calor de fusión del hielo
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laboratorio de física experimental II de la universidad del valle sobre calor de fusión del hieloTRANSCRIPT
CALOR DE FUSION DEL HIELO
Juan Felipe Giraldo Pinedo [email protected] Alexander Díaz Criollo [email protected]
Ignacio Restrepo [email protected]
Facultad de Ciencias Naturales y Exactas, Departamento de FísicaUniversidad del Valle Cali-Colombia
Fecha de realización 12 de mayo de 2014Fecha de entrega 19 de mayo de 2014
Resumen
El experimento consiste en medir el calor latente de fusión del hielo. Primero se calientan una cantidad de agua hasta aproximadamente 40°c la cual llamamos T1 .Se depositan 200g de agua en el vaso Dewart y ambos se pesan registrando un valor de 545.2g. Seguidamente se llevan 46.4g de hielo a 0.8°c y se introducen en el vaso Dewart, se agita hasta la fundición completa del hielo y en ese momento se mide la temperatura, la cual fue de 25.6° la cual llamamos Tm. Este procedimiento se realiza 5 veces para hacer un promedio en los resultados de los calores específicos el cual fue de 318.080 KJ/Kg.
Introducción
El laboratorio realizado se basa en el calor necesario para un cambio de estado de la materia. Debido a que la materia tiene diferentes estados de agregación, entre los más comunes el sólido el líquido y el gaseoso, para que ocurran cambios entre estos estados deben haber unas condiciones específicas es decir una temperatura y una presión dada, pero que la materia este a esa cierta temperatura no implica un cambio en su estado de agregación necesita ceder o absorber una determinada cantidad de energía, en este caso calor como forma de energía, y el cual es directamente proporcional a la
masa de la sustancia Qαm, entonces debe existir una constante de proporcional llamada en este caso calor latente, la cual depende de la sustancia y
del cambio de estado L=Qm
lo que
significa físicamente que el calor latente es el calor necesario para cambiar de estado una unidad de masa. En el laboratorio se calienta una cantidad de agua y se deposita en un calorímetro, posteriormente se deposita una cantidad de hielo y se mide su temperatura cuando el hielo se ha fundido, con el objetivo de calcular el calor latente de fusión del hielo.
Marco teórico
Una sustancia se somete a un cambio de temperatura cuando la energía se transfiere entre ella y sus alrededores. No obstante, en algunas ocasiones, la transferencia de energía no resulta en un cambio de temperatura. Este es el caso siempre que las características físicas de la sustancia cambian de una forma a otra; tal cambio se conoce comúnmente como cambio de fase. Dos cambios de fase comunes son de sólido a líquido (fusión) y de líquido a gas (ebullición); otro es un cambio en la estructura cristalina de un sólido. Todos esos cambios de fase incluyen un cambio en la energía interna del sistema pero no un cambio en su temperatura. Por ejemplo, en la ebullición el aumento en la energía interna se representa mediante el rompimiento de los enlaces entre moléculas en el estado líquido; este rompimiento de enlaces permite a las moléculas alejarse más en el estado gaseoso, con un aumento correspondiente en la energía potencial intermolecular.Como es de esperar, diferentes sustancias responden de modo distinto a la agregación o eliminación de energía mientras cambian de fase, porque varían sus ordenamientos moleculares internos. Además, la cantidad de energía transferida durante un cambio de fase depende de la cantidad de sustancia de que se trate. (Toma menos energía fundir un cubo de hielo que descongelar un lago congelado.) Si se requiere transferir una cantidadQ de energía para cambiar la fase de una masa m de una sustancia, el calor latente de la sustancia se define como
L≡Qm
Este parámetro se llama calor latente (literalmente, el calor “oculto”) porque esta energía agregada o retirada no resulta en un cambio de temperatura. El valor de L para una sustancia depende de la naturaleza del cambio de fase, así como de las propiedades de la sustancia.En este experimento se determinará el calor de transformación del hielo a agua líquida a presión constante (en este caso a presión atmosférica), el hielo se deposita en el agua y la enfría, junto con el calorímetro que la contiene, desde la temperatura inicial T1 hasta una temperatura final de mezcla Tm. En este proceso el hielo se funde a su temperatura de fusión (0°C),, absorbiendo la cantidad de energía Q1, y posteriormente el agua líquida en que se ha transformado se calienta desde 0°C hasta la temperatura Tm, absorbiendo la cantidad de energía Q2.
El agua caliente y el calorímetro ceden la cantidad de energía Q3 y Q4, respectivamente. Sean m1 la masa del hielo, m2 la masa de agua caliente, mk la masa equivalente de agua que determina la respuesta térmica del calorímetro, y c el calor específico del agua líquida.
