Lab+8- Fusion Y Solidificacion PDF

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Observar cualitativamente las características físicas que se requieren para que una sustancia experimente una transferencia de calor, cambio de fase....

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Escuela Profesional de Ingeniería Eléctrica

INTRODUCCIÓN Cuando se le comunica calor a un sólido cristalino, su temperatura aumenta progresivamente y al alcanzar un determinado valor se produce la transición o cambio de fase del estado sólido al líquido que denominamos fusión. Si las condiciones de presión exterior se mantienen constantes, el cambio de fase se verifica a una temperatura fija o punto de transición entre ambos estados, que se mantiene constante hasta que el sólido se ha fundido totalmente. A nivel molecular la fusión se produce como consecuencia del derrumbamiento de la estructura cristalina. El incremento de temperatura da lugar a un aumento en la amplitud de las vibraciones de las partículas en la red, que termina por romper los enlaces y producir la fusión. Una vez que se alcanza la energía de vibración correspondiente a la temperatura de fusión, el calor recibido se emplea en romper nuevos enlaces, de ahí que se mantenga constante la temperatura durante el proceso. La solidificación es la transición de líquido a sólido que se produce de forma inversa a la fusión, con cesión de calor. Cualquiera que sea la sustancia considerada el punto o temperatura de transición entre dos estados o fases de la materia es el mismo independientemente del sentido de la transformación. La disminución progresiva de la temperatura del líquido hace que en las proximidades del punto de solidificación las fuerzas de enlace vayan imponiendo progresivamente su orden característico. La práctica de laboratorio consistió básicamente en tomar la neptalina sólida y luego pulverizando, introducidos en un tubo dentro de un vaso precipitado con agua y luego se puso en la estufa hasta que caliente y e la neptalina alcance su estado liquido y luego se espero que se enfriara hasta que se solio otra ves.

Laboratorio de Física II Experiencia Nº 8 – Fusión y Solidificación

FUSION Y SOLIDIFICACION

1.

OBJETIVOS Observar cualitativamente las características físicas que se requieren para que una sustancia experimente una transferencia de calor, cambio de fase.

2.

EXPERIMENTO

2.1

MARCO TEÓRICO Se denomina cambios de fase a variaciones bruscas en alguna propiedad de un material que ocurran a una temperatura bien definida, también es el cambio de la materia entre varios estados de agregación sin que se afecte su composición. Los tres estados básicos son el sólido, el líquido y el gaseoso. Bueno nosotros solo veremos dos de ellos que vendrían a ser la fusión (de sólido a liquido) y la solidificación (de liquido a sólido).

2.2

FUSIÓN Y SOLIDIFICACIÓN Son procesos contrarios en el cambio de estado sólido a líquido. Se producen a una temperatura determinada para cada sustancia y su valor varia muy poco con la presión.

2.2.1

Fusión Es el cambio de una sustancia del estado sólido al líquido, normalmente por aplicación de calor. Cuando una sustancia se encuentra a su temperatura de fusión, el calor que se suministra es absorbido por la sustancia durante su transformación, y no produce variación de su temperatura. Este calor adicional se conoce como CALOR DE FUSIÓN.

2.2.2

Punto de fusión Es la medida en la que el sólido se convierte en líquido este valor es constante y específico en cada sustancia, el cambio de sólido a líquido no sólo se da por aplicación de calor sino que también aumentando o disminuyendo la presión según se requiera

El calor que debe suministrarse a la unidad de masa de un sólido para convertirlo en líquido a la temperatura de fusión se denomina calor de fusión Q.

C

Q m

Donde:   

2.2.3

Q es la Cantidad de calor necesario para la fusión. M es la Masa del cuerpo. C es el Calor específico de fusión.

Solidificación La solidificación es un proceso físico que consiste en el cambio de estado de la materia de líquido a sólido producido por una disminución en la temperatura. Es el proceso inverso a la fusión. La diferencia es que en el proceso de solidificación la sustancia emite o pierde calor hacia el medio ambiente que le rodea. Emitiendo la misma cantidad que absorbió para fusionarse. Formando así poco a poco su estructura cristalina molecular entablándose de nuevo los enlaces. En general, los compuestos disminuyen de volumen al solidificarse, aunque no sucede en todos los casos; en el caso del agua aumenta.

3.

DISEÑO

cronometro paleta termómetro Tubo de ensayo con naftalina y termómetro Masa de liquido

cocinilla madera

Fig. Nº1: Fusión

cronometro

Tubo de ensayo con naftalina y termómetro

Fig. Nº2: Solidificación

Fig. Nº3: Medición de la temperatura de fusión

4.

EQUIPOS Y MATERIALES:           

Una cocina eléctrica Termómetro Un tubo de ensayo Un vaso pirex Un cronometro Un soporte universal Un agitador Dos clamps Naftalina Agua destilada Pabilo

Cocina eléctrica

termómetro

tubo de ensayo

Vaso pirex

cronometro

Agitador

clamps

Agua destilada

soporte universal

naftalina

pabilo

5. VARIABLES INDEPENDIENTES ¿Que instrumentos nos dan las variables independientes en el experimento y cuales son estas variables? La temperatura es un factor independiente ya q no depende de algun otro factor. La masa de la naftalina es una variable independiente al igual q la temperatura debido a que no depende de algún otro factor. El calor latente de fusión y solidificación es independiente se determina en forma experimental y solo varia por el tipo de sustancia a utilizar.

