laboratorio de calor latente

FIGMM Laboratorio de Química II

INTRODUCCION

El presente informe pretende dar a conocer los resultados obtenidos en el Laboratorio 1° de química de la E.A.P. de Ing. Metalúrgica.

Una vez de haber leído bien sobre el fundamento teórico del experimento a realizar en diferentes libros y manuales y haber escuchado bien las recomendaciones del profesor de turno; pasamos a realizarlos los experimento.

Para finalizar y poder consolidar lo observado en el laboratorio, nos pusimos a resolver el cuestionario detalladamente y con respuestas adecuadas concluimos el trabajo.

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FUNDAMENTO TEÓRICO

Calor Latente

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). Se debe tener en cuenta que esta energía en forma de calor se usa en el cambio de fase y no para un aumento de la temperatura.

Antiguamente se usaba la expresión calor latente para referirse al calor de fusión o de vaporización. Latente, en latín, quiere decir escondido, y se llamaba así porque, al no notarse un cambio de temperatura mientras se produce el cambio de fase (a pesar de añadir calor), éste se quedaba escondido. La idea proviene de la época en la que se creía que el calor era una sustancia fluida denominada calórica. Por el contrario, el calor que se aplica cuando la sustancia no cambia de fase, aumenta la temperatura y se llama calor sensible.

Cuando se aplica calor al hielo, y va ascendiendo su temperatura hasta que llega a 0 °C (temperatura de cambio de estado), a partir de ese momento, aunque se le siga aplicando calor, la temperatura no cambiara hasta que se haya fundido del todo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo. Una vez fundido el hielo la temperatura volverá a subir hasta llegar a 100 °C; desde ese momento, la temperatura se mantendrá estable hasta que se evapore toda el agua.

Esta cualidad se utiliza en la cocina, en refrigeración, en bombas de calor y es el principio por el que el sudor enfría el cuerpo.El concepto fue introducido alrededor de 1762 por el químico escocés Joseph Black.

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Cambios de estado

Normalmente, 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.

Por ejemplo, para que el agua cambie de sólido (hielo) a líquido, a 0ºC se necesitan 334·103 J/kg. Para que cambie de líquido a vapor a 100 ºC se precisan 2260·103 J/kg.

En la siguiente tabla, se proporcionan los datos referentes a los cambios de estado de algunas sustancias.

Sustancia T fusión ºC Lf ·103 (J/kg)T ebullición

ºCLv ·103 (J/kg)

Hielo (agua) 0 334 100 2260Alcohol etílico -114 105 78.3 846

Acetona -94.3 96 56.2 524Benceno 5.5 127 80.2 396Aluminio 658.7 322-394 2300 9220Estaño 231.9 59 2270 3020Hierro 1530 293 3050 6300Cobre 1083 214 2360 5410

Mercurio -38.9 11.73 356.7 285Plomo 327.3 22.5 1750 880Potasio 64 60.8 760 2080Sodio 98 113 883 4220

Fuente: Koshkin N. I., Shirkévich M. G.. Manual de Física elemental, Edt. Mir (1975) págs. 74-75.

Los cambios de estado se pueden explicar de forma cualitativa del siguiente modo:

En un sólido los átomos y moléculas ocupan las posiciones fijas de los nudos de una red cristalina. Un sólido tiene en ausencia de fuerzas externas un volumen fijo y una forma determinada.

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Los átomos y moléculas vibran, alrededor de sus posiciones de equilibrio estable, cada vez con mayor amplitud a medida que se incrementa la temperatura. Llega un momento en el que vencen a las fuerzas de atracción que mantienen a los átomos en sus posiciones fijas y el sólido se convierte en líquido. Los átomos y moléculas siguen unidos por las fuerzas de atracción, pero pueden moverse unos respecto de los otros, lo que hace que los líquidos se adapten al recipiente que los contiene pero mantengan un volumen constante.

