Laboratorio Calor Latente de fusion PDF

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Informe de laboratorio de fisica sobre calor latente de fusion...

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Laboratorio de Física Básica

Fluidos y Termodinámica

CALOR LATENTE DE FUSIÓN A.

COMPETENCIA ESPECIFICA

Evalúa la transferencia de calor entre hielo, y agua a diferentes temperaturas mezclados en un calorímetro, para determinar el calor latente de fusión del hielo. B.

INFORMACIÓN TEÓRICA

El calor de fusión, también conocido como calor latente de fusión, describe la cantidad de energía que se necesita para que ocurra el cambio de fase entre un líquido y un sólido sin un cambio de temperatura. El calor latente es el calor por unidad de masa requerido para que ocurra un cambio de fase. Por ejemplo, si agregamos hielo y refresco frío a un vaso, esperaríamos que el calor del refresco ligeramente más cálido derrita el hielo en el vaso. Sin embargo, probablemente hayas notado que cuando agregas hielo a una bebida ya fría, solo parte del hielo se derrite, no todo. Esto se debe a que el refresco no contiene suficiente energía como calor para superar el calor latente de fusión del hielo. Cuando combina hielo a 0 C y refresco frío a una temperatura superior a 0 C, el calor del refresco continuará derritiendo el hielo hasta que ambos alcancen una temperatura de equilibrio.

Figura 01: Esquematización del calor latente de fusión del hielo Cuando se agrega o elimina energía térmica de un objeto, la temperatura del objeto normalmente se ajusta. Sin embargo, durante un cambio de fase, la temperatura de un objeto permanecerá constante a pesar de que se agregue o reste calor adicional de la sustancia. Entonces, ¿qué está pasando con el exceso de calor durante esta transferencia de energía si no está cambiando la temperatura? Esta energía térmica se dirige hacia la superación del calor latente de la sustancia.

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Los tres estados comunes de la materia son gas, líquido y sólido. Por lo tanto, hay tres términos diferentes para el calor latente que describen los cambios de fase entre estos estados de la materia. El calor latente de fusión refiere al cambio de fase entre sólido y líquido. Tenga en cuenta que el calor en realidad se refiere a la transferencia de energía térmica entre los objetos. Por lo tanto, el calor de latente de fusión abarca el proceso de agregar calor para fundir un sólido y el proceso de restar calor para congelar un líquido. Si una

m a a la temperatura inicial

se mezcla con una masa

Ta

m h de hielo a 0º C en un

calorímetro y luego la mezcla de agua y hielo se agita hasta que se alcanza una temperatura final de equilibrio

T e . Pueden ocurrir dos casos:

Caso 1 Se funde una parte m h−m ) y agua ¿

de la masa inicial

m

(m a +m)

m h , quedando una mezcla formada por hielo

a la temperatura final de

T e=0 ºC. Si el calorímetro está

perfectamente aislado, no pierde ni gana calor, entonces se puede demostrar que

Lf =

ma c e T a ¿ m

(1)

Caso 2 Si se funde todo el hielo, el estado final es una masa

final

m ¿ (¿ h+m ¿¿ a) ¿ ¿

de agua a la temperatura

T e >0 . Si el calorímetro está perfectamente aislado, no pierde ni gana calor, entonces se

puede demostrar que Lf =c e (T a

m a + m h +k ma −T e ) mh mh

(2)

con k=

m (T −T e ) −M (T e −T o )

Donde Lf :

calor latente de fusión del hielo (334000 J/kg)

ce :

calor especifico del agua (4186 J/kg K)

m h : masa de hielo en el calorímetro m a : masa de agua a la

T a : temperatura de

Ta

ma LF-007/ 2 de 11

(3)

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k : equivalente en agua del calorímetro

M : masa de agua en el calorímetro m : masa de agua en el recipiente ¿ m : masa fundida

T : temperatura inicial de agua en el recipiente T o : temperatura inicial de la masa de agua que se encuentra en el calorímetro

T e : temperatura de equilibrio de la mezcla C.

MATERIALES Y ESQUEMA  Uso de PC o Laptop  Acceso con conexión a internet

Figura 2. Esquema representativo del sistema para la experimentación

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CALOR LATENTE DE FUSIÓN D. CUESTIONARIO PREVIO (4p) 1. ¿Qué es el calor latente? Explique. 

