Laboratorio de Termodinámica 1. Calores Latentes Primavera 2006 Carmen González-Mesa

Transcripción

1 CALORES LATENTES OBJETIVOS: Definir el calor latente correspondiente a cada cambio de fase. Determinar los factores externos que pueden influir de manera significativa en el valor encontrado por él en la práctica. GENERALIDADES: Los procesos en los que una sustancia cambia de estado (tales como fusión, evaporación, condensación, etc.), se llaman cambios o transiciones de fase. Cada estado de la materia está determinado por su propio conjunto de características de presión y temperatura y requiere de adición o sustracción de calor para habilitarlo a pasar de un estado a otro. Por ejemplo, para fundir un sólido, primero debemos suministrar suficiente calor para incrementar la agitación térmica de los átomos que forman la red cristalina y así elevar la temperatura hasta llegar al punto de fusión. Luego debemos seguir suministrando calor para romper la red cristalina y así fundir el sólido. La primera parte del calor sirve para incrementar la energía cinética de los átomos y la segunda se necesita para romper las fuerzas de enlace que mantienen a los átomos unidos, darles un grado de libertad mayor y así incrementar su energía potencial. La temperatura aumenta a razón constante durante el transcurso del suministro de la primera parte del calor y la temperatura permanece constante mientras el sólido se funde. Se revierte el proceso de fundición cuando permitimos que un líquido a temperatura ambiente se enfríe hasta llegar a su punto de congelamiento y se solidifica. El líquido libera energía al medio ambiente, parte de ésta debido a la reducción en la energía cinética y el resto al decremento en la energía potencial. En este cambio de fase, como en todos, también se observa que la temperatura permanece constante. Condiciones similares se aplican a la evaporación de un líquido y al proceso inverso. Todos hemos hecho el siguiente experimento: Hacemos que el agua hierva y vemos la formación de burbujas y la emanación de vapor de agua. La transferencia de moléculas de la fase líquida a la fase gaseosa se llama vaporización o evaporación. Sin embargo, sabemos que el etanol líquido (por ejemplo) se vaporiza a temperatura ambiente, podemos explicar este fenómeno argumentando que las moléculas del etanol líquido se encuentran en movimiento constante, y algunas moléculas de la superficie del líquido pueden vencer las fuerzas de atracción intermoleculares y así parte del líquido pasa a la fase gaseosa. Al producirse este cambio hay un decremento en la energía potencial de las moléculas y se observa un descenso en la temperatura del líquido. ACTIVIDADES DE PRE-LABORATORIO: 1. Cómo se define el punto o temperatura de congelamiento de una sustancia y qué otro nombre recibe? 2. Investiga cuál es el punto o temperatura de congelamiento del salicilato de fenilo. 3. A qué se refiere el término SUPERCOOLING ó SOBREENFRIAMIENTO? 4. Qué es el calor latente de fusión, (L f ) investigar cuál es el L f reportado para el hielo?

