ÍNDICE GENERAL INTRODUCION... 2 1. OBJETIVOS...3 2. EXPERIMENTO...3 2.1 MARCO TEÓRICO... 3 2.2 FUSIÓN Y SOLIDIFICACIÓN... 3 2.2.1 Fusión... 3 2.2.2 Punto de fusión... 3 2.2.3 Solidificación... 4 3. DISEÑO...5 4. EQUIPOS Y MATERIALES:...6 5. VARIABLES INDEPENDIENTES...7 6. VARIABLES DEPENDIENTES...8 7. RANGO DE TRABAJO...8 8. PROCEDIMIENTO...8 9. CUESTIONARIO...11 10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES...16 11. BIBLIOGRAFIA...16 Experiencia Nº 8 Fusión y Solidificación 1
INTRODUCCIÓN Cuando se le comunica calor a un sólido cristalino, su temperatura aumenta progresivamente y al alcanzar un determinado valor se produce la transición o cambio de fase del estado sólido al líquido que denominamos fusión. Si las condiciones de presión exterior se mantienen constantes, el cambio de fase se verifica a una temperatura fija o punto de transición entre ambos estados, que se mantiene constante hasta que el sólido se ha fundido totalmente. A nivel molecular la fusión se produce como consecuencia del derrumbamiento de la estructura cristalina. El incremento de temperatura da lugar a un aumento en la amplitud de las vibraciones de las partículas en la red, que termina por romper los enlaces y producir la fusión. Una vez que se alcanza la energía de vibración correspondiente a la temperatura de fusión, el calor recibido se emplea en romper nuevos enlaces, de ahí que se mantenga constante la temperatura durante el proceso. La solidificación es la transición de líquido a sólido que se produce de forma inversa a la fusión, con cesión de calor. Cualquiera que sea la sustancia considerada el punto o temperatura de transición entre dos estados o fases de la materia es el mismo independientemente del sentido de la transformación. La disminución progresiva de la temperatura del líquido hace que en las proximidades del punto de solidificación las fuerzas de enlace vayan imponiendo progresivamente su orden característico. La práctica de laboratorio consistió básicamente en tomar la neptalina sólida y luego pulverizando, introducidos en un tubo dentro de un vaso precipitado con agua y luego se puso en la estufa hasta que caliente y e la neptalina alcance su estado liquido y luego se espero que se enfriara hasta que se solio otra ves. Experiencia Nº 8 Fusión y Solidificación 2
FUSION Y SOLIDIFICACION 1. OBJETIVOS Observar cualitativamente las características físicas que se requieren para que una sustancia experimente una transferencia de calor, cambio de fase. 2. EXPERIMENTO 2.1 MARCO TEÓRICO Se denomina cambios de fase a variaciones bruscas en alguna propiedad de un material que ocurran a una temperatura bien definida, también es el cambio de la materia entre varios estados de agregación sin que se afecte su composición. Los tres estados básicos son el sólido, el líquido y el gaseoso. Bueno nosotros solo veremos dos de ellos que vendrían a ser la fusión (de sólido a liquido) y la solidificación (de liquido a sólido). 2.2 FUSIÓN Y SOLIDIFICACIÓN Son procesos contrarios en el cambio de estado sólido a líquido. Se producen a una temperatura determinada para cada sustancia y su valor varia muy poco con la presión. 2.2.1 Fusión Es el cambio de una sustancia del estado sólido al líquido, normalmente por aplicación de calor. Cuando una sustancia se encuentra a su temperatura de fusión, el calor que se suministra es absorbido por la sustancia durante su transformación, y no produce variación de su temperatura. Este calor adicional se conoce como CALOR DE FUSIÓN. 2.2.2 Punto de fusión Es la medida en la que el sólido se convierte en líquido este valor es constante y específico en cada sustancia, el cambio de sólido a líquido no sólo se da por aplicación de calor sino que también aumentando o disminuyendo la presión según se requiera Experiencia Nº 8 Fusión y Solidificación 3
