Fsica Aplicada: Tcnicas Experimentales Bsicas PRCTICA N12

CALOR DE FUSIN DEL HIELO Y CALOR ESPECFICO DE SLIDOS

OBJETIVO

Determinar el calor latente de fusin del hielo utilizando el mtodo de las mezclas. Determinar el calor especfico de slidos.

MATERIAL

Para realizar esta prctica se dispone de un vaso de Dewar o vaso calorimtrico provisto de un termmetro y un agitador, as como un cazo y hornillo para calentar agua, hielo y papel de filtro o similar. Caja con tres slidos diferentes en forma de pesa de balanza.

(a) CALOR DE FUSIN DEL HIELO

FUNDAMENTO

Se llama calor latente de fusin de una sustancia a la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de esa sustancia para que, a la temperatura del punto de fusin, sta cambie del estado slido al lquido. El calor latente de fusin se suele medir en caloras por gramo (cal/g), aunque su unidad SI es el J/Kg, y se suele representar por L.

El calor puesto en juego en un proceso de cambio de estado puede determinarse por el mtodo de las mezclas. ste se basa en el hecho de que cuando se mezclan dos sustancias que inicialmente se encuentran a distinta temperatura, la que est a mayor temperatura cede calor a la que se encuentra a menor temperatura, hasta que se igualan las temperaturas en un valor de equilibrio intermedio de las anteriores.

El proceso anterior debe realizarse de tal forma que no haya intercambio de calor con el medio circundante; lo que, de forma aproximada, se consigue utilizando los vasos de Dewar (ver prctica 11 para su descripcin) y trabajando de modo que inicialmente el vaso de Dewar o vaso calorimtrico y su contenido se encuentren a una temperatura algo superior a la del medio y, finalmente, a una temperatura algo inferior a la del medio. Como consecuencia de esta precaucin, el calor cedido al medio por el vaso de Dewar y su contenido cuando la temperatura de stos es superior a la del medio, se ve prcticamente compensado por el calor absorbido cuando la temperatura del vaso y su contenido es inferior a la del medio.

Como nuestro propsito es determinar el calor de fusin L del hielo, colocaremos en el interior del calormetro una masa conocida de agua, M, a una temperatura bien determinada, T0, y dejaremos fundir en ella una masa, m de hielo a 0(C. As, si utilizamos la siguiente nomenclatura:

M = masa inicial de agua,

m = masa de hielo aadido a 0(C,

K = equivalente en agua del vaso de Dewar y accesorios (vase la prctica 11),

T0 = temperatura inicial del agua en el vaso de Dewar,

T = temperatura final de equilibrio,

c = calor especfico del agua (c =0,998 cal/g(C con una variacin inferior al 1%

para un intervalo de temperaturas comprendido entre 0 y 100 (C)

L = calor latente de fusin del hielo,

podremos escribir la siguiente ecuacin de balance energtico:

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de donde

MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT (2)

MTODO.

(1) Limpie cuidadosamente el interior del vaso de Dewar, squelo interior y exteriormente y determine la masa M0 del vaso de Dewar y sus accesorios (termmetro y agitador).

Atencin: Tenga en cuenta la suma fragilidad del interior del vaso de Dewar, por lo cual no lo someta a golpes, cambios bruscos de temperatura y no caliente directamente el agua en el mismo

(2) Llene el vaso de Dewar, hasta poco ms de la mitad y caliente, con la resistencia del calormetro, una masa M de agua hasta una temperatura unos 10 o 15(C por encima de la temperatura ambiente.

(3) Pese el calormetro con el agua y sus accesorios. Si denotamos por M a esta masa, tendremos que la masa de agua vendr dada por M = M - M0.

(4) Tome unos cubitos de hielo del frigorfico del laboratorio y depostelos en una mesa sobre papel de filtro, con objeto de que comiencen a fundir y alcancen la temperatura de fusin del hielo (0(C), ya que, normalmente, salen del frigorfico a una temperatura inferior a 0(C.

