Practica 8 Calor latente de fusión PDF

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Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química Laboratorio de Termodinámica Práctica 8. “Cambio de entalpía de fusión del hielo (calor latente de fusión del hielo” Equipo Luchón. Equipo 1. Mar López Diana Laura ______________ Montejano Aldama Bryan Antonio ______________ Ríos Garcés Dan...

Description

Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química Laboratorio de Termodinámica Práctica 8. “Cambio de entalpía de fusión del hielo (calor latente de fusión del hielo” Equipo Luchón. Equipo 1.

Mar López Diana Laura

______________

Montejano Aldama Bryan Antonio

______________

Ríos Garcés Daniela

______________ Grupo 21

Profesor: M. en C. Lorena De Anda Aguilar

Fecha de entrega: 21 de Abril de 2017. Objetivo. Determinar el calor latente de fusión del hielo y diferenciar al calor latente y calor sensible. Fundamentos de la práctica El calor es un mecanismo de transferencia de energía entre al menos dos sistemas en contacto que se encuentran a distintas temperaturas. El calor no está definido en un estado termodinámico de un sistema, por ello se dice que es una función de trayectoria, por lo que el fenómeno se presenta exclusivamente durante el proceso en la frontera entre los dos sistemas en contacto térmico.

Cuando a una sustancia se le suministra calor y esta aumenta su temperatura sin experimentar un cambio de fase, se dice que absorbe o cede calor sensible. El calor sensible depende de la masa, la naturaleza química de la sustancia y la diferencia de temperaturas. La siguiente ecuación representa a esta relación.

Q=mc ΔT

donde, m es la masa (g), c

cal

( g ºC )

es capacidad térmica específica y

ΔT (ºC) es diferencia de temperaturas. La unidad del calor en el sistema internacional es J (Joule). Existe otro tipo de calor, en el cual, una masa que absorbe o cede calor experimenta un cambio de fase a temperatura constante. Este tipo de calor es llamado: calor latente y es descrito por la siguiente ecuación: q=m λ , donde q es calor, m es masa (g) y λ es calor latente

(

cal ), la cual es propiedad intensiva y refleja la magnitud de las fuerzas g

intermoleculares de la sustancia. Como definimos antes, el calor se presenta en la pared entre dos sistemas que tienen diferentes temperaturas. La explicación de la existencia del calor se debe a la ley cero de la termodinámica, que establece que dos sistemas establecen equilibrio térmico si la frontera entre los sistemas es diatérmica, es decir tienen la misma temperatura al cabo de cierto tiempo, por lo que, si hay una diferencia de temperaturas en un estado termodinámico y otro, el calor se presenta en ese proceso. En un experimento, el instrumento de medición (calorímetro) participa en este fenómeno y por ello no se debe despreciar en una ecuación energética. La constante de un calorímetro es la capacidad térmica del instrumento considerando todos sus accesorios: tapa, termómetro, recipiente y nos indica cuánto calor hay que suministrar al calorímetro para aumentar su temperatura 1ºC. Esta constante se puede determinar experimentalmente a través de la siguiente ecuación: ❑

Q k❑ (cal/g) donde k (cal/ºC)es la capacidad térmica del calorímetro, Qk (cal) es el ΔT calor sensible relacionado con el calorímetro y ΔT (ºC) es una diferencia de K=

temperaturas. Además, cuando se quiere calcular la cantidad de calor que absorbe un hielo cuando se pone en agua, se debe tomar en cuenta tanto el calor sensible que absorbe el hielo antes de derretirse y el calor latente absorbido una vez que cambió de fase. Finalmente, la transferencia de calor se relaciona con la energía total de un sistema, desde el punto de vista macroscópico (entalpía) con la siguiente ecuación: Qp=H, donde Qp es calor en un proceso isobárico y H es entalpía.

Materiales y reactivos. ●

1 frasco Dewar de 300 mL

●

1 vaso de precipitados de 600 mL

●

1 probeta de 250 mL

●

1 cronómetro

●

1 probeta de 100 mL

●

1 vidrio de reloj

●

1 termómetro digital

●

1 termómetro de Hg

●

1 balanza digital

●

Agua

●

1 resistencia eléctrica

●

Hielo

0 00 0 30

❏ Agua (H2O). Líquido inodoro, incoloro e insípido; no representa ningún riesgo para la salud o el medio ambiente. ❏ Mercurio (Hg). Metal líquido, inodoro, plateado, pesado y ligeramente volátil a temperatura ambiente. Tóxico por ingestión e inhalación de vapores. Tiende a acumularse en riñones, hígado, pulmones y estòmago. El exceso de acumulación causa la muerte. No es inflamable y es peligroso para el medio ambiente