Si nos centramos en el terreno de la física, el calor es la energía que se traspasa de un cuerpo hacia a otro, capaz de generar un cambio de estado y la dilatación de estos cuerpos. Latente, por su parte, es aquello que se encuentra oculto o que parece inactivo. Si nos centramos en el terreno de la física, el calor es la energía que se traspasa de un cuerpo hacia a otro, capaz de generar un cambio de estado y la dilatación de estos cuerpos. Latente, por su parte, es aquello que se encuentra oculto o que parece inactivo. La noción de calor latente alude al calor que, al ser recibido por un cuerpo, no incrementa su temperatura, sino que es utilizado para que se produzca un cambio de estado.

2. Demuestre y describa la ecuación (1) de la sección B (INFORMACIÓN TEÓRICA). Q =m a c e T a ¿

Lf (m )=m a ce T a Lf =

ma c e T a ¿ m

3. Cuál es la diferencia entre calor latente de fusión y calor latente de vaporización. Mencione ejemplos relacionados con la vida cotidiana. 

Porque uno pasa a estado sólido a líquido y otro de líquido a estado vapor, un ejemplo serio cuando hervimos agua, y de vaporización seria cuando comemos algo congelado o un trozo de hielo este se cae a gotitas porque se derrite poco a poco.

4. Demuestre y describa la ecuación (2) de la sección B (INFORMACIÓN TEÓRICA).

E. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL (3p) LF-007/ 4 de 11

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1. Ingrese al siguiente link. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/calor/fusion/fusion.html 2. En el simulador elija la opción “Equivalente en agua”, seguidamente deberá de hacer click en “Prepara”, y luego click en “Calcula” ahora anote los valores para: M

= …170 g ; m = 170 g ; T o = 92.7 o C T

= 2.7o C

o

;

T e=54.2 C

con ayuda de la ecuación (3) calcule el equivalente en agua del calorímetro k =¿ k=

m (T −T e ) −M (T e −T o )

3. Para realizar el Caso 1 de la sección B (Información Teórica), en el simulador elija la opción “Calor de fusión”, luego ahora anote los valores para m h = 128 g ; m a

= 170 g ;

seguidamente deberá de hacer click en “Prepara”, y luego click en “Calcula”; para completar la Tabla 1 anote los valores de

T e =0

o

C

para diferentes

Para los cálculos correspondientes en la Tabla 1 considerar: Tabla 1: variación de la Lectur

Ta

(

mH

a

K

)

( kg )

10+273=283

0.1067

Ta .

P=m a c e T a ; Q =m h− m H

T e para diferentes

Ta

( J)

P

Q ( kg ) m h−m H =0,128 kg −0.1067 kg

m a c e T a=( 0,170 kg)( 4186 J /kg K ) ( 28 = 201388.46

1

2

293

0.0854

3

303

4 5

0.0213 0.0426

0.0642

208504.66 215620.86

0.0638

313

0.0429

222737.06

0.0851

323

0.0216

229853.26

0.1064

4. Para realizar el Caso 2 de la sección B (Información Teórica), en el simulador elija la opción “Calor de fusión”, luego ahora anote los valores para m h = 128 g ; m a

= 170 g=0.170 kg;

seguidamente deberá de hacer click en “Prepara”, y luego click en “Calcula”; para completar la Tabla 2 anote los valores de

T e para diferentes T a .

Para los cálculos correspondientes en la Tabla 1 considerar: Tabla 1: variación de la

R=ma T a

T e para diferentes

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Ta

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Lectura

F. DE 1. Con

los

Tabla 1, grafique

1 2 3 4 5 P

Fluidos y Termodinámica

Ta

(

K

)

338

( K

Te

)

R

( kgK )

275.3

57.46

343

277.7

58.31

353

282.5

60.01

363

287.3

61.71

368

289.7

62.56

en función de

Q

ANÁLISIS DATOS(4p) datos

de

la

para obtener la gráfica 01, luego determine la

ecuación de esta gráfica; y obtenga el valor de la pendiente e intersecto, con sus respectivas unidades según el sistema internacional

P(J)

� en función de � 235000.000 230000.000 225000.000 220000.000 215000.000 210000.000 205000.000 200000.000 195000.000 190000.000 185000.000 0.00

f(x) = 334564.89 x + 194262.24

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

Q(kg) Linear ()

A= B=

194262.237 2 334564.893 3

2. Con los datos de la Tabla 2, grafique R en función de

T e para obtener la gráfica 02, luego

determine la ecuación de esta gráfica; y obtenga el valor de la pendiente e intersecto, con sus respectivas unidades según el sistema internacional.