(5) Agite con suavidad el agua del calormetro y observe la temperatura que marca el termmetro sumergido en el agua. Repita la operacin varias veces hasta cerciorarse de que la temperatura es uniforme en todo el volumen de agua. Esta temperatura es T0.

(6) A continuacin, tome un trozo de hielo, squelo lo mejor posible e introdzcalo en el calormetro con cuidado de no salpicar agua hacia el exterior del mismo. Remueva cuidadosamente el agua del calormetro y, tan pronto como haya fundido el trozo de hielo, lea la temperatura de la mezcla.

(7) Repita la operacin anterior tantas veces como sea necesario para conseguir una temperatura del agua unos 10 15 (C por debajo de la temperatura ambiente. En este momento deber determinar la temperatura de equilibrio T de la mezcla.

(8) Determine la masa M" del vaso de Dewar con el termmetro, el agitador, el agua y el hielo fundido. De esta manera, la masa m de hielo aadido ser: m = M"- M'.

(9) A partir de la expresin (2), y repitiendo la experiencia tantas veces como considere necesaria, podr obtener el calor latente de fusin del hielo.

(10) Determine el calor latente de fusin del hielo. Inclyanse en este apartado las medidas realizadas, la justificacin del nmero de las mismas, los clculos que considere oportunos y exprese todas las magnitudes con el error correspondiente.

(b) CALOR ESPECFICO DE SLIDOSFUNDAMENTO

Supongamos que medimos el cambio de temperatura T de un sistema de masa m cuando se le cede una cierta cantidad de calor Q, suponiendo, como en nuestro caso, la presin se mantiene fija y no hay cambios de fase. Para pequeos cambios de temperatura, la experiencia demuestra que el calor cedido al sistema y el cambio de temperatura son proporcionales. Tambin que, para un cambio de temperatura dado, Q va a ser proporcional a la masa del sistema. Es decir, Q m T. La constante de proporcionalidad es una caracterstica de cada sustancia; se trata de la capacidad calorfica especfica a presin constante cp, que se define en el caso lmite de cambios infinitesimales de temperatura como

dQ = cp m T

(3)

Generalmente se elimina la palabra capacidad y el nombre de esta magnitud queda simplemente como calor especfico, cuyas unidades en el SI sern J.Kg-1. K-1. Teniendo en cuenta que un cambio de temperatura expresado en K es igual al mismo cambio expresado en C, sus unidades se expresan ms usualmente como J.Kg-1. C-1.

MTODO.

(1) Limpie cuidadosamente el interior del vaso de Dewar, squelo interior y exteriormente y determine la masa M0 del vaso de Dewar y sus accesorios (termmetro y agitador).

(2) Pese los slidos cuyo calor especfico va a determinar.

(3) Llene el calormetro con una cantidad adecuada de agua del grifo (el alumno mismo determinar cul es esta cantidad realizando algunas pruebas previas) midiendo su temperatura. Cuando se estabilice, esta ser la temperatura inicial del agua, Ti.

(4) Caliente ahora en un vaso agua, en la que habr introducido uno de los slidos cuyo calor especfico hay que determinar; llevndola a ebullicin y midiendo simultneamente la temperatura. Cuando esta se estabilice, sacamos el slido (cuya temperatura ser la anteriormente medida) y lo introducimos inmediatamente en el agua del calormetro.

(5) Ahora medimos la temperatura del agua hasta que se estabilice, anotndola entonces, Tf.

(6) Mediante una sencilla ecuacin de balance energtico, del tipo de la ecuacin (1), y teniendo en cuenta que T = Tf Ti, calcular el cp del slido utilizado.

(7) Reptase el proceso, al menos dos veces ms.

(8) Reptase de nuevo todo lo anterior con los dos slidos restantes.

(9) Determine el calor especfico de los tres slidos. Inclyanse en este apartado las medidas realizadas, la justificacin del nmero de las mismas, los clculos que considere oportunos y exprese todas las magnitudes con el error correspondiente.

(10) Consultando tablas de valores de cp hgase una estimacin de qu clase de qu clase de sustancia es cada slido medido.

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