2 5. Qué es el calor latente de vaporización o evaporación (L v ) y cuál es el L v reportado para el agua? 6. Dibuja la gráfica de temperatura versus tiempo durante el proceso de elevación de la temperatura del hielo y mientras se está fundiendo. 7. Dibuja la gráfica de temperatura versus tiempo durante el proceso de elevación de la temperatura del agua y mientras se está evaporando. 8. Dibuja la gráfica de temperatura versus tiempo durante el proceso de disminución de la temperatura del salicilato de fenilo y mientras se está congelando. 9. Explica las razones que tuviste para trazarlas de la manera en que lo hiciste. 10. En qué son diferentes las gráficas anteriores?, En qué son iguales? ACTIVIDAD I: CALOR DE CONGELAMIENTO. Usando una sustancia que se solidifica (se congela) a una temperatura relativamente alta, determinarás cuánta energía se necesita para solidificar una masa determinada. Material: computadora con mouse Lab Pro dos sensores de temperatura (de preferencia de acero inoxidable). tubo de ensaye Salicilato de fenilo 2 vasos de precipitados de 250 ml agua soporte universal calentador de inmersión pinzas anillo de fierro guantes lentes de protección (goggles) Procedimiento: 1. Si vas a manipular el salicilato de fenilo es recomendable utilizar goggles. 2. Llena un vaso de precipitados de 250 ml hasta ¾ de agua y calienta agua con el calentador de inmersión. 3. Para utilizar y calibrar los sensores de temperatura es necesario que conectes dichos sensores al Lab Pro, abrir el programa LOGGER versión 3.3, si utilizas sensores de temperatura de acero inoxidable al abrir el programa LOGGER versión 3.3, observarás que está aparece en la parte superior izquierda la lectura de la temperatura ambiente y no es necesario calibrar, sin embargo, compara la medición con la del termómetro de bulbo de mercurio midiendo la temperatura ambiente para corroborar que tus lecturas de temperatura son correctas. 4. Prepara la computadora para registrar los datos 5. En el eje del tiempo selecciona el máximo valor y colócalo en 30 minutos y 6 lecturas por minuto 6. Obtén salicilato de fenilo (unos 8 gramos son suficientes) y sosteniendo el tubo de ensayo con la pinza, lo sumerges en agua a una temperatura entre 75 y 95 ºC hasta que se funda por completo. 7. Llena un vaso de precipitados hasta ¾ de agua a una temperatura entre 30 y 35 ºC. 8. Monta el dispositivo como de muestra en de Figura Coloca un sensor en el tubo de ensaye y otro en el vaso de precipitados. 10. Ajusta todo muy bien, sumerge parcialmente el tubo de ensayo en el agua de tal modo que el nivel del agua sea superior al nivel de salicilato de fenilo en el tubo de ensayo. Ten cuidado de que al tiempo 0

3 (cuando hagas click en COLLECT) la temperatura del salicilato de fenilo sea superior a 50ºC. Si no lo es, deberás comenzar de nuevo. 11. Agita constantemente el salicilato de fenilo con el sensor, tomándolo de su parte superior, NO USES EL CABLE. Continúa esta operación hasta que el salicilato de fenilo se empiece a solidificar. 12. Espera a que hayan transcurrido los 30 minutos. A esta curva la denominarás CURVA DE CONGELAMIENTO. 13. Imprime y analiza esta gráfica. 14. Al terminar el experimento entrega el tubo de ensaye con el sensor, no trates de sacarlo del tubo. Figura 1. Dispositivo experimental para la actividad I. Análisis de los resultados: Compara la forma de tu gráfica con la de tu predicción (la que dibujaste en las actividades de prelaboratorio). Cómo podrías, a partir de tu tabla de datos y de tu gráfica, determinar cuál es el punto de congelamiento del SALICILATO DE FENILO? Cómo es tu curva antes del punto de congelamiento?, cómo es durante el congelamiento? Si hubieras obtenido mayor cantidad de SALICILATO DE FENILO, qué efecto habría tenido en tu gráfica? ACTIVIDAD II: CALOR DE EVAPORACIÓN DEL AGUA. En esta actividad estudiarás el fenómeno de evaporación, analizarás qué sucede con la transferencia de calor al elevar la temperatura del agua hasta llegar a su punto de ebullición. Para ello calentaremos agua hasta su punto de ebullición y observarás la temperatura durante todo el proceso. Si usas una computadora podrás ver, en tiempo real, es decir, mientras te encuentres realizando la práctica, la gráfica de la temperatura contra tiempo. Medirás cuánta agua se evaporó y en base a estos datos podrás decir cuánta energía se requirió para evaporar esa cantidad de agua. MATERIAL: Lab-Pro y sensor de temperatura de acero inoxidable 1 soporte universal 1 anillo de fierro 1 tela de alambre con asbesto 1 pinzas de tres dedos 1 nuez y varilla para colocar el cable del sensor lejos del mechero 1 vaso de precipitados de 100 ml 1 probeta de 50 ml 1 mechero bunsen 1 matraz erlenmeyer de 100 ml guantes

