Introducción a la Física Experimental Guía de la experiencia. calor latente de fusión del hielo.

Transcripción

1 Introducción a la Física Experimental Guía de la experiencia Calor latente de fusión del hielo Departamento de Física Aplicada. Universidad de Cantabria. Febrero 14, 2006 Tenga en cuenta que la lectura previa de esta guía y la comprobación de las ecuaciones le llevará del orden de una hora, incluyendo la consulta de las palabras clave, y que la lectura de la bibliografía específica en inglés le llevará entre una y dos horas. Resumen Se indica cómo llevar a cabo algunas experiencias de mezclas de agua líquida a diferentes temperaturas y de hielo para obtener el calor latente de fusión del hielo. Introducción Cuando un cuerpo es calentado por ejemplo, acercándole a una llama, se le proporciona calor, aumenta su temperatura. Durante mucho tiempo se pensó que esto era siempre así. Sin embargo, al construirse los primeros termómetros, pronto se descubrió que cuando un trozo de hielo es calentado, se funde y la mezcla de agua y hielo que se tiene hasta que todo el hielo funde se encuentra en todo momento a la misma temperatura que el hielo, 0 C. Joseph Black fue uno de los primeros científicos en estudiar este fenómeno y fue el primero en distinguir entre calor sensible, o calor que se manifiesta en la elevación de la temperatura de un cuerpo, y calor latente, o calor que se utiliza para producir un cambio en el estado de agregación de un cuerpo cambio de fase, de fase sólida a fase líquida en el caso del hielo que funde sin que haya una variación de la temperatura. Método de las mezclas Cuando una masa m 1 de un líquido de calor específico c, que se encuentra a temperatura T 1 se mezcla con una masa m 2 del mismo líquido a temperatura T 2, la temperatura final de la mezcla m 1 c(t f T 1 ) + m 2 c(t f T 2 ) = 0, será T f = m 1T 1 + m 2 T 2 m 1 + m 2. (1) 1

2 Figura 1: Retrato de Joseph Black. Profesor de Química, Black introdujo los conceptos de calor específico de un cuerpo y calor latente para una transición de fase. Pero cuando una masa m 1 de un líquido de calor específico c, que se encuentra a temperatura T 1 se mezcla con una masa m M de un sólido o un líquido con el que no reaccione químicamente de calor específico c M que se encuentra a temperatura T 2, la temperatura final m 1 c(t f T 1 ) + m M cm(t f T 2 ) = 0, será T f = m 1cT 1 + m M c M T 2 m 1 c + m 2 c C. (2) Si la experiencia se lleva a cabo en un recipiente metálico, éste interviene en el proceso, y puede ponerse que (m 1 + K)c(T f T 1 ) + m M cm(t f T 2 ) = 0, si es el líquido el que se encuentra inicialmente en el recipiente. Este parámetro K se conoce como equivalente en agua del recipiente. Para estimar el equivalente en agua del vaso, se mezclan dos masas de un mismo líquido a temperaturas diferentes y se mide la temperatura final: (m 1 +K)(T f T 1 )+m 2 (T f T 2 ) = 0. El equivalente en agua del vaso depende del experimento, por lo que debe ser estimado en experimentos semejantes. Calor latente Cuando a una masa de 1 kg de agua que se encuentra a 14,0 C se le proporciona una energía de 4, J (J significa joules 1 ), su temperatura aumenta hasta texto. 1 Consulte y escriba la definición de todos los conceptos que aparecen en letra cursiva en este 2

