Práctica Blended Sobre Calor Latente de Fusión

 

Universidad del Norte Departamento de Física y Geo-Ciencias Práctica blended sobre el calor latente de fusión del hielo

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I. Consideraciones Teóricas En nuestra experiencia cotidiana observamos que, al aplicarle calor a un cuerpo, éste experimenta un cambio en la longitud de alguna de sus dimensiones, acompañado además con un cambio en su temper tem peratur atura. a. Pero, Pero, será será siempre cierto  que que, al aplicar calor a un cuerpo, éste aumenta su temperatura? La respuesta es NO siempre. En los cambios de  fase termodinámica la termodinámica  la temperatura de un sistema físico permanece constante, no cambia. Se entiende por fase por  fase,, un estado específico de la materia, como sólido, líquido o gas; y por cambio de fase termodinámica una termodinámica una transición transición de un estado a otro, por ejemplo, mientras el agua hierve lo hace a 100 °C, al existir una transferencia de energíaa térmica energí térmica entre una sustancia sustancia y sus alrededores alrededores en unas condiciones condiciones presión presión y temper temperatura atura dadas. Así, por ejemplo, el agua existe en la fase la fase sólida como hielo, hielo, en la la fase  fase líquida como agua y en e n la la  fase gaseosa co como mo vapor vapor de ag agua ua.. A nive nivell del mar, mar, una mezc mezcla la de agua agua y hielo hielo  permanecerá siempre a una temperatura de 0°C al aplicar calor hasta que todo el hielo se haya derretido. derre tido. ¿Qué sucede entonces con todo el calor absorbido por el sistema hielo-agua?   Este calor se utiliza para romper las fuerzas de atracción o enlaces que mantienen unidos a los átomos de hielo hasta convertir todo el hielo en líquido. Una vez alcanzado esto, la temperatura del sistema aumenta. Algunos cambios de fase termodinámicos comunes son: 1. 1. Fusión:  Fusión: Sólido a líquido. 2. 2. Ebullición:  Ebullición: Líquido a gas. 3. Condensación: Gas a líquido. 4. Sublimación: Sólido directamente a vapor (sin fusión). Calor latente

Para convertir 1 g (1 Kg) de hielo a 0 °C en 1 g (1 Kg) de agua líquida a 0 °C y a presión atmosférica normal, necesitamos aplicar 3.34x105 J (79.6 calorías) calorías) de calor. El calor requerido por  un unid idad ad de masa masa se llama llama calor latente de fusión, de deno nota tado do con  Lf . Para el agua a presión 5

atmosféri atmosf érica ca normal normal,, el calor calor de fusión fusión es 3.34x10   J/kg (79.6 cal/g ). ) . En el caso contrario, al congel con gelar ar agua líquid líquidaa a 0°C, 0°C, el sistema sistema libera libera calor en vez de absorb absorberl erlo, o, el valor valor de Q   en

 

magnitud es el mismo, pero negativo. La figura 1 muestra hierro fundido cuya coloración muestra una alta temperatura temperatura y requiere requiere de bastante bastante energía para lograrlo, lograrlo, sin embargo su calor latente es menor que el del agua. El calor absorbido o cedido por unidad de masa en una transición o cambio de fase a una temperatur tempe raturaa fija se llama llama calor latente  latente  notado mediant mediantee  L x. El símbolo símbolo ( x ) se refiere al tipo de cambio de fase. De esta forma:

 Lf  : Calor latente de fusión o condensación (sólido a líquido)  Lv : Calor latente de vaporización o ebullición (líquido a gas)  Lc  : Calor latente de condensación (gas a líquido)  Ls : Calor latente de solidificación (líquido a sólido)

Figura 1. La foto ilustra el momento en que el hierro fundido se deposita en un molde. El punto de fusión es de 1530 °C. ¿Pudiera estimar cuánto calor requerirá requerirá fundir una masa de 2 kg de hierro?

