CALOR DE FUSIÓN DEL HIELOJennifer Taba, John Eyder Marin, Luis Hernando Perea

Departamento de Física-Universidad del ValleSantiago de Cali, fecha 11 de mayo de 2015.

INTRODUCCIÓN:

Bajo la observación cotidiana de un vaso de agua, al agregar cubos de hielo es de notable intuición que el agua absorbe el frio del hielo y que al tener un vaso de hielo y ver como este se derrite al contacto con su medio ambiente, se nota que el agua que surge se siente igual de fría hasta que permanezca al menos algún fragmento de hielo.

Al suministrar calor a un sistema y no producirse un cambio en la temperatura, surge la pregunta ¿Qué ocurre con el calor absorbido por el sistema?, por el ejemplo el caso de hielo con agua, este permanecerá al 0ºC hasta que todo el hielo se haya fundido. En estos casos la temperatura constante está relacionada con los cambios de fase (cuando la sustancia es pura). Y la cantidad de calor absorbido depende de la masa, el cambio de fase, el tipo de material y el cambio en la temperatura.

FUNDAMENTO TEÓRICO:

Calor: Es un mecanismo que permite transferir energía entre sistemas cuando se tiene en cuenta los cambios de temperatura.

Temperatura: Es un parámetro para determinar que dos cuerpos o sistemas se encuentran en equilibrio térmico.

Calor latente de fusión: la cantidad de calor que hay que suministrarle a su unidad de masa para que cambie de un estado de agregación a otro, lo que hace a temperatura constante. Así el calor latente de fusión es el correspondiente al cambio de estado sólido a líquido, que tiene el mismo valor que en el proceso inverso de líquido a sólido.

Calor específico: cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia

o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad.

Q=mL (1) Q=mcΔT (2)

Qabsorbido=−Qcedido (3)

MONTAJE EXPERIMENTAL:

Materiales: Un calorímetro Dewar Leybold. Una estufa eléctrica. Una balanza de brazos. Pesa eléctrica. Un termómetro de mercurio. Un beaker de 400 ml. Un recipiente metálico. Hielo. Un dulce abrigo. Agua.

Antes de empezar a tomar datos se observa que los materiales se encuentren en buen estado y en correcto funcionamiento. Se procede a calentar

400 ml de agua en la estufa eléctrica hasta 40°C. Después se pesa en la balanza de brazos el vaso Dewar vacío, luego de que se calienta el agua se vierte 200 ml en el vaso Dewar, antes de depositar el hielo en el vaso se seca y se pesa en la pesa eléctrica.

Para la toma de datos se tiene en cuenta que el vaso Dewar este tapado y el hielo debe de estar totalmente derretido, antes de que el agua empiece a ponerse a temperatura ambiente se toma el dato de la temperatura y el peso del recipiente en la balanza de brazos. Este procedimiento se repite cinco veces.

DATOS Y RESULTADOS:

Masa del calorímetro: 348.7 g

mhielo(g) magua(g) mag+cal (g) msistema(g) Tinicial(ºC) Tfinal (ºC)

±0,05 ±0,05 ±0,05 ±0,05 ±0,5 ±0,5

35,3 200 548,7 570,4 40 24

27 89,4 438,1 464,9 45 20

18,7 90 438,7 457,4 41 21

17,3 90 439 454,1 39 22

25,9 93 441,9 467,5 47 23

A partir de los datos obtenidos, podemos determinar el calor que cede el agua líquida al hielo y el calor que absorbe el hielo para realizar el cambio de estado y llegar a la temperatura de equilibrio en cada caso.

De acuerdo a las ecuaciones 1, 2, 3 igualamos los calores en casa caso.

Caso 1

mhielo chielo ΔT +mhielo L=−(m¿¿ agua cagua ΔT +mk cagua ΔT )¿

35,3 g .4,19J

g . K(24 K )+35,3 L=−200 g .4,19

Jg . K

(−16 )−20 g.4,19J

g . K(−16 )

3549,78 J +35,3 L=13408 J +1340,8 J

L=13408 J +1340,8 J−3549,8 J35,3 g

=317 ± 0,5Jg

Caso 2

L=341 ± 0,5Jg

Caso 3

L=405 ±0,5Jg

Caso 4

L=361 ± 0,5Jg

Caso 5

L=342 ± 0,5Jg

En promedio, el calor latente de fusión del hielo en el ejercicio experimental es de 353±0,5 J/g.

%error=353

Jg−334

Jg

334Jg

∗100 %=5,7 %

CONCLUSIONES:

En este laboratorio se pudo observar el comportamiento de la temperatura cons-tante o en equilibrio luego de un cambio de estado, (al colocar el hielo dentro del agua) y luego de ocurrir el cambio de es-tado a líquido, la temperatura se mantuvo constante o en equilibrio.

El calor latente de fusión del hielo en el laboratorio se tomó a diferentes tempera-turas inicial y final, lo cual no debería de alterar el valor final de la constante.

En el momento que ocurre el cambio de estado, la temperatura no varía puesto que el calor se utiliza para romper la cohesión entre las moléculas y transformar el hielo a líquido.

El calor latente de fusión obtenido es de 353J/g a comparación del teórico 334 J/g, obteniendo un porcentaje de error del 5,7% debido a los errores en la precisión de toma de medidas.

Uno de los errores que más pueden afectar los datos, es que en el traspaso del hielo desde la balanza hasta el calorímetro ge-nera pérdida de masa al contacto con el medio ambiente.

Se asume que el sistema está totalmente aislado, no se tiene en cuenta el calor que absorbe el medio ambiente, siendo este una parte, la cual no se controló dado el contexto del ejercicio experimental.

Otro factor que influye en los datos es la toma de la temperatura final con la cual se determina el equilibrio del sistema (aisla-do del ambiente), puesto que después de esto, la temperatura empieza a aumentar buscando el equilibrio con el medio am-biente.

BIBLIOGRAFÍA:

Frank J. Blatt. Fundamentos de física 3a edi-ción. University of Vermont.

Física, PSSC, editorial Reverté S.A Tomo II, 1970

Robert Resnick. Física segunda edición. Par-te I.

Sears-Zemansky. Física universitaria. Decima segunda edición. Volumen 1. Hugh D. Young (Carnegie Mellon University). Roger A. Freed-man (University California, Santa Bárbara). Impreso en México.