Calcularemos las magnitudes de Q1 a Q4 con:
Q ₁=m ₁LfQ ₂=m ₁c (T m−0)Q3=m2 c (T 1−Tm)Q4=mk c (T 1−T m )
Por la primera ley de la termodinámica tenemos que (considerando el frasco Dewart como un aislante perfecto):
Q1+Q2=Q3+Q4
Sustituyendo y despejando:
Lfc
=m2+mkm1
(T1−Tm )−(T ¿¿m−T h)¿
Datos obtenidos
La temperatura ambiente registrada durante el experimento fue de 24.1°c
Experimento #1
T1 = 46°c
Peso del Agua = 200.4g
Masa del hielo = 46.4g
Tm= 25.6 °c
Temperatura del hielo= 0.8°c
Experimento #2
T1 = 43.8°c
Peso del Agua = 200.6g
Masa del hielo = 50.8g
Tm= 21.1 °c
Temperatura del hielo= 0.8°c
Experimento #3
T1 = 46°c
Peso del Agua = 200g
Masa del hielo = 46g
Tm= 25.4 °c
Temperatura del hielo= 0.8°c
Experimento #4
T1 = 53.7°c
Peso del Agua = 200.5g
Masa del hielo = 52.3g
Tm= 28.8 °c
Temperatura del hielo= 0.3°c
Experimento #5
T1 = 46.6°c
Peso del Agua = 199.9g
Masa del hielo = 51.4g
Tm= 22.9 °c
Temperatura del hielo= 0.3°c
Análisis de datos
Para calcular el calor de fusión de cada prueba utilizamos la formula
Lf=c(m2+mk )m1
(T1−T m )−c (T m−T h)
Dónde m1 es la masa del hielo, m2 la masa del agua y mk la masa equivalente de agua que determina la respuesta térmica del calorímetro, T1 es la temperatura inicial del agua, Tm la temperatura de equilibrio cuando el hielo se funde, Th la temperatura inicial del hielo y c el calor especifico del agua.
El valor de mk es 0,02 kg y el valor de c es 4,19 kJ/(kg K).
Los valores obtenidos fueron
# Experimento Calor latente de fusión KJ/Kg1 302.0992 327.9733 309.7324 320.4505 330.145Promedio 318.080
Teóricamente, el valor de Lf para el hielo es de 334.0 KJ/Kg, a partir de este dato se procede a hallar el porcentaje de error del resultado obtenido en la practica
¿% error∨¿|ValorT−ValorEValorT∗100|
Dónde ValorT es el valor teórico y ValorE es el valor experimental.
¿% error∨¿|4.77%|
La incertidumbre a la hora de hallar éste resultado depende de diversos factores, entre ellos la imprecisión en la medición de las masas del agua líquida y del hielo en la balanza digital (±0.1g) y la imprecisión del termómetro digital (±0.1°C), entonces la ecuación de la incertidumbre queda de la forma:
ΔLfLf
= Δmm
+ ΔTT
Dónde m es la suma de las masas (hielo y agua líquida) en promedio es 249.66g T la temperatura final que en promedio fue 24.76°c (Tm) y el valor experimental
de Lf el cual fue 318.080 KJ/Kg,
entonces despejando ΔL f tenemos:
ΔL f=1.412KJ /Kg
¿Cómo puede evaluar experimentalmente si se satisface la
suposición de que el sistema está técnicamente aislado de los alrededores?
El porcentaje de error nos permite determinar si se cumple la suposición y según los datos obtenidos y por el porcentaje de error no se satisface la suposición. En base a la práctica se obtuvo un porcentaje de error bajo lo que indica algunas imprecisiones en el momento de meter los hielos al calorímetro además de llevar los hielos a temperaturas cercanas a 0°c y algunas variaciones en la temperatura en el momento de la fusión, lo que pudo influir en el valor obtenido experimentalmente del calor latente de fusión del hielo.
Conclusión:
A pesar de que el sistema no es aislado se obtuvo un muy buen resultado con apenas un error del 4.77% debido a que el procedimiento se hizo con sumo cuidado.
Además, podemos decir de los resultados que el calor latente de fusión obtenido en el experimento es menor debido a las pérdidas de energía presentadas por el calorímetro.
Bibliografía:
-Física Para Ciencias e Ingeniería, Vol 1- Serway-Física Para Ciencias e Ingeniería, Vol 1- Giancoli-Guías de laboratorio Universidad del Valle “Calor de fusión del hielo”.