Práctica Blended Sobre Calor Latente DE Fusión PDF

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Laboratorio 1 fisica calor 4.8/5.0...

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PRÁCTICA BLENDED SOBRE CALOR LATENTE DE FUSIÓN 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

Consideraciones Teóricas En nuestra experiencia cotidiana observamos que, al aplicarle calor a un cuerpo, éste experimenta un cambio en alguna de sus dimensiones, acompañado además con un cambio en su temperatura. Pero, será siempre cierto que, al aplicar calor a un cuerpo, éste aumenta su temperatura. La respuesta es NO siempre. En los cambios de fase termodinámica la temperatura de un sistema físico permanece constante, no cambia. Se entiende por fase, un estado específico de la materia, como sólido, líquido o gas; y por cambio de fase termodinámica una transición de una fase a otra, por ejemplo, mientras el agua hierve lo hace a 100 °C, al existir una transferencia de energía térmica entre una sustancia y sus alrededores en unas condiciones presión y temperatura dadas. Así, por ejemplo, el agua existe en la fase sólida como hielo, en la fase líquida como agua y en la fase gaseosa como vapor de agua. A nivel del mar, una mezcla de agua y hielo permanecerá siempre a una temperatura de 0°C al aplicársele calor hasta que todo el hielo se haya derretido. ¿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. Fusión: Sólido a líquido. 2. 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) de calor. El calor requerido por unidad de masa se llama calor latente de fusión, denotado con . Para el agua a presión atmosférica normal, el calor de fusión es 3.34x105 J/kg (79.6 cal/g). En el caso contrario, al congelar agua líquida a 0°C, el sistema libera calor en vez de absorberlo, el valor de en magnitud es el mismo, pero negativo. La figura 1 muestra hierro fundido cuya coloración muestra una alta

temperatura y requiere de bastante energía para lograrlo, sin embargo su calor latente es menor que el del agua. 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 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 temperatura fija se llama calor latente notado mediante . El símbolo se refiere al tipo de cambio de fase. De esta forma: : Calor latente de fusión o condensación (sólido a líquido) : Calor latente de vaporización o ebullición (líquido a gas) : Calor latente de condensación (gas a líquido) : Calor latente de solidificación (líquido a sólido) El calor transferido (cedido o absorbido) en un cambio de fase experimentado por una sustancia pura dada de masa dada , se calcula mediante

En la ecuación anterior cuando el material absorbe calor, y 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

Hielo Agua Plomo Cobre Aluminio

Punto de fusión (°C) 0.0 327 1083 660

Calor latente de fusión Lf cal/ x105 J/kg g 3,34 0.245 1.34 3.97

80 5.9 32 94.8

Punto de ebullición (°C)

100 1620 2360 2450

Calor latente de vaporización Lv x105 J/kg 22.6 8.7 50.6 114

Calor específico c

cal/g

J/kg °C

cal/g

540 218 1208.8 2724

2090 4186 128 386 900

0.5 1 0.0305 0.0924 0.215

Dpto de Física y Geociencias – Univ. Del Norte.Fecha: 21/08/2020 Integrantes: María Fernanda Orozco , Mariana Perez , Luis Felipe Villegas , Julio Manuel Perez

Calor Latente de Fusión del Hielo 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

Práctica Experimental Observe estos videos relacionados con esta práctica.

Ensayo 1: https://youtu.be/pwurY29zgzQ Ensayo 2: https://youtu.be/7Z1kG18nRXg 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 gafa 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.

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

Toma de Datos (Valoración máxima 0.5 / 5.)

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 un ensayo diferente a los otros. Para la toma de datos siga las 9 instrucciones dadas a continuación.

1. Anote la masa del calorímetro vacío en la Tabla 2. 2. Ahora anote nuevamente la masa del calorímetro con agua en la Tabla 2. 3. Deduzca la masa inicial de agua y anote su valor en la Tabla 2. 4. Observe las temperaturas iniciales del agua y del hielo, regístrelas en la Tabla 2. 5. Observe luego que se introducen trozos de hielo en el 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). 6. Se remueve suavemente el agua hasta observar que el hielo se ha disuelto totalmente y la gráfica de la temperatura en función del tiempo ( contra ) muestre que la temperatura se ha estabilizado. Anote la temperatura final de todo el sistema en la Tabla 2. 7. Seguidamente, se toma otra vez el calorímetro con su contenido total de agua y se registra su masa en la Tabla de datos 2. 8. Deduzca la masa inicial del hielo y anótala en la Tabla 2 9. A partir de los datos anotados en la tabla, halle el calor latente de fusión para cada ensayo, 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

(g) (g) (g) (g) (g) (°C) (°C) (°C)