3 los 15,0 C. Históricamente se describía este fenómeno diciendo que el agua había recibido un calor sensible, entendiendo por calor sensible una energía que se manifiesta mediante un aumento de la temperatura. Si una cantidad de energía Q se transfiere a una substancia de masa m y se produce un aumento de temperatura T, el calor específico por unidad de masa de la substancia, c, se define como: c = Q m T, (3) o cantidad de energía 2 que se necesita para aumentar la temperatura de 1 g de esa substancia en 1 C. Si a 1 kg de hielo fundente 3, se le proporcionan 3, J de energía se obtiene 1 kg de agua líquida a, exactamente, 0 C. Este fenómeno se describió diciendo que el hielo ha recibido un calor que no ha dado lugar a una variación de su temperatura, por lo que se denominó calor latente 4. Para una transición de fase de una masa m con calor latente L, en general, Q = ±ml, (4) donde el signo depende de si la energía es absobida por el sistema (+) o cedida al entorno (-). Como ya se ha indicado, fue Joseph Black ( ) quien introdujo los conceptos de calor específico de una substancia y de calor latente de una transición de fase. Para medir el calor latente del hielo Black realizó distintas experiencias mezclando agua líquida a alta temperatura con hielo fundente. Comprobó Black que cuando mezclaba una masa dada de agua a 80 C con la misma masa de hielo fundente, el resultado final era que todo el hielo se licuaba y que el agua líquida que restaba se encontraba exactamente a 0 C. A partir de este resultado experimental, Black dedujo que el calor latente de fusión del hielo era de 80 c A, siendo c A = 4, 18 J g 1 C 1 el calor específico del agua. El concepto de calor específico de una substancia también fue introducido por Black. Descripción del material Para llevar a cabo este tipo de experiencias se utiliza el siguiente material (ver Fig. 2): 1. Un calorímetro adiabático 5 2 Téngase en cuenta que aunque la cantidad de energía transferida se representa como Q (calor), dicha transferencia de energía se puede hacer por algún otro método (eléctrico, mecánico, etc.). 3 Es decir, hielo que se encuentra a 0 C 4 Entendiendo por calor latente una energía que se manifiesta en un cambio de estado (de sólido a líquido en este caso), pero no en una variación de temperatura 5 Cómo se define un sistema adiabático? 3

4 (a) (b) Figura 2: Dispositivo experimental para medir el calor latente de fusión del hielo. (a) Masas conocidas de agua y de hielo, a temperatura conocida, (b) se mezclan en un calorímetro adiabático, midiéndose la temperatura final. 2. Un termómetro digital 3. Dos vasos de precipitados 4. Una varilla agitadora de vidrio 5. Una balanza de precisión 6. Varios cubitos de hielo fundente 7. Agua 8. Un colador de acero inoxidable 9. (Sal marina) Consideraciones previas a la realización del experimento Antes de llevar a cabo las experiencias, considere las siguientes cuestiones: 1. Es importante que las mezclas de agua y hielo se realicen en un calorímetro o se podrían llevar a cabo en un vaso cualquiera? Cuál es el papel del calorímetro? 2. Cómo se aplica el Primer Principio de la Termodinámica en estas experiencias? 3. Cuál es el balance de energía que se puede llevar a cabo en las mezclas de agua y hielo? 4

5 4. Qué espera que suceda, respecto a la medida experimental del calor latente del hielo, si al hielo que añade al agua le acompaña una cantidad significativa de agua líquida. 5. Qué espera que suceda, respecto a la medida experimental del calor latente del hielo, si el hielo que añade al agua se encuentra a temperaturas por debajo de los 0 C. Indicaciones La mayor dificultad de este experimento consiste en conseguir que el hielo se encuentre a, exactamente, 0 C. Para conseguirlo, los cubitos de hielo se deben dejar en agua durante un cierto tiempo, asegurándose con el termómetro de que la mezcla heterogénea de agua y hielo se encuentra a 0 C. Experiencia previa En esta experiencia previa se va a dejar fundir un trozo de hielo en una masa de agua. Coloque una cantidad conocida de agua en un vaso de precipitados y mida su temperatura al cabo de unos minutos. Mida el peso total del agua más el vaso de precipitados. Estime el peso de un cubito de hielo. Suponga ahora que deposita un cubito de hielo en ese agua. Estime utilizando los datos de la bibliografía la temperatura final que se alcanzaría una vez fundido el cubito. Tome a continuación un trozo de hielo un cubito, séquelo bien con papel secante para que no tenga agua líquida en su superficie, y póngalo con cuidaddo en el agua. Espere, agitando suavemente a que el hielo haya fundido por completo y mida la temperatura del agua en ese momento. Vuelva a pesar el agua más el vaso de precipitados. Con los resultados obtenidos estime el calor latente del hielo. Experiencias Lleve a cabo las siguientes experiencias, teniendo en cuenta que si queda hielo sin fundir después de una mezcla, debe pesarlo (para ello, cuele el agua y pese el hielo escurrido, todo ello con cierta rapidez): 1. Primer procedimiento. Mida la masa del vaso metálico del calorímetro. Llene el vaso metálico del calorímetro en sus 2/3 partes con agua. Determine la temperatura del agua. Extraiga del agua unos trozos de hielo fundente, séquelos con papel secante y deposítelos, con cuidado de que no se pierda agua al salpicar, en el calorímetro. Mida la temperatura que se alcanza una vez haya fundido todo el hielo ( será la menor temperatura que se alcance?). Vuelva a pesar el vaso del calorímetro con el agua. Con estos datos estime el calor latente del hielo. Repita esta experiencia otras tres veces, variando las cantidades de hielo que utiliza. 5