4 Cerillos o encendedor PROCEDIMIENTO: 1. Conectar el sensor de temperatura al Lab-Pro 2. Para utilizar y calibrar los sensores de temperatura es necesario que conectes dichos sensores al Lab Pro, abrir el programa LOGGER versión 3.3, si utilizas sensores de temperatura de acero inoxidable al abrir el programa LOGGER versión 3.3, observarás que está aparece en la parte superior izquierda la lectura de la temperatura ambiente y no es necesario calibrar, sin embargo, compara la medición con la del termómetro de bulbo de mercurio midiendo la temperatura ambiente para corroborar que tus lecturas de temperatura son correctas. 3. Prepara la computadora para registrar los datos: 4. Dar 20 minutos para monitorear la temperatura del agua y más o menos 7 muestras/min. 5. Ajustar la escala del eje y (Temperatura) a 105 C (como valor máximo) 6. Montar el dispositivo experimental según la imagen. (Ver Figura 2) 7. Medir con la probeta 50 ml de agua, ya que la densidad del agua = 1g/mL, se asumirá que 1g agua es 1mL. 8. Cuidar que el cable del sensor quede lejos del mechero. 9. Trata de que el sensor sólo toque agua y no las paredes del recipiente. 10. abrir la llave de gas (amarilla, abajo). 11. Encender el mechero, la flama no debe ser demasiado fuerte y una vez que se coloque debajo del vaso no deberá de ajustarse nuevamente. 12. Dar COLLECT y observar la gráfica, es importante que cuando se observe el cambio en la pendiente de la gráfica, se deberá de seguir midiendo la temperatura por lo menos unos 7-10 minutos más, dependerá de la intensidad de calentamiento y pérdida de masa por evaporación. 13. Una vez que se haya apagado el mechero, levantar con cuidado el sensor y con guantes volver a medir la masa del agua en la probeta. 14. Con ANALYZE EXAMINE se tomarán los siguientes datos de la gráfica: T 1 = Será la temperatura a la que inició el experimento el tiempo será el tiempo inicial. T 2 = Será la temperatura a la que inició la ebullición del agua y el tiempo. Es importante también anotar el tiempo total del experimento. Con estos datos y el calor específico del agua se calculará el calor sensible requerido para que el agua llegue al punto de ebullición:

5 Q = m 1 Ce T donde la masa 1 será la masa medida al inicio del experimento, o sea 50g. El Ce del agua = 1 cal/g C Una vez que el agua cambió de fase la temperatura permaneció constante, característica de un cambio de fase; por lo que se asumirá lo siguiente para calcular el calor latente de evaporación del agua: La fuente de calentamiento es constante; por lo que se calculará la potencia del mechero P = Q/t 1 donde Q será el calor sensible calculado y t 1 el tiempo requerido para que el agua llegue al punto de ebullición. Una vez calculada la potencia, se calculará el calor suministrado por el mechero al agua durante el tiempo que permaneció en ebullición; por lo que llamaremos a este calor Q = P t 2 donde la potencia será la ya calculada y el tiempo será el tiempo que permaneció el agua en ebullición. Finalmente calculamos L v = calor de evaporación del agua con Q y m: L v = Q / m Donde m = masa inicial masa final del agua Recuerda reportar tus incertidumbres de medición y la propagación de errores para cada uno de tus cálculos Fig. 2. Dispositivo experimental para la actividad II. ANÁLISIS DE RESULTADOS: 1. Guarda en un USB la gráfica e imprímela. 2. Describe la curva de temperatura vs tiempo, cómo es antes del punto de ebullición?, qué pasa durante la ebullición? 3. Compara la forma de tu gráfica con la de tu predicción (la que dibujaste en las actividades de prelaboratorio). 4. Trata de dar una explicación a la forma de la curva. 5. Cómo puedes calcular la cantidad de calor que recibió el agua desde que iniciaste el experimento hasta que se alcanzó el punto de ebullición? 6. Si el proceso de calentamiento fue constante, cómo puedes calcular el calor proporcionado por tu fuente de calor por unidad de tiempo? A esto se le denomina la potencia del aparato. 7. Cuál es entonces el calor proporcionado al agua durante la ebullición? 8. A partir de estos datos y de la masa de agua evaporada, determina la cantidad de calor necesaria para evaporar dicha cantidad de agua. Luego determina la cantidad de calor que se requiere para evaporar un gramo de agua. Compara el valor obtenido con el que aparece en tablas. (Calcula el % error teórico vs. experimental). La cantidad de calor necesaria para evaporar una cierta cantidad de una sustancia se llama calor latente de evaporación o de vaporización de dicha sustancia. En otras palabras, es la energía, por unidad de masa, necesaria para que exista un cambio de fase de líquido a gas de dicha sustancia, a temperatura constante.