El tiempo también es un factor de medida independiente

6.

VARIABLES DEPENDIENTES En este caso no existen variables dependientes pues todas las variables son independientes de la masa

7.

RANGO DE TRABAJO ¿Cuales son los rangos de trabajo de los instrumentos siguientes? Fueron utilizados los siguientes materiales: 

Para la balanza:

- Mínima medida o

8.

- Máxima medida



El termómetro de 0o C a 100º C



Vaso Precipitado de 0ml a 1000ml



El sensor de temperatura de –40º C A 135º C



No fueron considerados los siguientes materiales:



Un matraz



Una pinza metálica

1 g. 1000 g.

PROCEDIMIENTO 

Procedemos a encender la estufa y colocar un vaso precipitado y dentro con agua y hay un tubo que contiene la neptalina en polvo y se tomara la temperatura cada cierto tiempo hasta que alcance su estado liquido



De igual manera se procederá pero esta vez haremos que se enfrié hasta que alcance su estado solido de la neptalina

TABLA Nº 1 TEMA: FUSIÓN Y SOLIDIFICACIÓN FUSIÓN Nº

Tiempo (s)

T agua (ºC)

T naftalina (ºC)

1

25

22

25

2

50

26

25

3

75

27

25

4

100

28

25

5

125

30

26

6

150

31

27

7

175

32

28

8

200

33

29

9

225

35

30

10

250

36

31

11

275

38

33

12

300

39

34

13

325

41

36

14

350

43

37

15

375

45

38

16

400

47

40

17

425

48

42

18

450

49

43

19

475

50

45

20

500

51

46

TABLA Nº 2 TEMA: FUSIÓN Y SOLIDIFICACIÓN SOLIDIFICACIÓN

N º 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1

Tiempo (s) 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250

T naftalina (ºC) 82 81 81 80 80 80 79 79 79 79

275

79

300

79

325

79

350

78

375

78

400

76

425

72

N º 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1 3 2 3

Tiempo (s) 525

T naftalina (ºC) 57

550

55

575

52

600

51

625

49

650

47

675

46

700

45

725

43

750

42

775

41

800

40

825

39

9. CUESTIONARIO 9.1

Usando los valores de la tabla Nº 1, represente en la hoja de papel milimetrado los valores de T=T (t) que muestra el proceso de la fusión de la naftalina, identificar el punto de fusión. Hemos omitido señalar el punto de fusión ya que es la línea que se mantiene constante en la gráfica.

PROCESO DE FUSIÓN DE LA NAFTALINA

na ftakina (ºC )

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Tiempo( s) T naftalina

Tiem po (s) 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475

T

nafta lina (ºC) 25 25 25 25 26 27 28 29 30 31 33 34 36 37 38 40 42 43 45

9.2

Usando los valores de la tabla Nº 2, representar en la hoja de papel milimetrado los valores de T=T (t) que muestra el proceso de solidificación de la naftalina. Identificar el punto de solidificación.

El punto de solidificación lo omitimos ya que se señala cuando la temperatura permanece casi constante.

PROCESO DE SOLIDIFICACION DE LA NAFTALINA 90 80

T naftalina (ºC)

70

60 50 40 30

20 10

0 0

100

200 900

300

400

500

600

Tiempo (s) T naftalina (ºC)

700

800

10 00

11 00

Tiempo (s)

T naftalina (ºC)

25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500 525 550 575 600 625 650 675 700 725 750 775 800 825 850 875 900 925 950 975 1000

82 81 81 80 80 80 79 79 79 79 79 79 79 78 78 76 72 67 64 60 57 55 52 51 49 47 46 45 43 42 41 40 39 38 37 36 35 33 32 30

9.3

A partir de la interpretación de la última gráfica. Que le permite afirmar que la naftalina desprende calor. Al analizar entre libros para asegurar nuestra respuesta deducimos que la naftalina si desprende calor, eso sucede en el cambio de fase que necesita esta sustancia para liberar cierta energía, pero transformada en calor, por eso aseveramos que la naftalina si desprende calor.

9.4

¿Sus gráficas le permiten afirmar que los puntos de fusión y solidificación de la naftalina coinciden?¿Por qué? Según en nuestra gráfica los puntos de fusión y de solidificación no coinciden debido capas a las variaciones de presión o a ciertas condiciones de la naftalina.

9.5

Indique en que instante y a que temperatura se realiza el proceso de solidificación. Luego de la fusión de la glicerina , dejamos enfriar, observando 17.12 minutos, se solidifico la

glicerina

alcanzando

una

que transcurrido

temperatura

de

30gados

Celsius. 9.6

Por que el punto de fusión y solidificación coinciden durante la solidificación. Porque un solidó (naftalina), se funde ala misma temperatura que solidifica en el estado liquido.

