CALOR LATENTE DE VAPORIZACION DEL AGUAJ. Simón. Barrios, L. Esquiaqui, J. Salvador Guzmán, Y. Pugliese, H. Romero.

Facultad de Ingeniería, Universidad del Atlántico, Km 7 Antigua vía a Puerto Colombia, espacio 105B, A.A.

1890, Barranquilla, Colombia.

24 DE NOVIEMBRE DE 2010

RESUMEN

El calor latente de vaporización de un cuerpo se define como la cantidad de calor por unidad de masa requerida para que la temperatura de ebullición pase de la fase liquida a la gaseosa a la misma temperatura. El objetivo de esta experiencia es medir el calor latente de vaporización del agua, a partir de la pérdida de peso al suministrar una potencia calefactora constante. Palabras Claves: Cambio de fase, calor latente, fase, estado.

ABSTRACT

The latent heat of vaporization of a body is defined as the amount of heat per unit mass required to pass the boiling temperature of the liquid phase to the gas at the same temperature. The objective of this experiment is to measure the latent heat of vaporization of water from the weight loss by providing a constant heating power.Keywords: Phase change, latent heat, phase state.

1. INTRODUCCIÓN

CALORIMETRÍA La calorimetría se encarga de medir el calor en una reacción química o un cambio físico usando un calorímetro. La calorimetría indirecta calcula el calor que los organismos vivos producen a partir de la producción de dióxido de carbono y de nitrógeno (urea en organismos terrestres), y del consumo de oxígeno.

TEMPERATURA Y ENERGÍA INTERNA A cualquier temperatura sobre el cero absoluto, los átomos poseen distintas cantidades de energía cinética por la vibración. Ya que los átomos vecinos colisionan entre sí, esta energía se transfiere. Aunque la energía de los átomos individuales puede variar como resultado de estas colisiones, una serie de átomos aislados del mundo exterior tiene una cantidad de energía

que no cambia porque va pasando de átomo a átomo. Conceptualmente, la energía promedio por átomo puede calcularse dividiendo la energía total por el número de átomos.Aunque no conocemos la energía total de los átomos de un objeto, podemos medir el efecto de esa energía cinética promedio - se trata de la temperatura del objeto. Un aumento en la energía cinética promedio de los átomos del objeto se manifiesta como un aumento de temperatura y viceversa.

Si un objeto se aísla del resto del universo, su temperatura se mantendrá constante. Si la energía entra o sale, la temperatura deberá cambiar. La energía moviéndose de un lugar a otro se llama calor y la calorimetría usa las mediciones de los cambios de temperatura para registrar el movimiento de calor.

CALOR

En física, el calor es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos,

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moléculas y otras partículas que forman la materia. El calor puede ser generado por reacciones químicas (como en la combustión), nucleares (como en la fusión nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen lugar en el interior del Sol), disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o por disipación mecánica (fricción). Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre. El calor puede ser transferido entre objetos por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos los mecanismos anteriores se encuentran presentes en mayor o menor grado.

El calor que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo detransformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energía interna (energía térmica) de un sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura.

CAPACIDAD CALORÍFICA

La capacidad calorífica de una sustancia es la cantidad de energía necesaria paraaumentar 1 ºC su temperatura. Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica. Se suele designar con las letras C o c.

Cuando a una cierta cantidad de agua (u otro líquido) se le suministra calor, éste se invierte inicialmente en aumentar la temperatura del agua. Dicho aumento de temperatura viene determinado por el calor suministrado, la masa de agua, y la constante llamada calor específico. Pero si la temperatura alcanza el punto de ebullición del agua (Te ~ 100ºC, dependiendo de la presión, y por tanto de la altitud, local), el agua hierve (entra en ebullición) y se va transformando

en vapor con mayor o menor rapidez según la velocidad a la que se le esté suministrando el calor. Mientras que dura la transformación de líquido a vapor (cambio de fase), su temperatura permanece constante en Te, y la energía que se

le suministra se invierte en transformar el líquido en vapor.

Por tanto, el paso de la fase líquida a la fase vapor requiere de un aporte de energía. La cantidad de energía Q necesaria para pasar una unidad de masa del estado líquido al estado vapor se denomina calor latente de vaporización, y normalmente se denota por la letra L. De esta manera, durante la ebullición, la masa m de agua evaporada al suministrar una cantidad de calor Q vendrá dada por la expresión:

m= QL

Las unidades de L serán por tanto de J/Kg en el sistema SI, aunque también es frecuente usar cal/gr (1 J = 0,24 cal).