El calor absorbido o cedido por unidad de masa en una transición o cambio de fase a una temperatur tempe raturaa fija se llama llama calor latente  latente  notado mediant mediantee  L x. El símbolo símbolo ( x ) se refiere al tipo de cambio de fase. De esta forma:

 Lf  : Calor latente de fusión o condensación (sólido a líquido)  Lv : Calor latente de vaporización o ebullición (líquido a gas)  Lc  : Calor latente de condensación (gas a líquido)  Ls : Calor latente de solidificación (líquido a sólido)

El calor Q  transferido (cedido o absorbido) en un cambio de fase experimentado por una sustancia  pura dada de masa dada m , se calcula mediante

Q= ± m L x En la ecuación anterior Q > 0  cuando el material absorbe calor, y Q < 0  cuando libera o cede calor.

 

En la tabla 1 que aparece a continuación se resumen los calores latentes de algunas sustancias usuales.

Tabla 1. Valores de algunos calores latentes para sustancias conocidas Sustancia

Punto

Calor latente de

Calor latente de

 

de fusión (°C)

fusión L fusión  L f  cal/   x105 J/kg   g 

vaporización Lv vaporización  Lv Punto de ebullición (°C)  x105 J/  J /kg cal/g

Hielo

 

Calor específico c J/kg °C

cal/g  

2 090 20

0.5

Plomo

0.0 327

3,34 0.245

80 5.9

100 1620

22.6 8.7

540 218

4186 128

1 0.0305

Cobre

1083

1.34

32

2360

50.6

1208.8

386

0.0924

Aluminio

660

3.97

94.8

2450

114

2724

900

0.215

Agua

II. Resultados de Aprendizaje Se espera que el estudiante sea capaz de: 1. Determinar el calor latente de fusión del hielo aplicando el principio de conservación de la energía. 2. Comprobar que los cambios de fase se producen a temperatura constante. 3. Aplicar los principios de calor latente en situaciones cotidianas domésticas. 4. Elaborar las conclusiones derivadas de la realización de esta actividad de manera concisa.  

III. Actividades asociadas con la parte experimental Observe estos videos relacionados con esta práctica.

Ensayo 1: https://youtu.be/pwurY29zgzQ Ensayo 2: https://youtu.be https://yo utu.be/7Z1kG /7Z1kG18nRX 18nRXg g Ensayo 3: https://www.youtube.com/watch?v=aD-wXcgPvt0&feature=youtu.be

Instrucciones de seguridad En la actividad presencial, el uso de guantes y gafas de seguridad son obligatorias para las  personas que están cerca del generador de vapor. Estos vapores están a altas temperaturas y  pueden causar quemaduras en la piel.

Montaje del experimento

 

 

Figura 2: Montaje del experimento. Ilustración de unos hielos descongelándose.

Toma de Datos (Valoración máxima 0.5 / 5.0) Para la realización de esta experiencia observe atentamente los tres videos reseñados a inicios de esta sección. En ellos encontrará información con la cual debe llenar los datos que aparecen en la Tabla 2. Cada uno de ellos representa representa un ensayo diferente diferente a los otros. Para la toma toma de datos siga siga las 9 instrucciones dadas a continuación. 1. 2. 3. 4. 5.

Anote la masa masa del calorímetr calorímetro o vacío en la Tabla 2. Ahora anote nuevamente la masa del calorímetro calorímetro con agua en la la Tabla 2. Deduzca la masa masa inicial inicial de agua y anote su valor en la Tabla Tabla 2. Observe las temperaturas iniciales iniciales del agua y del hielo, rregístrese egístrese en la Tabla 2. Observe Observe luego que se introducen trozos trozos de hielo en el calorímetro calorímetro con agua. Se evita que al

introducir el hielo lleve gotas de agua como ilustra la figura 2 (el hielo es secado con papel absorbente).  Se remueve suavemente el agua hasta observar que el hielo se ha disuelto totalmente y la gráfica de la temperatura en función del tiempo (T  contra t ) muestre que la temperatura se ha estabilizado. Anote la temperatura final de todo el sistema en la Tabla 2. 6. Seguidamente, Seguidamente, se toma otra vez el calorímetro calorímetro con su contenido total total de agua y se registra su masa en la Tabla de datos 2. 7. Deduzca la masa masa inicial inicial del hielo y anótala anótala en la Tabla 2 8. A partir de los datos anotados anotados en la tabla, halle el calor lat latente ente de fusión para cada ensay ensayo, o, así como el error relativo porcentual en cada caso.