6 2. Segundo procedimiento. Coloque una cantidad significativa de hielo fundente en el vaso metálico del calorímetro. Pese el conjunto (el vaso debe estar pesado con anterioridad). Espere un tiempo y deje que el vaso metálico alcance los 0 C. Prepare una cierta cantidad de agua a temperatura ambiente. Mida su temperatura. Escurra el agua del vaso metálico que se haya producido por la fusión del hielo y resérvela para pesarla luego. Vierta el agua a temperatura ambiente sobre el hielo. Agite hasta que el agua alcance los 0 C. Extraiga el hielo que no haya fundido y resérvelo para pesarlo después. Pese el agua que fundió del hielo, la masa de hielo que no fundió, y la masa de agua más el hielo que fundió. Al terminar esta experiencia debe saber la masa de hielo que realmente se fundió en contacto con el agua a temperatura ambiente, la masa de agua a temperatura ambiente y su variación de temperatura. Con estos datos debe estimar el calor latente del hielo. 3. Equivalente en agua del vaso. Repita la experiencia anterior, pero sustituyendo el hielo por una masa semejante de agua líquida a 0 C, que se puede tomar del agua que está con el hielo fundente. A partir de esta experiencia de mezcla determine si el calor cedido por el agua a temperatura ambiente ha sido el mismo que el calor absorbido por el agua fría o hay un aporte significativo del vaso metálico Una vez llevadas a cabo las experiencias anteriores, considere las siguientes cuestiones: 1. Qué procedimiento es más fiable a la hora de obtener el calor latente del agua? 2. Qué procedimiento es más exacto? 3. Cómo se puede justificar el resultado obtenido por Black para el calor latente de fusión del hielo? 4. Puede obtener buenos resultados para el calor latente de fusión del hielo con todas las experiencias anteriores o sólo con algunas? Preguntas adicionales relacionadas con la experiencia 1. Qué piensa que va a suceder si disuelve sal en agua a temperatura ambiente, vierte el agua salada sobre el hielo y agita? Cómo explica lo que sucede? Referencias [1] P. A. Tipler, Física, 3 a Edición, Tomo I, Ed. Reverté, Barcelona Capítulo 16, Calor y primer principio de la termodinámica, pp. 517 y ss. 6

7 [2] R. A. Serway, J. W. Jewett, Jr. Principles of Physics. A Calculus-based Text, 3 a Ed., Ed. Harcourt College Publishers, Capítulo 17, Energy in Thermal Processes: The First Law of Thermodynamics, pp. 582 y ss. [3] S. Kopperl, J. Parascandola, The development of the adiabatic calorimeter, J. Chem. Edu. 48, 237 (1971) [4] C. D. Galles, Revival of Black s experiment, Am. J. Phys. 47, 1008 (1979) [5] J. Güémez, C. Fiolhais, M. Fiolhais, Revisiting Black s Experiments on the Latent Heats of Water, The Physics Teacher 40, 9 (2002). [6] S. Y. Mak, C. K. W. Chun, The measurement of the specific heat of fusion of ice: two improved methods, Phys. Educ. 28, 228 (1993). 7