2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

Se vacío el calorímetro m0 gr de agua (a la temperatura del grifo). Se dejó estabilizar el la temperatura de la masa de agua en el calorímetro y se anotó esta temperatura t0 0C. Por otro lado se llenó el matraz hasta 2/3 de su contenido y se puso a calentar. Cuando se observó un continuo desprendimiento de vapor, se terminó el montaje y seguidamente se removió suavemente. Cuando la temperatura varió unos 10 o 15 grados, se retiró el conducto de vapor y se anotó esta temperatura t f que haya quedado. Se midió cuidadosamente el volumen de agua que contiene el calorímetro para por sustracción deducir la masa m de vapor que se condenso. Se midió la temperatura te de ebullición del agua.

Fig 1: Representación de la Experiencia.

3. RESULTADO Y DISCUSIÓN

TABULACION Y PROCESAMIENTO DE DATOS

Los datos recolectaos durante la experiencia aparecen tabulados en la tabla 1 como se muestra a continuación:

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Ensayo T0 (°C) Te (°C) m0 (g) mf (g)

1 26 75 80 922 27 39 70 743 26 31 50 534 26 31 60 645 26 31 80 84

6 25 37 20 28

7 25 30 130 133Tabla 1. Datos recolectados en la Experiencia.

A partir de esta tabla podemos hallar la cantidad de agua que es condensada (mv) restando la masa final de agua – la masa inicial de agua contenida en el calorímetro. Dicho valor para cada ensayo aparece en la tabla 2.

Ensayo: 1 2 3 4 5 6 7mv (g) : 12 4 3 4 4 8 3

Tabla 2. Masa de vapor de agua que se condenso.

En esta experiencia se da una transferencia de energía (en forma de calor) hasta que el sistema llega a un equilibrio en donde se dan 3 transferencias: Q1, el cual representa el calor o energía consumida por el vapor para condensarse; Q2 que representa calor cedido por la masa m de vapor condensado (agua proveniente del vapor), para pasar de la temperatura te de ebullición (100°C) a la temperatura de equilibrio tf y finalmente Q3 que representa el calor absorbido por el calorímetro (20g) y el agua que contenía inicialmente (m0), que la llevo de la temperatura t0 a la temperatura tf.

Q 1=mv . L

Q 2=−mv .C . (T f−100 )

Q 3=(m0+20 g ) .C .(T f−T 0)

Siendo L: calor latente de vaporización (o condensación) y C: calor especifico del agua

(1cal/g.°C), el signo menos de Q2 representa la energía cedida para llegar al equilibrio

De igual modo sabemos que el calor absorbido es igual al calor cedido por el vapor de agua más el calor consumido en el cambio de fase vapor-liquido. Es decir:

Q3 = Q1+ Q2

(m0+20 g ) .C . (T f−T 0 )=mv . L−m v .C . (T f−100 ), despejando L se tiene que:

L=[ (m0+20 g ) .C . (T f−T 0 ) ]

mv+[C . (T f−100 ) ]

Por medio de la formula anterior procedemos a hallar el valor del calor latente de vaporización (L) para cada ensayo experimental, recolectado en la siguiente tabla:

Ensayo: L (cal/g)1 383.332 2093 47.674 315 566 -37 180

Tabla 3. Calor latente de vaporización (o condensación) experimentalmente.

ANOTACIONES Y CÁLCULOS

Esto es lo que hay que hacer para esta parte

Sean Q1= calor cedido por el vapor para condensarse; Q2= calor cedido por la masa m de vapor condensado (agua proveniente del vapor), para pasar de la temperatura te de ebullición a la temperatura de equilibrio tf. Q =calor absorbido por el calorímetro y el agua que contenía inicialmente (m0), que la llevo de la temperatura t0

a la temperatura tf. Por lo tanto:

Q=Q1+Q2

CUESTIONARIO

1) ¿Porque siempre que coexistan el estado liquido y gaseoso, no aumentara la temperatura mientras se suministre calor manteniendo constante la presión?

R/: Una sustancia suele experimentar un cambio en su temperatura cuando se transfiere energía térmica entre la sustancia y sus alrededores. Sin embargo, hay situaciones en las cuales la transferencia de energía térmica no produce un cambio de temperatura. Éste es el caso siempre

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que las características físicas de la sustancias cambian de una forma a otra, lo que comúnmente se le conoce como cambio de fase. En el cambio de líquido a gaseoso, las moléculas en el líquido están muy cercanas unas de las otras, las fuerzas entre ellas son más intensas que las correspondientes entre moléculas de gas con mucha mayor separación. Por lo tanto, debe efectuarse trabajo sobre el líquido contra estas fuerzas moleculares atractivas para separar las moléculas. Por esta razón la temperatura no aumenta al coexistir el estado líquido y gaseoso.