6 9. A qué se debe la diferencia entre los valores que comparaste en la pregunta 8? Crees que puede in fluir el recipiente donde calentaste el agua? Cómo podrías realizar una corrección a tu valor experimental? ACTIVIDAD II : 1. Repite el experimento pero ahora sin anillo de fierro, por lo que utilizarás un matraz erlenmeyer de 100 ml. 2. Monta el dispositivo de la Figura 2, sujetando la parte superior del matraz con las pinzas. 3. Al calentar directamente el experimento será más rápido por lo que debes vigilar la pérdida de masa por evaporación. 4. Repite los pasos del experimento anterior. 5. Al final ten cuidado con el matraz, recuerda que está caliente, puedes colocarlo dentro de un vaso de precipitados, y debes vaciar el agua a la probeta. Utiliza guantes. 6. Repite el procedimiento del experimento anterior para los cálculos y análisis de resultados, compara y analiza ambos experimentos. ACTIVIDAD III: Determinar el calor de fusión del hielo. Harás que se funda parte del hielo que le agregarás a una determinada cantidad de agua a temperatura ambiente y determinarás cuánta energía se requirió para fundirlo. MATERIAL: un vaso de unicel con hielo termómetro de bulbo de mercurio agua calorímetro de unicel probeta de 100 ó 250 ml toallas de papel computadora con mouse Lab Pro sensor de temperatura de acero inoxidable PROCEDIMIENTO: 1. Añade una cantidad conocida de agua mídela con la probeta, a temperatura ambiente al calorímetro de unicel. 2. Añade hielo al agua: La cantidad de hielo debe ser aproximadamente igual a dos o tres veces el volumen de la cantidad de agua, sécalo con una toalla de papel, de modo de eliminar cualquier gota de agua líquida presente y añádelo inmediatamente al contenedor con el agua. 3. Para este experimento no es necesario que guardes e imprimas las gráficas. 4. Mueve vigorosamente la mezcla con el termómetro y continúa haciéndolo durante todo el experimento. 5. Mide la temperatura inicial de la mezcla de hielo y agua, esta será tu temperatura inicial. Observa qué sucede.

7 6. Cuando la temperatura permanezca constante, vacía inmediatamente el agua en la probeta, el agua líquida solamente, el hielo no. Esta temperatura será tu temperatura final. 7. Determina cuánto hielo se fundió. 8. Repite los pasos anteriores para por lo menos 6 cantidades distintas de agua a temperatura ambiente. Para calcular el calor sensible recuerda utilizar Q = m 1 Ce T donde la masa 1 será la masa medida al inicio del experimento. El Ce del agua = 1 cal/g C. La diferencia de temperaturas será el valor absoluto. Para calcular el calor latente de fusión L f grafica el calor sensible obtenido para cada experimento vs. m y haz una regresión lineal a partir de la que pendiente será igual al calor latente de fusión (L f ). Recuerda reportar tus incertidumbres de medición y la propagación de errores para el calor sensible y m. ANÁLISIS DE RESULTADOS: 1. Para cada experimento calcula el calor perdido por el agua a temperatura ambiente y el calor ganado por el hielo. 2. Traza una gráfica del calor ganado por el hielo versus la masa de hielo fundida. Qué tipo de gráfica te da? Cuál es la relación entre las dos cantidades? Podrías hacer una aproximación por mínimos cuadrados?, en caso afirmativo, qué interpretación se le da a la pendiente? 3. Puedes decir cuánta energía se toma para fundir un gramo de hielo? A esta cantidad se le llama calor latente de fusión y es la energía necesaria, por unidad de masa, para que exista un cambio de fase de sólido a líquido de dicha sustancia. 4. Compara tu valor dado en (3) con el valor dado en tablas (% error teórico vs. experimental) A qué se debe la diferencia, si es que hay alguna? Cómo podrías realizar una corrección a tu valor? Bibliografía: BROWN, T. & LEMAY, H. Química: La Ciencia Central Prentice Hall Hispanoamericana México, HOLMQUIST, D. & VOLZ, D. Chemistry with computers Vernier Software

