Efecto Mpemba PDF

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Práctica descriptiva del efecto Mpemba...

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LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA (NELI03031)

Ramírez de Alba Daniel

LICENCIATURA EN INGENIERÍA QUÍMICA.

PRÁCTICA: EFECTO MPEMBA. OBJETIVO 

Explicar e interpretar el comportamiento de agua con temperatura de ebullición expuesta a una temperatura bajo su punto de solidificación.

INTRODUCCIÓN Si se cuenta con dos volúmenes de agua, uno de ellos a 95º C y el otro a 50º C y son puestos en el congelador al mismo tiempo, la pregunta es ¿Cuál de las dos se convertirá en hielo antes? Uno estaría tentado a decir que el agua a 50° C, sin embargo esto no sucede en la realidad, tampoco ocurrirá que al mismo tiempo ambos volúmenes se solidifiquen. Lo que sucede es que el agua a 95° C se congelará primero. Éste es el efecto Mpemba, en honor al joven tanzano que lo descubrió mientras hacía unos helados en 1969. Todo tiene que ver con el superenfriamiento: a veces el agua no solidifica a 0ºC y se mantiene líquida incluso a –20ºC. En estas extrañas condiciones, cuando se produce la congelación se verifica a una velocidad mucho mayor que la normal. El agua caliente es más proclive a superenfriarse por un curioso motivo: cuanto más caliente está, menos burbujas de gas contiene. ¿Y qué tiene que ver esto con la congelación? Pues que las burbujas actúan como "agarraderos" para que las moléculas de agua empiecen a orientarse y formar la estructura cristalina del hielo. Cuantos menos "agarraderos" tenga el agua, más fácil es que se mantenga líquida por debajo del punto de congelación. También hay que tener en cuenta que el hielo flota en el agua líquida: un lago congelado lo está en su parte superior, y la capa de hielo va creciendo hacia el fondo. Esta capa aísla al resto del agua del aire frío, lo que hace que se congele más lentamente. Sin embargo, en el caso del agua superenfriada, como toda está a una temperatura por debajo de cero, cuando comienza la congelación esta se produce de golpe, con lo que gana la partida a la masa de agua que se convierte en hielo por el camino normal.

MATERIALES Y REACTIVOS (CANTIDAD)     

Recipientes del mismo material (2) Recipientes de diferente material a los anteriores (2) Agua Taza medidora Cronómetro

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Información y rombo de seguridad de reactivos Peso Nombre Fórmula Rombo de molecular seguridad (g/mol) S I R E Agua H 2O 18.01 0 0 0 A

Concentración

Marca

Desconocida

Santorini

PROCEDIMIENTO a) Se midieron 100 ml de agua utilizando la taza medidora y fueron vaciados a un pocillo para calentar el agua. Se hizo lo mismo con otros 100 ml pero esta vez se colocaron en un pocillo diferente. b) Se llevó a calentamiento estos volúmenes de agua c) Mientras se calentó el agua, se midieron otros 200 ml de agua y por separado, fueron puestos 100 ml en recipientes diferentes. En mi caso, se decidió utilizar moldes de aluminio. d) Cuando el agua puesta en calentamiento, presentó burbujas y comenzó a ebullir, se retiró el calentamiento y los volúmenes de agua fueron depositados en moldes pero este caso de plástico. e) Se colocaron los 4 moldes en el congelador al mismo tiempo f) Cada determinado tiempo, se abrió el congelador para observar cambios en los moldes y las observaciones fueron tomadas en cuenta.

OBSERVACIONES Antes de continuar con el desarrollo del reporte, es importante hacer mención de detalles que se tomaron en cuenta en el transcurso de la práctica. El primero y tal vez el más importante, es que al no contar con un termómetro de laboratorio para tener un registro de temperaturas de los volúmenes de agua a medida que avanza el tiempo, los registros fueron más cualitativos que cuantitativos, es decir, no hay valores de temperaturas en cada revisión de estado del agua La temperatura dentro del congelador si bien debe de ubicarse a bajas temperaturas, no permanece constante. Esto se sabe ya que se han realizado experimentos previamente en el equipo. El periodo de tiempo pertinente para la revisión de estado de los volúmenes de agua debió ser lo suficientemente largo para observar cambios significativos pero que a la vez lo suficiente para impedir que al hacer una revisión, se encontraran los cuatro moldes en estado sólido. Se decidió hacer una revisión para el agua cada 30 minutos. En cada revisión, es importante no perturbar el agua con algún golpe ya que se puede generar el rompimiento de burbujas en caso de que el agua se encuentre sobreenfriada.

