la lectura anterior y tendrá el valor de (mh).

Mida y registre la temperatura del agua en el calorímetro (TI). Introduzca el vaso dentro de la

envoltura del calorímetro.

3. Añada algunos cubos de hielo al calorímetro. Mueva el agitador, cuando el hielo se haya

derretido por completo tome la temperatura y verifique que esté aproximadamente 10°C

por debajo de la temperatura ambiente. Si no lo está, vaya añadiendo poco a poco hielo y

repita la operación anterior hasta conseguir la temperatura deseada, ésta será T2. Pese el

vaso del calorímetro nuevamente, por diferencia con la lectura del paso 2 determine la

masa de hielo añadida. Este será el valor de M.

Ensayo m(g) T l (0C ) T2 (C) m h ( g )

1 100g 500 90 57g

2 100g 500 120 46g

4. Mide 150 cm3 de agua con la probeta. Viértela en el vaso de precipitados. Caliente

suavemente el vaso con el mechero y agite el líquido de modo continuo. La llama del

mechero debe ser del mismo tamaño durante toda la operación. Anote las

temperaturas a intervalos iguales, por ejemplo cada minuto. No caliente por encima de

70°C. Apague el mechero; deje enfriar la rejilla y el arco.

Repite las instrucciones anteriores utilizando 250 g de agua (250 cm3) y luego con 150

g de agua y sal utilizando el otro vaso.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Masa de 150 g

GRÁFICOS

Gráfica N01:

Masa de 150 g Tiempo (min) Temperatura (0C)

0 30 1 41

1,5 47 3 53 4 59

5,5 72 6,5 78 7,5 84

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Masa de 250 g

Gráfica N02:

Masa de 250 g Tiempo (min) Temperatura (0C)

0 30 1 40

1,5 43 3 50 4 53

5,5 62 6,5 67 7,5 72

0

20

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4 5 6 7 8

masa de 150g + sal

Gráfica N03:

Masa de 150g + sal

Tiempo (min) Temperatura (0C)

0 30

1 51

1,5 67

3 85

4 92

5,5 97

6,5 99

7,5 100

PREGUNTAS Y RESPUESTAS

1. Utilizando los datos de la tabla N0 1, calcule el calor de fusión del hielo usando

la ecuación 1.

R: Aplicando la ecuación:

2. Compare su resultado para el calor de fusión del hielo con el valor teórico.

¿Cuál es su error de porcentaje?

R: Valor teórico (LfT): 79.83 X 10-3cal/g

Valor experimental (LfE): 72.35 X 10-3cal/g

Porcentaje de error:

= 9.37%

3. Mencione algunas fuentes de error en su experiencia.

R: Fuentes de errores:

Falta de precisión al tomar el tiempo y la temperatura.

Falta de instrumentación adecuada en el laboratorio.

4. ¿Por qué una quemadura producida por un gramo de vapor a 1000C produce

más daño que una quemadura causada por un gramo de agua a la misma

temperatura?

R: La diferencia está en que un gramo de vapor de agua que está a 1000C

contiene 540 cal de energía, mientras que un gramo de agua a 1000C solamente

contiene la energía necesaria para conseguir el equilibrio térmico entre el agua y

la piel.

5. Describa en que forma el calor latente de vaporización influye en el clima.

R: Permite disminuir la temperatura en el ambiente en que se manifiesta.

6. ¿En qué forma actúa el agua refrigerante durante la cocción de los alimentos?

(Piense en lo que sucede cuando toda el agua de la olla se evapora y aún hay

comida dentro).

R: Permite la cocción adecuada de los alimentos y evita que se quemen los

mismos.

7. Las representaciones graficas que se han dibujado ¿son aproximadamente

líneas rectas?

R: Si.

8. Las graficas correspondientes a las distintas cantidades de líquidos ¿tienen la

misma temperatura inicial?

R: Aproximadamente todas tienen la misma temperatura inicial.

9. Compara las inclinaciones de estas líneas ¿son iguales?

R: No son iguales.

10. ¿Con qué cantidad de líquido se presenta mayor inclinación?

R: Debió haber sido con la de 150 g ya que se calienta más rápido, pero para

nuestro caso el agua con sal presentó una mayor inclinación.

11. A los 4 minutos, ¿cuál ha sido el aumento de temperatura de los 150 g, 250 g,

150 g + sal?

R: Los aumentos fueron:

Para 150 g es de 29 ºC

Para 250 g es de 23 ºC

Para el 250 g + sal es de 23 ºC

12. ¿Crees que puede influir la cantidad de líquido en la rapidez con que se

calienta éste?

R: Si puede influir, ya que mientras menos líquido mayor es la rapidez a la que se

calienta el mismo.

13. ¿Qué cantidad de líquido se calienta más rápido: el de masa mayor o el de

masa menor?

R: De acuerdo con nuestros experimentos, concluimos que la rapidez de

calentamiento de un líquido es mayor cuanto menor sea su masa.

RECOMENDACIONES

Para el Profesor:

Desarrollar de forma dinámica los temas a tratar de modo que

motive al estudiante a interesarse por las tareas a realizar.

Evaluar el desarrollo de los laboratorios en el momento en que

se están realizando para así poder aclarar dudas.

Para el Estudiante:

Prestar atención a la explicación de cada laboratorio de modo

que se pueda adquirir un conocimiento práctico que le ayude a

desenvolverse mejor en la parte teórica de la materia.

Desenvolverse rápido en las horas de laboratorio para evitar que

queden inconclusos los mismos.

CONCLUSIONES

Al haber realizado este laboratorio hemos concluido que:

El termino fusión, consiste en el cambio de estado de una sustancia de sólido a

líquido, y para que esto se dé es necesario transmitir calor al sólido cuando alcanza

una cierta temperatura denominada punto de fusión.

El punto de fusión de una sustancia depende de las características

intrínsecas de la misma y de la presión a la que se encuentre.

La temperatura a la que se funde o derrite un sólido cuando se le suministra calor a

presión atmosférica se denomina punto normal de fusión. Para el caso del hielo el

punto normal de fusión es 0 °C.

La cantidad de calor por unidad de masa que ha de proporcionarse a una sustancia

en su punto de fusión para convertirla completamente en líquido a la misma

temperatura se le llama calor de fusión de la sustancia.

Las transformaciones físicas y químicas van asociadas a cambios térmicos de

mayor o menor magnitud según sea el tipo de proceso experimentado por una

sustancia.

Por lo general las personas confunden los términos calor específico y capacidad

calorífica. La diferencia entre estos términos reside en que, el calor específico, es el

calor requerido para elevar la temperatura de 1 g de una sustancia en 1 ºC,

mientras que la capacidad calorífica es la cantidad de calor necesaria para elevar en

1 ºC la temperatura de una cantidad dada de materia.

BIBLIOGRAFÍA

Guía de la Laboratorio de Física III. Universidad Tecnológica de Panamá,

edición 2008

Davis, J. E.; Manual de Laboratorio, España, Editorial Revert S. A. 1975

www.spitzer.caltech.edu/espanol/edu/thermal/differ_sp_06sep01

es.wikibooks.org/wiki/F%C3%ADsica/Calorimetr%C3%ADa/Equilibrio_t

%C3%A9

www.hiru.com/es/fisika

www.scribd.com/doc/17082747/Lab-Calorimetria

expertos.monografias.com/home.asp?tip=usu&item=pregunta&id=5&id_ite

m=109510

es.wikipedia.org/wiki/Equilibrio_t%C3%A9rmico