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R en función de �� 63.000 62.000

f(x) = 0.35 x − 40.04

61.000 60.000

R(kgK)

59.000 58.000 57.000 56.000 55.000 54.000 274.00 276.00 278.00 280.00 282.00 284.00 286.00 288.00 290.00 292.00

Te(K) Linear ()

A=

-40.0420833 0.35416666 7

B=

G. COMPARACIÓN Y EVALUACIÓN(3p) 1. A partir de la pendiente de la gráfica 01, obtenga el valor de el valor del

Valor Teórico o Bibliográfico

m a c e T a= A+ B ( m h−m H )

Lf =

Ecuación Experimental

ma c e T a ¿ m

Despejando

¿

m =mh −m H

ma c e T a mh −m H

Lf (m h− m H )=m a c e T a

B= Lf

del hielo y compárelo con

del hielo de la sección B (Información Teórica). Justifique su respuesta.

Lf

Lf =334000 J /kg

Lf =

Lf

Ecuación Teórica

pendiente= 334564.8933 334564.8933 |334000−334000 |∗100=0.169 %

Comparacion ( % )=

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2. A partir de la pendiente de la gráfica 02, obtenga el valor de sección E.2. Justifique su respuesta.

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k

y compárelo con

k

de la

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3. A partir de la Interseco de la gráfica 02, obtenga el valor de valor del Lf

Lf

del hielo y compárelo con el

del hielo de la sección B (Información Teórica). Justifique su respuesta.

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H. CONCLUSIONES(2p)





En nuestra experiencia comprobamos la temperatura constante o en equilibrio luego de un cambio de estado, esto fue al colocar el hielo (estado sólido) dentro del agua a temperatura ambiente y que luego de ocurrir el cambio de estado a líquido, la temperatura se mantuvo constante o en equilibrio, esto lo podemos explicar desde el punto de vista de la energía en forma de calor que se transmite a un cuerpo y que sirve para elevar su temperatura, Cuanto más calor, mayor temperatura adquiere el cuerpo. También conocemos que la temperatura es una función lineal de la energía menos en cambios de estado, pues una vez que se alcanza una determinada temperatura, si seguimos aumentando la energía, no se logrará elevar su temperatura, sino realizar un cambio de estado: de sólido a líquido (fusión) mientras no haya concluido la transformación, no aumentará la temperatura. En ese período de tiempo, la temperatura permanece constante, aunque el calor sigue aumentando. Es, por tanto, una función definida a intervalos o trozos

I. CUESTIONARIO FINAL(4p) 1. ¿Por qué es más efectivo enfriar latas de bebidas colocándolas en una cubeta llena de hielo derretido en lugar de en una cubeta de agua a una temperatura inicial de 0 C. Explique? 

En el primer caso al haber cubos de hielo necesitara energía para pasar a líquido, es decir el calor necesario es mayor por ende quitara la temperatura a las latas. Sin embargo, si estuviera en estado líquido a 0 grados no necesitaría un calor adicional por ende no disminuyera la temperatura tanto.

2. ¿Por qué permanece la temperatura del hielo a 0 C cuando se está derritiendo? Justifique su respuesta. 

Una sustancia suele experimentar un cambio en su temperatura cuando se transfiere energía térmica entre la sustancia y sus alrededores. Algunos cambios de fase comunes son sólidos a líquido (fusión), líquido a gas (ebullición) y un cambio en la estructura cristalina de un sólido. Todos los cambios de fase implican un cambio en la energía interna.

3. ¿Por qué el calor siempre fluye espontáneamente desde el cuerpo que se halla a mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura? Justifique su respuesta. 

Un objeto caliente posee más temperatura de calor que algo frio. Concretamente la temperatura mide la vibración o la energía interna de las partículas que componen ese cuerpo de forma que un cuerpo más caliente tendrá una temperatura mayor.

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J. BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL Autor Sears Zemansky

Título Física universitaria

Edición 13

Año

K. BIBLIOGRAFÍA DE REFERENCIA 1. Guías de Laboratorio de Física Básica, Departamento Académico de Física UNSA, Año 2016.

2. Ángel Franco García, Curso Interactivo de Física en Internet, 2015 http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/index.html

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