2) Calcule la energía requerida para transformar 150 gr de hielo a -200 C en vapor a 1000C

Para calcular el calor total requerido para llevar 150 gramos de hielo de -20°C a 100°C en estado gaseoso, debemos analizar el calor requerido para cada una de las siguientes partes del proceso:

Inicialmente se necesita una cantidad de calor (Q1) para llevar la masa de hielo de -20°C a 0°C;

Q 1=m .Chielo .(0 (−20 ))°C

Seguidamente un cantidad de calor (Q2) para fundir la masa de hielo.

Q 2=m .L fusion

Una vez convertida toda la masa de hielo a estado liquido es necesario administrarle energía (calor, Q3) para llevar los 150 gramos de agua de 0°c a 100°C;

Q 3=m .Cagua . (100−0 ) °C

Y finalmente para llevar los 150 gramos de agua a estado gaseoso es necesario suministrar otra cantidad de calor extra

Q 4=m .Lvaporizacion

Finalmente la cantidad de total de energia requerida será la suma de todos los calores, por tanto:

QT=Q 1+Q 2+Q 3+Q 4

Tomando el calor específico del agua (Cagua) como Cagua=1cal/g°C; el del hielo como Chielo=0.5 cal/g°C; el calor latente de fusión como Lfusion=80cal/g y el de vaporización como Lvap.=540cal/g, tenemos que la energía total es:

QT=(150g )0,5 calg °C

(0+20 )° C+150 g(80 calg )+150g .1 calg ° C. (100−0 ) °C+150 g .(540 calg )

QT=109500cal≅ 458367 J

3) Defina evaporización; ebullición; saturación; punto triple; sublimación. Investigue la influencia de los solutos en las temperaturas de cambios de fase

Evaporación: Es un proceso por el cual una sustancia en estado líquido pasa al estado gaseoso, tras haber adquirido energía suficiente para vencer la tensión superficial.

Ebullición: Es el proceso físico en el que un líquido pasa a estado gaseoso. Se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión. Si se continúa calentando el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión del agua en estado líquido en agua en estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso.

Punto triple: El punto triple es aquel en el cual coexisten en equilibrio el estado sólido, el estado líquido y el estado gaseoso de una sustancia. Se define con una temperatura y una presión de vapor.

Sublimación: Es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Se puede llamar de la misma forma al proceso inverso; es decir, el paso directo del estado gaseoso al estado sólido, pero es más apropiado referirse a esa transición como sublimación inversa o cristalización; ocurre en las geoditas.

4. CONCLUSIÓN

Luego de realizar las mezclas de agua indicadas, con una proporción determinada de cada una,

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esta cumplió el principio de conservación de la cantidad de calor. Ya que el calorímetro es un sistema aislado que no emite ni absorbe calor. Los datos obtenidos por sus realizadores en esta experiencia parecen ser satisfactorios.

El equilibrio térmico se establece entre sustancias en contacto térmico por la transferencia de energía, en este caso calor; para calcular la temperatura de equilibrio es necesario recurrir a la conservación de energía ya que al no efectuarse trabajo mecánico la energía térmica total del sistema se mantiene.

El error presente pudo deberse a las siguientes causas: Pérdida de calor por parte de los sólidos al sacarlos del agua caliente y ponerlos en contacto con el medio ambiente antes de introducirlos al calorímetro; El calorímetro no se encontraba totalmente aislado del medio ambiente; Falta de precisión al tomar el registro, el calorímetro y el agua.

5. BIBLIOGRAFIA

1) Física universitaria- Sears, Zemansky.

2) Péndulo Simple Sztejnberg, Rautenberg, Castillo y Ferreira Pons.

3) Fisisica, Joseph W. Kane, Morton M. Sternheim, 2da Edición, Pág 206, España.

4) Física, Principicios con aplicaciones, Giancoli C, Dougla, 6ta Edición, 2006, Pág 296, 297.

5) Fisica para ciencias e ingenierías, Raymond A. Serway.

6)- Chang, R. Quimica, 6ta edición, Editorial Mc Graw- Hill, 1999, pág. 213.

7)- Davis, J. E. Manual de Laboratorio, España, Editorial Revert S. A. 1975. pág. 79.

8)[www.spitzer.caltech.edu/espanol/edu/thermal/differ_sp_06sep01]

9)[http://es.wikibooks.org/wiki/F%C3%ADsica/Calorimetr%C3%ADa/Equilibrio_t%C3%A9]

10)[ www.hiru.com/es/fisika].

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