Procedimiento experimental y descripción termodinámica del experimento

Se tiene a un sistema heterogéneo de dos fases, la primera es la fase líquida, es decir el agua,

y la otra es fase gaseosa, compuesta por una mezcla de gases (aire). El sistema está contenido en un calorímetro. Es abierto cuando se retira el tapón del vaso, y es cerrado cuando está el tapón cumpliendo sus funciones. Las paredes del sistema son adiabáticas, rígidas e impermeables cuando el recipiente se encuentra sellado. El sistema intercambia materia con los alrededores cuando se agrega hielo, y dentro del vaso Dewar ocurre un proceso cuasiestático, reversible e isobárico.

Resultados. Tabla 1. Medidas directas para calcular la constante del calorímetro. Tiempo (min)

T (°C)

Tiempo (min)

T (°C)

0:00

22.1

5:30

22.2

0:30

22.1

6:00

22.2

1:00

22.1

6:30

22.2

1:30

22.1

7:00

22.2

2:00

22.1

7:30

42.4

2:30

22.1

8:00

47.5

3:00

22.1

8:30

47.3

3:30

22.1

9:00

47.0

4:00

22.1

9:30

46.7

4:30

22.1

10:00

46.4

5:00

22.2

Cálculo de la constante del calorímetro K

Qganado = -Qcedido QH2O fra + Qcalormetro = -QH2O caliente mH2O fra cH2O (Teq - TH2O fra ) + K (Teq –TH2O fra) = - mH2O cH2O (Teq - TH2O caliente) K=

−[m H 2 O ❑ c H ❑2 O (T eq−T H 2O caliente )+ m H 2 O fría c H 2O (T eq−T H 2 O fría)] (T eq – T H 2 O fría)

(100 g)(1 cal /g ° C )(47.5 ºC−80.0 ºC )+(100 g )( 1 cal/ g °C )( 47.5 ºC−22.1ºC ) ¿ −¿ K =¿

=

30.34 cal/° C Tabla 2. Temperatura del agua registrada cada 30 s a partir de la adición de

hielo. Tiempo (min)

T (°C)

Tiempo (min)

T (°C)

Tiempo (min)

T(°C)

0

25.0

5:40

13.8

8:00

12.3

0:30

23.0

5:50

12.3

8:10

12.3

1:00

22.9

6:00

11.9

8:20

12.4

1:30

22.9

6:10

11.7

8:30

12.4

2:00

22,9

6:20

11.7

8:40

12.5

2:30

23

6:30

11.7

8:50

12.5

3:00

23,1

6:40

11.8

9:00

12.5

3:30

23,1

6:50

11.8

9:10

12.6

4:00

23,2

7:00

11.9

9:20

12.6

4:30

23,2

7:10

11.9

9:30

12.7

5:00

23,2

7:20

12.0

9:40

12.7

5:10

22,8

7:30

12.1

9:50

12.8

5:20

20,5

7:40

12.1

10:00

12.8

5:30

16,5

7:50

12.2

Cálculo del calor latente de fusión experimental. Q ❑ganado=−Q ❑cedido

Q ❑hielo=−(Q ❑ H 2 O + Q ❑ K )

m❑hielo λ❑fusión + m❑hielo C ❑H 2 O (T ❑eq−T ❑fusión )=−m❑H 2 O C ❑H 2 O (T ❑eq−T ❑1)−K (T ❑eq−T ❑1)

λ❑fusión =

λ❑fus=

−m ❑H 2 O C❑ H 2 O (T ❑eq −T ❑1 )−K (T ❑eq−T ❑1)−m❑hielo C ❑H 2 O (T ❑eq−T ❑fu m ❑hielo

−(175 g)(1 cal/ g ºC)(11.7 ºC−21.3 ºC)−(30.34 cal/ºC)(11.7 ºC−21.3ºC )−( 26.6 g )(1 cal/ g ºC )( 11.7 ºC−0 ºC 26.6 g 1680 cal +291.264 cal −311.22 cal =62.4 cal / g 26.6 g Cálculo del %error experimental. |Valor teórico−Valor experimental | × 100 % %Error= Valor teórico λ❑fus=

|80 cal / g−62.4 cal / g|

%Error=

80 cal/ g

× 100 %=22 %

Análisis de resultados. Cuando se realice el balance de energía para el experimento del calor latente de fusión del hielo, es necesario tomar en cuenta el calor involucrado con el calorímetro, pues en el proceso afectará tanto al sistema como al calorímetro, aunque éste último en menor medida. En este caso el calorímetro cederá calor hacia el sistema, por lo que debe ser considerado al momento de plantear el balance de energía. Esto se determinó graficando (gráfica 1) los datos de la tabla uno, para obtener la temperatura de equilibrio en ese proceso. De esta manera, se hizo un balance de energía y se determinó que la capacidad térmica del calorímetro es de

30.34 cal/° C

.