Tabla de datos

 

Tabla 2: Información para determinar el calor latente de fusión del agua.

Medidas

Video Ensayo 1

Video Ensayo 2

Video Ensayo 3

21269.2 .412 272.33 213.21 42.91 66.2 0.0 40.0 90.1818 12.7

1 16 9,95,4 3 241,17 182,76 41,87 66,3 -6.3 37 90.8927 13.6

21168,7 ,267 270,68 201,41 52,41 58,2 -2,7 28,6 85.1518 6.4

m

 (g) m  (g) mcalorímetro agua hielo  (g) m inicialagua   (g) m hielo (g) T inicialdel agua (°C) T inicial−hielo  (°C) T final  (°C) calorímetro vacío calorímetro calorímetro +agua +

+

 L f   Error %

IV. Análisis de Resultados  Resultados  (Valoración máxima 1.0 / 5.0) i. ¿Por qué el hielo al introducirse en el calorímetro debe ir seco? El hielo debe ir seco al introducirse al calorímetro ya que si se da el caso de que el hielo tenga gotas de agua en la superficie alteraría la masa total de agua dentro del calorímetro causando ruido en las mediciones y no se podría determinar con exactitud el calor latente de fusión ya que se va de un estado sólido a líquido. ii. ¿Es correcto afirmar que el calor recibido por el hielo para fundirse es igual al calor cedido  por la masa de agua inicial en el calorímetro? Explique. Es correcto afirmarlo dado que según la ley de la conservación de la energía, la sumatoria de las cantidades de calor debe ser 0, lo cual ocurre cuando el calor recibido por el hielo(Q1) es igual al calor cedido por el agua(-Q2), y lo podemos comparar por medio de la siguiente equivalencia:

equivalencia 1  Nota: por convención Q2 es negativo, dado que el agua está cediendo calor.

iii. ¿Cómo aplicas la primera ley de la termodinámica para determinar el calor de fusión del agua?

 

Teniendo en cuenta que la primera ley de la termodinámica usa el principio de conservación de la energía lo que nos permite determinar la cantidad de energía que se debe intercambiar es decir nos  permite saber el calor que fue cedido recibido por los sistemas  sistemas  iv. En una mezcla de hielo y agua, la temperatura de ambos es 0 C. Entonces, ¿por qué el hielo se siente más frío cuando se toca? Aunque sean el mismo elemento y se encuentren encuentren a la misma temperatura, temperatura, ambos poseen una una conductividad térmica conductividad térmica diferente, diferente, es decir que el hielo posee mayor conductividad conductividad térmica que el agua, por esta razón el hielo se siente más frío.

V. Física en el Hogar  (Valoración máxima 1.0 / 5.0) Identifique en su casa al menos una situación donde se evidencie el tema o la actividad aquí planteada, debe explicar y de ser posible ilustrar con una foto o video. (Entre más creativo y claro su calificación aumenta)

La evaporación del agua líquida que se encuentra en la ropa recién tendida por acción de la radiación solar que calienta, provocando un aumento de la energia cinetica ( la energia debido al

 

movimiento) de las partículas de agua, que produce que el agua pase de estado líquido a estado gaseoso, es decir que se evapore.

El paso cambio de fase del hielo hacia agua en un jugo con hielo, esto se da ya que nuestro sistema (vaso con jugo y hielo) está expuesto al aire caliente del ambiente recibiendo calor de este, nuestro sistema usa ese calor para derretir el hielo sin alterar la temperatura del de l jugo manteniendo la bebida “fría” hasta que todo el hielo se derrita , luego de que se ha derretido todo el hielo se  puede sentir como el juego aumenta de temperatura con el pasar del tiempo.  Nos resultó muy interesante esta práctica ya que nos permite hacer una conexión entre los contenidos dados en clase con nuestra vida cotidiana, permitiéndonos comprender cada vez más como funciona el entorno que nos rodea.