9.7

Tomando en consideración sus datos experimentales, ¿puede determinar la cantidad de calor por unidad de tiempo que se desprende de la naftalina durante el proceso de solidificación? De ser posible cuantifique su valor.

9.8

Nombrar algunas posibles fuentes de error en la experiencia y clasificarlos. Los posibles errores en la experiencia es no utilizar materiales de calidad para este experimento, como la pésima condición de los termómetros.

9.9

Considerando que el punto de solidificación de la naftalina es 70 oC cuantifique el error que se a cometido en la experiencia. Para responder esta pregunta utilizamos lo siguiente: Valor teorico : 70 °C ; Valor experimental : 30 ° C

%ERROR= Valor teórico - Valor experimental x 100 = 70 ° C - 30 ° C x 100 Valor teorico 70 °C

%ERROR= 57 %.

9.10 Como podría determinar el calor latente de fusión de la naftalina y el de sublimación. Describa el método que propone. Bueno para poder hallar el calor latente de tanto de fusión como de solidificación debemos de saber un dato adicional que es el calor especifico de la naftalina, con eso procederemos a demostrar la formula a usar para poder hallar el calor latente de fusión y sublimación. Sabemos por formula que:

Q  Ce  m  T

o

Q  Ce  T m

; donde: Ce = calor especifico; T = variación de temperatura.

Pero además tenemos en cuenta la formula del calor latente:

QLm Q  o Lm

; donde: L = calor latente , m = masa de cuerpo y Q = calor

Como podemos observar el calor latente puede depender del calor especifico y de la variación de temperatura, por ende esta formula la usaremos para poder hallar tanto el calor latente de fusión y de sublimación ya que en nuestros datos tenemos la variación de temperaturas y puesto que el calor especifico de la naftalina se encuentre como dato para poder solucionar esta pregunta. 9.11 ¿Qué aplicaciones practicas tienen los cambios de estado? 9.12 Explicar por que para realizar esta experiencia es necesario un flujo calorífico constante. 9.13 Explicar por que las fuerzas moleculares tienen diferentes magnitudes en sustancia diferentes y como influye esta característica en el punto de fusión de cada una de ellas. 9.14 Comparar el punto de fusión experimental y el teórico de la naftalina. A qué se debe esta diferencia. El punto de fusión de nuestro experimento nos datan de un valor de 79 ºC pero el teórico nos datan de 81 ºC esto nos da un error de 2.47% debido a las condiciones de presión en la cual se encuentra la naftalina y de cierta forma el volumen también.

9.15 Puede dar un argumento físico que justifique por que el punto de fusión coincide con el punto de solidificación. Porque el calor latente de fusión es numéricamente

igual

al

calor

latente

de

solidificación. 9.16 Durante un cambio de fase, siempre la temperatura de cualquier sustancia permanece constante, justificar su respuesta. El cambio de fase se puede explicar como la energía suficiente para que un cuerpo, sea el estado que se, cambie su forma física pero en esa energía o calor necesario no depende de la temperatura por lo que podemos aseverar que durante el cambio de fase la temperatura permanece constante. 9.17 Que le sucede ala energía calorífica mientras la naftalina cambia a la fase liquida a temperatura constante. Mientras cambia de fase la naftalina la energía calorífica aumenta. 9.18 ¿Como puede comparar la concavidad que se forma en la superficie de la naftalina cuando ésta se solidifica? 9.19 ¿Qué cambio de fase experimenta la bolita de naftalina, usadas como antipolillas, ya que como es conocida esta reduce su tamaño con el tiempo? El cambio de fase que experimenta la bolita de naftalina, usadas como antipolillas,

es

una sustancia orgánica que tiene una gran tendencia a pasar a fase vapor sin pasar por el estado líquido (volatiliza) a presión atmosférica.

10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 

Para tener menos margen de error en el calculo seria bueno que en el proceso de fusión de la naftalina se utilice el sensor de temperaturas del Vernier LAB Pro ya que esta nos ofrecería mas datos con el transcurrir del tiempo y así ya no seria necesario estar marcando en cada minuto en que temperatura esta y así obtendríamos la grafica de cambio de fase mucho mas claro.



Bueno nos podemos dar cuenta que el tiempo que tarda para que se den los cambios de estado dependen de la masa de la sustancia, la presión en que estén ejercidos, la velocidad con que se le de el calor y la cantidad de calor que se pierde al medio ambiente.

11.

BIBLIOGRAFIA Alonso-Finn; Física: Mecánica, Vol. 1, Fondo Educativo Interamericano. 1998 Guía de Laboratorio FISICA II - Universidad Nacional del Callao Raymond A., Serway; Jewet, John , Física 1. México D.F.: Thomson, 2003. Lic. Ausberto R. Saldaña. FISICA II. Segunda Edición. Editorial San Marcos 1994. LEA Y BURQUE, " physics: The Nature of Things", Brooks/ Cole 1997 Guía de Laboratorio. FISICA II “Calor Especifico De Sólidos”...