Cuando se incrementa aún más la temperatura, se vencen las fuerzas de atracción que mantienen unidos a los átomos y moléculas en el líquido. Las moléculas están alejadas unas de las otras, se pueden mover por todo el recipiente que las contiene y solamente interaccionan cuando están muy próximas entre sí, en el momento en el que chocan. Un gas adopta la forma del recipiente que lo contiene y tiende a ocupar todo el volumen disponible.

Un ejemplo clásico en el que se utilizan los conceptos de calor específico y calor latente es el siguiente:

Determinar el calor que hay que suministrar para convertir 1g de hielo a -20 ºC en vapor a 100ºC. Los datos son los siguientes:

1. Calor específico del hielo ch=2090 J/(kg K)2. Calor de fusión del hielo Lf=334·103 J/kg3. Calor específico del agua c=4180 J/(kg K)4. Calor de vaporización del agua Lv=2260·103 J/kg

Etapas:

1. Se eleva la temperatura de 1g de hielo de -20ºC (253 K) a 0ºC (273 K)

Q1=0.001·2090·(273-253)=41.8 J

2. Se funde el hielo

Q2=0.001·334·103=334 J

3. Se eleva la temperatura del agua de 0º C (273 K) a 100 ºC (373 K)

Q3=0.001·4180·(373-273)=418 J

4. Se convierte 1 g de agua a 100ºC en vapor a la misma temperatura

Q4=0.001·2260·103=2260 J

El calor total Q=Q1+Q2+Q3+Q4=3053.8 J.

Si disponemos de una fuente de calor que suministra una energía a razón constante de q J/s podemos calcular la duración de cada una de las etapas

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En la figura, que no se ha hecho a escala, se muestra cómo se va incrementando la temperatura a medida que se aporta calor al sistema. La vaporización del agua requiere de gran cantidad de calor como podemos observar en la gráfica y en los cálculos realizados en el ejemplo.

La figura de abajo, está hecha a escala con el programa Excel de Microsoft, tomando los datos de la tabla

Calor, Q

Temperatura, T

0 -2041.8 0375.8 0793.8 1003053.8 100

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EXPERIMENTO N°4

DETERMINACIÓN DEL CALOR LATENTE DE FUSIÓN

I. OBJETIVO:

El objetivo de este experimento es determinar el calor latente de fusión del hielo, cuyo valor es de 80 cal/g.

II. MATERIALES:

a) Calorímetro de 250 ml con accesorios: agitador, tapa y termómetro.b) Probeta de 100 mlc) Termómetro de escala alta (0° - 100°C)d) Vaso de 100 mle) Hielo en trozos (aproximadamente 40g)

III. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

1. Determinar la capacidad calorífica del calorímetro de acuerdo al procedimiento explicado en la práctica N° 1 y usar el valor de dicha constante del calorímetro (C) en sus cálculos correspondientes.

2. Prepare el calorímetro con 50 ml de agua (1 ml de H2O = 1 g de H2O) ligeramente tibia (40° - 50°C). La cantidad de agua debe medirse cuidadosamente con la probeta.

NOTA: Es importante agitar constantemente con movimientos suaves y completos, puesto que la temperatura debe ser la misma en todo el calorímetro. Agitar de modo que no se pierda energía mecánica debido a la brusquedad del movimiento.

3. Observe y anote la temperatura del calorímetro (t1).4. Ponga en el calorímetro algunos trozos de hielo (una masa

aproximadamente de 30 a 40 gramos de hielo es adecuada).5. Tape el calorímetro, dejando dentro del mismo el agitador y el

termómetro.6. Observe atentamente la temperatura final del equilibrio y anote (t1).7. Mida el volumen total contenido en el calorímetro, reduciendo de dicho 0

valor los 50 ml de agua iniciales que se pusieron, se obtendrá la masa de hielo fundido.