VI. Conclusiones (Valoración máxima 2.5 / 5.0) En la práctica blended sobre el calor latente de fusión, los estudiante fuimos capaces de determinar  el calor latente de fusión del hielo, esto se logró al aplicar el principio de conservación de la energía, pero se alcanzan a comprobar que los cambios de fase se producen a una temperatura constante, ya que el calor que recibe o pierde un cuerpo mientras está cambiando de estado, no se emplea en aumentar o disminuir su temperatura, sino que se emplea en romper o formar las uniones entre las partículas que componen el cuerpo. Al completar la experiencia de laboratorio, se pudo identificar y aplicar los principios de calor latente en muchas de las situaciones cotidianas domésticas, en esta experiencia de mucho análisis se alcanzó a confirmar que el calor recibido por un cuerpo (masa) para fundirse es igual a calor recibido por la masa de mayor temperatura, esto es debido a la ley de la conservación de la energía, ya que la sumatoria de las cantidades de calor debe ser igual a 0 (cero) esta afirmación se comprobó a través de la equivalencia 1. La práctica sobre calor latente de fusión nos ayudó a pensar en cómo aplicar la primera ley de la termodinámica para determinar el calor de fusión del agua, teniendo presente que la primera ley de

 

la termodinámica usa el principio de conservación de la energía, lo que nos permitió determinar la cantidad de energía que se debe intercambiar entre los sistemas, es decir que nos n os permite saber la cantidad de calor cedido y recibido por los sistema, sistema, todos los principios expuestos en la experiencia nos llevó a conocer y entender más de cómo funciona nuestro entorno, uno de los fenómenos tan inusuales y muy poco comprendidos es él por que si do doss Elementos de materiales diferentes se encuentra a una misma temperatura (vaso plástico, vaso de aluminio), al momento de tocarlos uno se siente a mayor temperatura que el otro, este fenómeno se debe a la capacidad que  posee el material para conducir el calor, este fenómeno lo conocemos con conductividad térmica y nos ayudó a entender muchas de las situaciones cotidianas. Para la realización del laboratorio se organizaron los datos un tabla de valores, donde se tuvo en cuenta las temperaturas y las masas de los elementos en e n 3 ensayos diferentes, estos datos no ayudaron a calcular un calor específico experimental y lo comparamos con el teórico, esta operación no llevó a un porcentaje de error el cual le atribuimos a los siguientes factores, en el experimento se utilizaron implementos implementos como un calorímetro de icopor, los cuales no son completamente adiabático, es decir que el sistema no estaba completamente aislado, otra causa del  porcentaje de error puede ser la lectura inadecuada de datos, también al momento de introducir los cubos de hielo, no se encontraban completamente secos.

Referencias bibliográficas

1. S. Gil y E. Rodríguez. Física  Física re-creativa: experimentos de Física usando nuevas tecnologías.  Argentina: Prentice-Hall, 2001. 2. A. Ribeiro, B. Alvarenga. Física  Física general con experimentos sencillos, sencillos, 3.a ed. México: Oxford  University Press, 2003. 3. F. Sears, M. Zemansky, H. Young y R. Freedman .  Física Física universitaria, universitaria, vol.1, 12.a ed. México: Addison Wesley Longman, 2009. 4. H. Benson. Física  Física universitaria, universitaria, vol. 1. México: CECSA, 2000. 5. F. Blatt.  Fundamentos Fundamentos de Física, Física, 3.a ed. México: Pearson Educación, 1991. 6. P. Tipler. Física.  Física. España: Reverté, 1992. 7. R. Serway y J. Robert . Física,  Física, t. 1 , 5.a ed. México: McGraw-Hill, 2004.