El calor que debe suministrarse a la unidad de masa de un sólido para convertirlo en líquido a la temperatura de fusión se denomina calor de fusión Q. Q C = m Donde: Q es la Cantidad de calor necesario para la fusión. M es la Masa del cuerpo. C es el Calor específico de fusión. 2.2.3 Solidificación La solidificación es un proceso físico que consiste en el cambio de estado de la materia de líquido a sólido producido por una disminución en la temperatura. Es el proceso inverso a la fusión. La diferencia es que en el proceso de solidificación la sustancia emite o pierde calor hacia el medio ambiente que le rodea. Emitiendo la misma cantidad que absorbió para fusionarse. Formando así poco a poco su estructura cristalina molecular entablándose de nuevo los enlaces. En general, los compuestos disminuyen de volumen al solidificarse, aunque no sucede en todos los casos; en el caso del agua aumenta. Experiencia Nº 8 Fusión y Solidificación 4
3. DISEÑO cronometro paleta termómetro Fig. Nº1: Fusión Fig. Nº2: Solidificación Tubo de ensayo con naftalina y termómetro Masa de liquido cocinilla madera cronometro Tubo de ensayo con naftalina y termómetro Experiencia Nº 8 Fusión y Solidificación 5
Fig. Nº3: Medición de la temperatura de fusión 4. EQUIPOS Y MATERIALES: Una cocina eléctrica Termómetro Un tubo de ensayo Un vaso pirex Un cronometro Un soporte universal Un agitador Dos clamps Naftalina Agua destilada Pabilo Cocina eléctrica termómetro tubo de ensayo Experiencia Nº 8 Fusión y Solidificación 6
Vaso pirex cronometro soporte universal Agitador clamps naftalina Agua destilada pabilo 5. VARIABLES INDEPENDIENTES Que instrumentos nos dan las variables independientes en el experimento y cuales son estas variables? La temperatura es un factor independiente ya q no depende de algun otro factor. La masa de la naftalina es una variable independiente al igual q la temperatura debido a que no depende de algún otro factor. El calor latente de fusión y solidificación es independiente se determina en forma experimental y solo varia por el tipo de sustancia a utilizar. Experiencia Nº 8 Fusión y Solidificación 7
El tiempo también es un factor de medida independiente 6. VARIABLES DEPENDIENTES En este caso no existen variables dependientes pues todas las variables son independientes de la masa 7. RANGO DE TRABAJO Cuales son los rangos de trabajo de los instrumentos siguientes? Fueron utilizados los siguientes materiales: Para la balanza: - Mínima medida 1 g. o - Máxima medida 1000 g. El termómetro de 0o C a 100º C Vaso Precipitado de 0ml a 1000ml El sensor de temperatura de 40º C A 135º C No fueron considerados los siguientes materiales: Un matraz Una pinza metálica 8. PROCEDIMIENTO Procedemos a encender la estufa y colocar un vaso precipitado y dentro con agua y hay un tubo que contiene la neptalina en polvo y se tomara la temperatura cada cierto tiempo hasta que alcance su estado liquido De igual manera se procederá pero esta vez haremos que se enfrié hasta que alcance su estado solido de la neptalina Experiencia Nº 8 Fusión y Solidificación 8
TABLA Nº 1 TEMA: FUSIÓN Y SOLIDIFICACIÓN FUSIÓN Nº Tiempo (s) T agua (ºC) T naftalina (ºC) 1 25 22 25 2 50 26 25 3 75 27 25 4 100 28 25 5 125 30 26 6 150 31 27 7 175 32 28 8 200 33 29 9 225 35 30 10 250 36 31 11 275 38 33 12 300 39 34 13 325 41 36 14 350 43 37 15 375 45 38 16 400 47 40 17 425 48 42 18 450 49 43 19 475 50 45 20 500 51 46 Experiencia Nº 8 Fusión y Solidificación 9
Nº Tiempo (s) T naftalina (ºC) 1 25 82 2 50 81 3 75 81 4 100 80 5 125 80 6 150 80 7 175 79 8 200 79 9 225 79 10 250 79 11 275 79 12 300 79 13 325 79 14 350 78 15 375 78 16 400 76 17 425 72 18 450 67 19 475 64 20 500 60 TABLA Nº 2 TEMA: FUSIÓN Y SOLIDIFICACIÓN SOLIDIFICACIÓN Nº Tiempo (s) T naftalina (ºC) 21 525 57 22 550 55 23 575 52 24 600 51 25 625 49 26 650 47 27 675 46 28 700 45 29 725 43 30 750 42 31 775 41 32 800 40 33 825 39 34 850 38 35 875 37 36 850 36 37 875 35 38 900 33 39 925 32 40 950 30 Experiencia Nº 8 Fusión y Solidificación 10