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Datos

Equivalente en agua del calorímetro C (cal/g) =

Masa inicial de agua en el calorímetro m1 (g) =

Masa total de agua contenida en el calorímetro mt (g) =

Temperatura inicial del agua del calorímetro t1 (°C) =

Temperatura final del equilibrio tf (°C) =

Masa de hielo fundido m2 (g) =

Cálculos

Calor ganado por la masa (m2) de hielo Qg = Q1 + Q2

Calor de fusión del hielo (Q1) Q1 = m2.L =

Calor para elevar la temperatura de 0°C a t1 Q2 = m2.Ce(t1 – 0°C) =

Pero Ce = 1.00 cal / g.°C

Entonces: Qg = m2.L + m2.Ce.t1 =

Calor perdido por el agua en el calorímetro + calor perdido por el calorímetro

Qp = (m1 + C)*(t1 – t2)

Luego:

L = ((m1 + C)*(t1 – t2) – (m2*t1)) / m2 = cal/g

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EXPERIMENTO N°5

DETERMINACIÓN DEL CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN

I. OBJETIVO:

En este ensayo se va a medir el calor latente de vaporización del agua cuyo valor es de 540 cal/g

II. MATERIALES:

a) Calorímetro de 250 ml con sus accesorios: agitador, tapa y termómetro.b) Probeta de 100 ml.c) Termómetro de 0° - 100°Cd) Matraz de 250 ml con tubos de seguridad y desprendimiento,

respectivamente.

III. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

1. Vierta en el calorímetro 50 ml exactos de agua “ambiente o agua de caño”.

2. Deje estabilizar la temperatura de esa masa de agua dentro del calorímetro y anote su valor como t1.

3. Mientras tanto, llene con agua tibia hasta la mitad del matraz de destilación, añadiendo un trocito de porcelana porosa para evitar una ebullición tumultuosa.

4. A la vez que se agita suavemente (con el mismo termómetro) el agua en el calorímetro, se observa el termómetro y cuando del calorímetro haya subido unos 20° a 25°C con referencia a la temperatura t1, se le retira del desprendimiento de vapor y se anota la temperatura a la que haya quedado como t2.

5. En ese momento se debe apagar el mechero, para evitar sorpresivos y enojosas succiones por falta de presión. El matraz se enfriará por sí solo.

6. Mida cuidadosamente el volumen de agua que contiene el calorímetro deduciendo de este volumen los 50 ml iniciales que se agregaron al mismo, se obtendrá la masa de vapor.

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Datos

Equivalente en agua del calorímetro C (cal/g) =

Masa inicial de agua en el calorímetro m1 (g) =

Temperatura inicial del agua del calorímetro t1 (°C) =

Temperatura de ebullición del agua t2 (°C) =

Temperatura final del equilibrio tf (°C) =

Masa final de agua en el calorímetro mt (g) =

Masa de vapor de agua condensado: m2 = mt – m1 m2 (g) =

De acuerdo al primer Principio de la Termodinámica, se tiene:

“Calor cedido por el sistema caliente – calor ganado por el sistema frío”

De donde: L = ((m1 + C)*(tf – t1) – m2(t2 – t1)) / m2 = cal/g

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CONCLUSIONES GENERALES

Los calorímetros poseen paredes plateadas para conservar mejor el calor dentro de ellos.

Los resultados obtenidos pueden verse afectados por la transmisión de calor entre los instrumentos utilizados.

Para asegurar los cálculos es necesario realizar los experimentos más de una vez.

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APLICACIONES A LA ESPECIALIDAD

PIROMETALURGIA

La pirometalurgia es una rama de la metalurgia extractiva en la que se emplean procesos para obtención y refino o refinación de metales utilizando calor, como en el caso de la fundición.

Es la técnica más antigua para extracción de metales. Permite obtener metales a partir de sus menas, directamente o después de concentradas, por medio de calor. Se trata principalmente de extraer –del mineral– el metal, mediante separación –de la ganga– del mineral y purificación de los metales. El rango de temperaturas suele superar los 950 °C.