16,21 229,42 272,33 213,21 42,91 66,2 0 40

16,76 218,27 270,67 201,51 52,4 58,2 -2,7 28,6

Lf Error %

90,18 Cal/g 12,7%

16,55 199,09 241,17 182,54 42,08 66,3 -6,1 37,0 87,001 Cal/g 8,75%

83,88 Cal/g 4,85%

Análisis de Resultados (Valoración máxima 1.0 / 5.0) i. ¿Por qué el hielo al introducirse en el calorímetro debe ir seco? R// El hielo debe ir seco debido a que cuando no lo está totalmente, este se está derritiendo, lo cual influye en la masa de este, causando errores en los cálculos 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. R// Sí es correcto afirmarlo, ya que el agua libera calor mientras que el hielo lo absorbe manteniendo la temperatura del sistema hasta que el hielo pasa de una fase sólida a líquida, logrando que en el sistema se dé la transferencia de energía, teniendo en cuenta el principio de conservación de la energía. iii. ¿Cómo aplicas la primera ley de la termodinámica para determinar el calor de fusión del agua? R// Teniendo en cuenta que la primera ley de la termodinámica relaciona el trabajo y el calor que se transfiere cuando se realiza algún intercambio en un sistema a través de una nueva variable termodinámica y que la energía no se crea, ni se destruye, sino que se conserva, se puede afirmar que para determinar el calor latente de fusión del agua, se utilizó la primera ley, ya que se observó que la energía que pierde el agua al ir de una temperatura a otra es la misma que necesita el hielo para derretirse. 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? R// El hielo se siente más frío, ya que tiene una mayor conductividad térmica que el agua, al tocar el hielo se dará una transferencia de calor y por la capacidad térmica que tiene este, provocará que se sienta mucho más frío que el agua. Por lo que se concluye que el hecho de sentir más frío un material que otro, depende de la conductividad térmica que tiene cada material.

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)

Cargue una foto de su montaje ¿Qué dificultades tuvo? O ¿Cómo le pareció dicha práctica?

Al recibir calor, la mantequilla cambia de fase, pasando de estado sólido a líquido. Se comprobó que la energía que se necesita para cambiar de fase no es mucha comparada con otros materiales o elementos.

Al calentar el chocolate, este cambia de fase, pasando de sólido a líquido. Se comprobó que la energía que necesita para cambiar de fase es mayor a la de la mantequilla Al realizar estas prácticas tan cotidianas, se aprendió por qué un elemento tarda más tiempo en derretirse que otro, y esto es debido al calor latente de fusión de cada uno.

Conclusiones (Valoración máxima 2.5 / 5.0)

Después de realizar este laboratorio, se logró aprender cómo obtener el calor latente de fusión de un material, en este caso el del agua, a plicando el principio de conservación de la energía y que los cambios de fase se deben dar a temperatura constante. La organización de los datos facilitó la comprensión de estos, ya que al tener tres ensayos se podían confundir algunos datos y causar errores.

Al analizar los resultados obtenidos, se demostró que el calor latente de fusión del agua en los tres ensayos propuestos son diferentes ( 90,18 Cal/g, 87,001 Cal/g y 83,88 Cal/g). Se observó que en el primer ensayo, se obtuvo el mayor porcentaje de error (12,7%), mientras que en los otros ensayos se obtuvo un menor porcentaje de error (8,75% y 4,85% respectivamente). Estos errores posiblemente se deben a errores al momento de tomar los datos o de hacer los cálculos correspondientes, además se observó que la masa del hielo en el tercer ensayo fue mayor que en los otros, lo que causó una gran diferencia en el resultado final. En las gráficas pudimos notar como el hielo al introducirse en el calorímetro la temperatura se mantiene constante y al cambiar de fase llega al equilibrio.

Por otra parte, se observó que al tener dos materiales a igual temperatura, uno se puede sentir más frío que otro debido a la capacidad térmica de cada material, también que el agua le cede calor al hielo y este lo absorbe hasta que pasa de la fase sólida a líquida. Finalmente, se mostró como la mantequilla cambia de fase al recibir calor, pasando de estado sólido a líquido, y que la cantidad de energía necesaria para cambiar de fase no es mucha, por otro lado el chocolate, al recibir calor también cambia de fase (sólido a líquido), pero la energía que necesita para lograr este cambio es mayor a la de la mantequilla. A partir de lo anterior se concluyó que el calor latente de fusión de la mantequilla es menor al del chocolate. Las conclusiones deben señalar (en el caso que aplique): ● El logro de los resultados de aprendizaje ● La organización de los datos y sus relaciones ● El valor de los porcentajes de error y su justificación o explicación ● Análisis físico-matemático de las gráficas presentadas en el informe ● Lo más relevante y breve del análisis de resultados ● Aplicaciones como la situación de la Física en el Hogar u otras. ● NO describa procedimientos o la manera como se calcularon las variables ● NO escriba ecuaciones aquí.

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