Para calcular el calor total que absorbe el hielo, no sólo se debe tomar en cuenta el calor latente que absorbe para cambiar de fase, sino también el calor sensible que absorbe una vez que está en fase líquida hasta que se alcanza el equilibrio. Al realizar el balance de energía, podemos observar que quien absorbe calor es el hielo, así que se puede decir que el proceso de fusión del agua es un proceso endotérmico. Los datos de la tabla dos fueron graficados (gráfica 2) para obtener la temperatura de equilibrio en el proceso termodinámico, la cual fue de 11.7 ºC . Este dato fue utilizado para calcular el cambio de entalpía de fusión del hielo. Para este caso, el calor transferido a presión constante equivale a la variación de entalpía. Así que se planteó un balance de 62.4 cal / g . El energía y se determinó que el calor latente de fusión del hielo es d e calor latente de fusión del hielo tiene signo positivo porque, para que el hielo cambie a fase líquida, el sistema necesita absorber calor de los alrededores. Cuando se realizó el balance de energía, se tomó en cuenta el calor total que absorbe el hielo, de manera que no sólo se debe tomar en cuenta el calor latente que absorbe el hielo para cambiar de fase, sino también el calor sensible que absorbe una vez que está en fase líquida hasta que se alcanza el equilibrio. Debido a que se estaba determinando el calor latente de fusión del hielo y no el del agua líquida, el exceso de agua presente en la superficie de los hielos que se le añadieron al vaso Dewar influyó notoriamente en el valor obtenido experimentalmente reflejando así un error del 22%. Mientras los hielos se pesaban y se transferían al calorímetro, una parte de ellos se derritió y se supuso que toda la materia agregada era hielo, de manera que se ignoraba que parte de la masa de hielo que no utilizaba el calor para cambiar de fase y lo invertía enteramente en elevar la temperatura del sistema. Es decir, se ignoró el calor sensible que absorbió el agua líquida a 0 ºC (proveniente de los hielos) en la ecuación energética para determinar calor latente de fusión del hielo. Sin embargo, esto no se considera como la principal fuente de error, pues, si esto ocurrió, el valor del calor latente del hielo fue superior al que debió haber sido.

Al transferir el agua en ebullición a la probeta y de la probeta al vaso Dewar, por ley cero de la termodinámica, el calor se transfiere hacia los alrededores buscando llegar al equilibrio, por lo que la temperatura de agua desciende drásticamente. En éste caso, la temperatura del agua caliente añadida al calorímetro fue menor a 80 ºC, por lo que se le atribuye cierto porcentaje del error obtenido experimentalmente del valor de la constante de equilibrio. Tampoco se registró el tiempo exacto en que el hielo fue agregado al vaso Dewar, sino que se estimó un tiempo basándonos en el periodo de tiempo que cambió la temperatura de manera súbita, de manera que hubo un error al calcular de manera gráfica la temperatura inicial (T1) y a su vez esta temperatura influyó en el valor de calor latente de fusión.

Conclusiones. E calor latente es el claro ejemplo de que no se necesita haber un cambio de temperatura en un sistema para que exista una transferencia de energía. El calor latente de fusión del hielo obtenido experimentalmente fue de 62.4 cal/g. El calor latente es una propiedad intensiva y un proceso de transferencia de energía isotérmico, que produce un cambio de estado. Mientras que el calor sensible es la energía que se transfiere entre al menos dos cuerpos que se encuentran a diferentes temperaturas para llegar a un equilibrio térmico sin cambiar de fase, además, a diferencia del calor latente, éste sí depende de la extensión del sistema.

Bibliografía. 1. Galván, E. & Villegas, X. (s.f.). Práctica 8 Calor Latente de fusión del hielo. Consultado el 20/04/17. Recuperado de: http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/Practica8CalorLatente_27520.pdf 2. Sears. (2011). Fsica Universitaria. 12ª Ed. Pearson Education: México pp.586-590. 3. Hernández, G. (s.f.) Cambio de entalpa de fusión del Hielo (Calor Latente de fusión del hielo). Consultado el 20/04/17. Recuperado de: http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/CALOR_LATENTE_30762.pdf...