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RESULTADOS Molde 1 2 3 4

Material del molde Plástico Plástico Aluminio Aluminio

Temperatura inicial 24 °C 100 °C 24 °C 100 °C

Tiempo de solidificación 3 horas 2 horas 3 horas y 30 minutos 2 horas y 30 minutos

Utilizando los datos obtenidos y registrados, para cada molde tenemos las siguientes velocidades de enfriamiento. Suponiendo que la temperatura inicial es la que se muestra en la tabla y la final para todos los casos es 0° C que es la temperatura de solidificación del agua. Molde 1

Velocidad de enfriamiento 24° 𝐶 10800 𝑠 100° 𝐶 7200 𝑠 24° 𝐶 12600 𝑠 100° 𝐶 9000 𝑠

2 3 4

Aquí es importante mencionar que no sería técnicamente correcto simplificar las fracciones de velocidad ya que si fuera así, se estaría asumiendo que el enfriamiento es lineal y de acuerdo a la Ley de enfriamiento de Newton, esto no es así ya que para cualquier fenómeno de enfriamiento, la ecuación matemática que describe este comportamiento tiene como modelo el siguiente: 𝑇 = 𝐴𝑒 −𝐵𝑡 + 𝐶 donde T es la temperatura, t es el tiempo y A,B y C son constantes donde necesariamente el exponencial debe ser negativo, A positivo y C dependiendo de la temperatura ambiente, será positiva o negativa. La única condición para aplicar la Ley de enfriamiento de Newton es que la temperatura ambiente sea constante. En este caso, la temperatura ambiente sería la del congelador pero al no ser constante, no es exactamente una función exponencial negativa ni mucho menos lineal.

Ejemplo de modelo de la Ley de enfriamiento de Newton.

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DISCUSIÓN Observando la tabla anterior, se aprecia que el molde que tuvo mayor pérdida de energía en menor tiempo y por ende su temperatura disminuyó más rápido, fue el molde 2 que corresponde al que inicialmente tenía agua a una temperatura de 100° C y se depositó en un molde de plástico. Enseguida le siguió el molde 4 que también contenía agua a 100° C pero se depositó en el molde de aluminio. Después el molde 1 que contenía agua a temperatura ambiente y se colocó en el de plástico y finalmente el molde 3 con agua a temperatura ambiente en el de aluminio. Con esto podemos deducir dos cosas: La primera es que mientras mayor sea la diferencia de temperaturas entre la de solificación y a la que se encuentre la sustancia líquida, la pendiente que describe el descenso de temperatura, es más inclinada. En otras palabras, mientras más caliente se encuentre un cuerpo líquido y éste se someta a una temperatura menor a la de su punto de solidificación, la variación de temperatura respecto al tiempo es mucho mayor por lo que se enfría más rápido gracias a la ausencia de burbujas. Existen experimentos donde se tiene agua caliente y es arrojada al aire, en ese instante se solidifica al instante. Esto funciona siempre y cuando la temperatura ambiente sea lo suficientemente fría, mucho menor a la que podría haber en un congelador, debería de ser temperaturas alrededor de -16°C La segunda cosa que podemos observar es sobre la capacidad de aislamiento térmico que tienen los materiales. Los resultados parecen indicar que el plástico permite con mayor facilidad el intercambio de temperaturas para alcanzar el equilibrio térmico que el aluminio. Es decir, el aluminio es mejor aislante que el plástico. Se requiere menos energía para calentar el plástico que el aluminio sin embargo el plástico no es lo suficientemente resistente para ser calentado. En el experimento, el plástico sede con mayor facilidad la temperatura que contiene el agua que el aluminio.

CONCLUSIÓN El enfriamiento es un fenómeno que se debe a condiciones termodinámicas como lo son la presión y temperatura tanto la ambiente como la corporal, fisicoquímicas como es el punto de solidificación y físicas tales como las barreras o los objetos que impiden la transferencia de temperaturas. Cualquiera pensaría utilizando el sentido común y lógica que los cuerpos fríos se enfrían más rápido que los calientes sin embargo, hemos visto que no es así debido al efecto Mpemba. Sin embargo, esto no aplica para todas las temperaturas ya que si se tiene agua a 35°C y a 5°C, aun así el agua a 5°C se congela primero. Para que se cumpla el efecto Mpemba, es necesario contar con las siguientes condiciones: En el recipiente caliente el líquido circula mejor, con lo cual el agua caliente de la zona central se mueve con más rapidez hacia las paredes del recipiente o hacia la superficie, produciéndose su enfriamiento. A mayor

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temperatura, el agua se evapora más rápido. Cuanto más caliente está un líquido, menos gases disueltos le quedan (los gases dificultan la congelación). Para poder presenciar el efecto Mpemba se requiere entonces de una diferencia significativa de temperaturas la en las cuales una de ellas disminuya la presencia de gases o burbujas evaporándolas y una temperatura ambiente por debajo del punto de solificación.

BIBLIOGRAFÍA   

Dorsey, N. Ernest (1948). The freezing of supercooled water. Trans: 247-326. An extensive study of freezing experiments. Knight, Charles A. (mayo de 1996). The MPEMBA effect: The freezing times of hot and cold water. Am. J. of Physics: 524. Mpemba, Erasto B.; Osborne, Denis G. (1969). Cool? Physics Education: 172-175.

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