9. CUESTIONARIO 9.1 Usando los valores de la tabla Nº 1, represente en la hoja de papel milimetrado los valores de T=T (t) que muestra el proceso de la fusión de la naftalina, identificar el punto de fusión. T naftakina (ºC) Hemos omitido señalar el punto de fusión ya que es la línea que se mantiene constante en la gráfica. PROCESO DE FUSIÓN DE LA NAFTALINA 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Tiempo(s) T naftalina (ºC) Tiempo (s) T naftalina (ºC) 25 25 50 25 75 25 100 25 125 26 150 27 175 28 200 29 225 30 250 31 275 33 300 34 325 36 350 37 375 38 400 40 425 42 450 43 475 45 500 46 Experiencia Nº 8 Fusión y Solidificación 11
9.2 Usando los valores de la tabla Nº 2, representar en la hoja de papel milimetrado los valores de T=T (t) que muestra el proceso de solidificación de la naftalina. Identificar el punto de solidificación. T naftalina (ºC) El punto de solidificación lo omitimos ya que se señala cuando la temperatura permanece casi constante. 90 80 70 60 50 40 30 20 10 PROCESO DE SOLIDIFICACION DE LA NAFTALINA 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Tiempo (s) T naftalina (ºC) Tiempo (s) T naftalina (ºC) 25 82 50 81 75 81 100 80 125 80 150 80 175 79 200 79 225 79 250 79 275 79 300 79 325 79 350 78 375 78 400 76 425 72 450 67 475 64 500 60 525 57 550 55 575 52 600 51 625 49 650 47 675 46 700 45 725 43 750 42 775 41 800 40 825 39 850 38 875 37 900 36 925 35 950 33 975 32 1000 30 Experiencia Nº 8 Fusión y Solidificación 12
9.3 A partir de la interpretación de la última gráfica. Que le permite afirmar que la naftalina desprende calor. Al analizar entre libros para asegurar nuestra respuesta deducimos que la naftalina si desprende calor, eso sucede en el cambio de fase que necesita esta sustancia para liberar cierta energía, pero transformada en calor, por eso aseveramos que la naftalina si desprende calor. 9.4 Sus gráficas le permiten afirmar que los puntos de fusión y solidificación de la naftalina coinciden? Por qué? Según en nuestra gráfica los puntos de fusión y de solidificación no coinciden debido capas a las variaciones de presión o a ciertas condiciones de la naftalina. 9.5 Indique en que instante y a que temperatura se realiza el proceso de solidificación. Luego de la fusión de la glicerina, dejamos enfriar, observando que transcurrido 17.12 minutos, se solidifico la glicerina alcanzando una temperatura de 30gados Celsius. 9.6 Por que el punto de fusión y solidificación coinciden durante la solidificación. Porque un solidó (naftalina), se funde ala misma temperatura que solidifica en el estado liquido. 9.7 Tomando en consideración sus datos experimentales, puede determinar la cantidad de calor por unidad de tiempo que se desprende de la naftalina durante el proceso de solidificación? De ser posible cuantifique su valor. 9.8 Nombrar algunas posibles fuentes de error en la experiencia y clasificarlos. Los posibles errores en la experiencia es no utilizar materiales de calidad para este experimento, como la pésima condición de los termómetros. 9.9 Considerando que el punto de solidificación de la naftalina es 70 oc cuantifique el error que se a cometido en la experiencia. Para responder esta pregunta utilizamos lo siguiente: Valor teorico : 70 C ; Valor experimental : 30 C %ERROR= Valor teórico - Valor experimental x 100 = 70 C - 30 C x 100 Valor teorico 70 C Experiencia Nº 8 Fusión y Solidificación 13