Para mantener la temperatura a la que el proceso se lleva a cabo, la mayoría de los procesos pirometalúrgicos requiere aporte de energía. Esta energía la proporciona generalmente la reacción exotérmica de alguna variedad de carbón, como el coque, o la energía eléctrica. Según sea el proceso, se añade un agente reductor, que puede ser el combustible. Cuando la reacción exotérmica del material de partida es suficiente para mantener la temperatura del proceso (es decir, sin adición de combustible o de electricidad), se dice que el proceso es autógeno.

La pirometalurgia se emplea mucho porque es más rápida y puede procesar grandes cantidades de mineral. Los demerita una desventaja ambiental: son altamente contaminantes, pues emiten SO2 (anhídrido sulfuroso) y CO2 (anhídrido carbónico).

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CUESTIONARIO

1. ¿Cuál es el calor latente de fusión que Ud. Obtuvo experimentalmente?

2. ¿Cuál es el error absoluto y cuál es el error relativo de la determinación?

3. ¿Cuál es el calor latente de vaporización que Ud. Obtuvo experimentalmente?

4. ¿Cuál es el error absoluto y el error relativo de la determinación experimental?

5. ¿Por qué el hielo debe estar a la temperatura 0ºC de equilibrio antes de ser añadido al calorímetro?

Para que el hielo se pueda fundir en el proceso que estamos realizando tiene que estar a 0°C, así el calor que absorbe será usado solo para el cambio de fase.

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6. ¿Existe alguna diferencia si el agua se pasa antes o después de calentarla? ¿Por qué?

Sí hay diferencia, porque el agua al ser calentada absorbe energía. Si sobrepasamos es límite el agua puede estar evaporándose y esto hace que la masa inicial del agua disminuya, pero si es menor, el calor que se transfiere al hielo puede ser insuficiente.

7. Si el hielo estuviese a –5ºC, escriba las ecuaciones de balance térmico necesarias para encontrar el calor latente de fusión.

Lf = Calor latente de fusión

Q = Calor ganado por el hielo

Tf = Temperatura final del sistema

mh = Masa del hielo

Q = Q1 + Q2 + Q3

Q = mhLf + mhTf + 5mh

8. ¿Qué termómetro se usa para conseguir una escala patrón de temperatura?

9. ¿Qué es el equivalente en agua de un calorímetro?

Los calorímetros suelen incluir su equivalente, para facilitar cálculos. El equivalente en agua del calorímetro es la masa de agua que se comportaría igual que el calorímetro y que perdería igual calor en las mismas circunstancias. De esta forma, solo hay que sumar al agua la cantidad de equivalentes.

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10.¿Cómo nos alcanza el calor del sol?

El calor del sol nos alcanza porque el calor transferido del sol a la tierra es por radiación, es un método distinto al de la conducción y convección, ya que no necesita de contacto entre la fuente y el receptor de calor para la transferencia.

La radiación es un tipo de transporte de calor que consiste en la propagación de ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz. No se produce ningún intercambio de masa y no se necesita ningún medio para que se realice.

11.¿Por qué son plateadas las paredes de un termo?

El calor se disipa en forma de radiación y las paredes plateadas reflejan estas radiaciones de calor de manera que la sustancia contenida en el termo siempre permanezca con la misma temperatura, ya que el calor que sale de esta se refleja en las paredes y vuelve a calentarlo.

12.¿Cuál es el calor específico del hielo?

Cehielo = Calor específico del hielo

Cehielo = 0.5 cal⁄(g.°C)

Se necesita 0.5 calorías para variar la temperatura de 1 gramo de hielo, en un grado centígrado.

13.¿Cuál es el calor específico del agua?

CeH20 = Calor específico del agua

CeH20 = 1 cal / g*°C

Se necesita 1 calorías para variar la temperatura de 1 gramo de agua, en un grado centígrado.

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BIBLIOGRAFÍA

Raymond Chang – Química – Editorial McGraw-Hill Interamericana, 9ª edición, Capítulo 16, Sección 16.11, Pág. 738.

http://es.wikipedia.org/wiki/Pirometalurgia http://www.buenastareas.com/ensayos/Calor-Latente-De-Fusion/

181295.html http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/fusion/fusion.htm

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