8 SUGERENCIAS PARA EL MAESTRO: ACTIVIDAD II: 1. Al montar el dispositivo es conveniente alejar lo más posible el cable del sensor de la fuente de calor, para esto basta con sostener el cable con una pinza o varilla sostenida de un soporte universal. 2. De estar permitido, por precaución los alumnos deberían de guardar su archivo en la computadora (FILE - SAVE EXPERIMENT AS). 3. Los sensores deben estar calibrados, si no lo están (la lectura será errónea al compararse con un termómetro) deberá de realizarse la calibración (Ver manual de uso del programa o el apéndice). Sin embargo, debe estar presente un archivo de calibración en el CPU de su máquina. 4. Generalmente los alumnos atribuyen los errores de sus resultados a fricciones y fugas, es por ello la razón de la pregunta 8, quedándose no como que algo se perdió con el recipiente sino que el alumno será capaz de calcular esta pérdida y así corregir sus resultados. 5. Ejemplo de resultados: Con la ecuación Q=m Ce T = (50 g)(1 cal/g ºC)(Tf-Ti) Como potencia = energía/tiempo = calor/tiempo = Q/t esta potencia es constante aún durante la ebullición. Con estos datos se calculará el calor proporcionado al agua durante el tiempo que permaneció en ebullición Q = P t (donde este tiempo será a partir de que inició la ebullición hasta el final del experimento).con este dato de Q, se calcula Lv = Q / m ACTIVIDAD III: 1. Es conveniente que el alumno realice una aproximación por mínimos cuadrados para que logre explicar qué tipo de relación encuentra entre el calor y la masa e interpretar el valor de la pendiente de la recta que resulta. 2. A veces se observan intervalos, no muy largos, en los que la temperatura permanece constante, para no confundirlo con el punto de fusión, se sugiere que se deje fundir todo el hielo y así obtener realmente el punto de fusión como aquel que no varía durante todo el proceso. 3. El alumno debe ser capaz de concluir que, salvo la pérdida por el vaso de unicel, el calor absorbido por el hielo es el mismo calor cedido por el agua, de modo que se puede calcular como Q=m Ce T, donde m es la masa inicial de agua, Ce es el calor específico del agua (líquida) y T es la diferencia entre la temperatura que permanece constante (que es donde ocurre el cambio de fase) y la temperatura incial del agua. (Se tomará el valor absoluto). 4. El calor latente de fusión será la pendiente de la gráfica de Q vs. m (regresión lineal).

9 APÉNDICE: Si utilizas LAB-PRO con sensores de temperatura Standard deberás calibrar los sensores de la siguiente manera: 1. Abrir el programa Logger versión Seleccionar el icono de Lab-Pro y dar click. 3. Aparecerá esta pantalla en donde se indica en CH-1 deberás seleccionar con choose sensor Temperature Standard Temperature, dar click en CH-1 y CALIBRATE. 4. Para calibrar debes colocar los sensores de temperatura y el termómetro de bulbo de mercurio dentro del vaso de precipitados con agua con hielos y esperar a que channel input se estabilice, dar valor de punto mínimo (agua con hielo) KEEP, ahora coloca los sensores y el termómetro de bulbo en agua caliente (mínimo 70 C), esperar a que channel input se estabilice, dar valor del punto máximo (agua caliente) KEEP OK.

10 5. Dar click en CH-2, seleccionar choose sensor Temperature Standard Temperature, dar click en CH-2 y CALIBRATE, repite el mismo proceso realizado en el inciso 4 y al terminar aparecerán en la pantalla los valores de temperatura de los dos sensores, en los que no debe haber una diferencia de ±1 C, de ser así es recomendable volver a calibrar.