%ERROR= 57 %. 9.10 Como podría determinar el calor latente de fusión de la naftalina y el de sublimación. Describa el método que propone. Bueno para poder hallar el calor latente de tanto de fusión como de solidificación debemos de saber un dato adicional que es el calor especifico de la naftalina, con eso procederemos a demostrar la formula a usar para poder hallar el calor latente de fusión y sublimación. Sabemos por formula que: Q Q = Ce m ΔT o = Ce ΔT ; donde: Ce = calor especifico; Δ T = variación de temperatura. m Pero además tenemos en cuenta la formula del calor latente: Q Q = L m o = L ; donde: L = calor latente, m = masa de cuerpo y Q = calor m Como podemos observar el calor latente puede depender del calor especifico y de la variación de temperatura, por ende esta formula la usaremos para poder hallar tanto el calor latente de fusión y de sublimación ya que en nuestros datos tenemos la variación de temperaturas y puesto que el calor especifico de la naftalina se encuentre como dato para poder solucionar esta pregunta. 9.11 Qué aplicaciones practicas tienen los cambios de estado? 9.12 Explicar por que para realizar esta experiencia es necesario un flujo calorífico constante. 9.13 Explicar por que las fuerzas moleculares tienen diferentes magnitudes en sustancia diferentes y como influye esta característica en el punto de fusión de cada una de ellas. 9.14 Comparar el punto de fusión experimental y el teórico de la naftalina. A qué se debe esta diferencia. El punto de fusión de nuestro experimento nos datan de un valor de 79 ºC pero el teórico nos datan de 81 ºC esto nos da un error de 2.47% debido a las condiciones de presión en la cual se encuentra la naftalina y de cierta forma el volumen también. Experiencia Nº 8 Fusión y Solidificación 14
9.15 Puede dar un argumento físico que justifique por que el punto de fusión coincide con el punto de solidificación. Porque el calor latente de fusión es numéricamente igual al calor latente de solidificación. 9.16 Durante un cambio de fase, siempre la temperatura de cualquier sustancia permanece constante, justificar su respuesta. El cambio de fase se puede explicar como la energía suficiente para que un cuerpo, sea el estado que se, cambie su forma física pero en esa energía o calor necesario no depende de la temperatura por lo que podemos aseverar que durante el cambio de fase la temperatura permanece constante. 9.17 Que le sucede ala energía calorífica mientras la naftalina cambia a la fase liquida a temperatura constante. Mientras cambia de fase la naftalina la energía calorífica aumenta. 9.18 Como puede comparar la concavidad que se forma en la superficie de la naftalina cuando ésta se solidifica? 9.19 Qué cambio de fase experimenta la bolita de naftalina, usadas como antipolillas, ya que como es conocida esta reduce su tamaño con el tiempo? El cambio de fase que experimenta la bolita de naftalina, usadas como antipolillas, es una sustancia orgánica que tiene una gran tendencia a pasar a fase vapor sin pasar por el estado líquido (volatiliza) a presión atmosférica. Experiencia Nº 8 Fusión y Solidificación 15
10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Para tener menos margen de error en el calculo seria bueno que en el proceso de fusión de la naftalina se utilice el sensor de temperaturas del Vernier LAB Pro ya que esta nos ofrecería mas datos con el transcurrir del tiempo y así ya no seria necesario estar marcando en cada minuto en que temperatura esta y así obtendríamos la grafica de cambio de fase mucho mas claro. Bueno nos podemos dar cuenta que el tiempo que tarda para que se den los cambios de estado dependen de la masa de la sustancia, la presión en que estén ejercidos, la velocidad con que se le de el calor y la cantidad de calor que se pierde al medio ambiente. 11. BIBLIOGRAFIA Alonso-Finn; Física: Mecánica, Vol. 1, Fondo Educativo Interamericano. 1998 Guía de Laboratorio FISICA II - Universidad Nacional del Callao Raymond A., Serway; Jewet, John, Física 1. México D.F.: Thomson, 2003. Lic. Ausberto R. Saldaña. FISICA II. Segunda Edición. Editorial San Marcos 1994. LEA Y BURQUE, " physics: The Nature of Things", Brooks/ Cole 1997 Guía de Laboratorio. FISICA II Calor Especifico De Sólidos Experiencia Nº 8 Fusión y Solidificación 16