Ental Pia

Entalpía De Vaporización Del Agua (Práctica 6) José Sebastián Ramírez Altamirano Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ciencias Departamento de Física, Laboratorio de Física Molecular 31 de diciembre de 2018 Resumen En la presente experimentación, se desea estudiar el comportamiento de una cantidad de agua cuando a esta se le añade calor. Por otro lado, se desea conocer el valor aproximado del calor latente de vaporización del agua. Mediante el calor transferido por un mechero de butano a un volumen inicial de agua de Vo = 100[ml], donde todo el calor añadido resultó en un aumento de temperatura. La sustancia se caliento hasta llegar al punto de ebullición. El cual fue a un tiempo de t = 7[min], con una temperatura aproximada de T = 90[◦ C]. A partir dicho punto, todo el calor añadido a la sustancia resulta en una ruptura de enlaces entre las moléculas alejandose al estado gaseoso. Y, por tanto, ocurre un cambio de fase del estado líquido al gaseoso. Finalmente, se añadió calor a la sustancia por un tiempo de 10[min] y el volumen final del agua resutó ser de V = 80[ml]. Para la determinación del calor latente de vaporización, se obtuvo un error relativo del 6,45 %. Esto fue a causa de que el termómetro se encontraba muy cercano del mechero. Por tanto, no se obtuvo las temperaturas deseadas según lo expuesto teóricamente. Además, el agua con la que se trabajó no era del todo pura. Por tanto ese es otro efecto que produce una incertidumbre en la experimentación.

Introducción Para la cantidad de sustancia se utilizará el material de fase superior. El cual hace referencia a la sustancia que posee mayor temperatura. Según lo expuesto. Se supone un sistema que contiene dos sustancias en equilibrio. Por ejemplo, hielo y agua. La cantidad de material de fase superior es el agua con una masa mi . Si se añade calor al sistema, se tendrá una cierta cantidad de hielo derretido (a causa de la fusión del hielo) más la cantidad inicial de agua con una masa mf . Entonces, la cantidad de hielo derretido será ∆m = mf − mi . [1–3]

Al estudiar los métodos de transferencia de energía, el calor es el mayormente conocido. Si en este proceso las características físicas de la sustancia presentan un cambio de una forma a otra. Se dice que dicha sustancia presenta un cambio de fase. El cambio de fase en donde la sustancia cambia de estado líquido a gas se lo conoce como (ebullición). [1–3]. De este modo, suponiendo una sustancia conformada por agua a temperatura ambiente aproximadamente T = 27[◦ C]. Si se desea añadir calor a una sustancia, dicho calor resultará en un aumento de temperatura. Si se continúa añadiendo calor, la sustancia llegará a la temperatura de ebullición. Es decir, existe una ruptura de los enlaces de las moléculas en estado líquido. Tomando en cuenta que la temperatura de ebullición en la cuidad de Quito es de Tebu = 90[◦ C]. Finalmente, todo el calor añadido a la sustancia resultara en la ruptura de enlaces permitiendo que las moléculas se alejen al estado gaseoso manteniendo la temperatura de ebullición constante. [2, 3]

De este modo, se define el calor latente matemáticamente con la siguiente relación. L≡

Q ∆m

(1)

Donde: L = calor latente, Q = calor añadido o extraído al sistema y ∆m es la cantidad de masa superior. El calor latente o ”oculto” es la energía transferida por calor y su denominación es debido a que dicho calor no modifica la temperatura de la sustancia. [1–3]

Por otro lado, la relación 1 es equivalente a la Por otro lado, es conocido que, debido a la siguiente igualdad diversidad de sustancias, estas tendrán un distinto comportamiento a la agregación o eliminaQ = ∆m L (2) ción de energía. Además, dependerá también de la cantidad de la sustancia para el requerimiento de Tomando en cuenta que esta ecuación es válida energía transferida durante el cambio de fase. [1–3] para sustancias puras que experimentan cambios 1

de fase. Además, se denomina calor latente de fu- Experimento sión Lf si el cambio de fase que experimenta la Se usaron los siguientes objetos de experimensustancia es de sólido a líquido. Por otro lado, se tación: denomina calor latente de vaporización Lv si existe un cambio de fase de líquido a gas. [1–3] Por otro lado, la entalpía de vaporización se define como la energía que hay que añadir a una sustancia para que ocurra un cambio de fase. Si el cambio de fase ocurre del estado líquido a gas, debido a la ruptura de enlaces, la sustancia requiere una mayor cantidad de calor en comparación del calor requerido para aumentar la temperatura de dicha sustancia. [1–3] Por otro lado, si la transferencia de calor se realiza utilizando un mechero de butano para de esta forma provocar el cambio de fase. El calor añadido al sistema para aumentar la temperatura, dependerá de la potencia del mechero. La cual está dada por la siguiente expresión. [1–3]

P =

∆Q ∆t

(3)

Figura 1: (1) Soporte para tubos de vidrio ;(2) Donde: P = potencia del mechero, Q = calor Termómetro de alcohol, −10[◦ C] − +110[◦ C] transferido hacia la sustancia líquida, t = tiempo ;(3) Varilla soporte (600[mm]) ;(4)Nuez domedido en minutos. ble ;(5) Tríode variable ;(6) Mechero con gas de butano;(7) Rejilla con porcelana;(8)5 MaPor otro lado, el calor añadido a la sustancia traz Erlenmeyer (400[ml]);(9) Varilla soporte para elevar la temperatura, cuando la temperatu- (250[mm]);(10) Aro con nuez; (11) Probeta grara es menor a la de ebullición esta dado por la duada (100[ml]) (12) Recipiente para agua. ; (13) siguiente expresión [3]. Fosforera. Q = C∆T

(4)

Q = mc(T − T o)

(5)

Para realizar el experimento se procedió a insSiendo: C la capacidad calorífica del agua y ∆T talar todos los implementos de la forma indicada es el cambio de temperatura experimentado por en la figura. Seguidamente se procedió a tomar la inicial del sistema con un valor de la sustancia. La expresión 4 es equivalente a la si- temperatura ◦ C] y el volumen inicial del agua en el T = 21[ 0 guiente [3]. matraz Erlenmeyer de V0 = 100[ml]. Seguidamente se inició el cronometro, se encendió el mechero de butano a la llama más alta y en intervalos de 1[min] se apuntaban las mediciones de la temperatura. Después, se tomó el tiempo en el cual el agua alcanzó el punto de ebullición, siendo aproximadamente fue de t = 7[min].

Donde: m = masa de la sustancia, c =capacidad específica de la sustancia, T0 = temperatura inicial de la sustancia, T = temperatura final del sistema. Por otro lado, el valor de la entalpía de la sustancia esta dado por la siguiente expresión. [1–3]

∆Hv = P ∗ ts Donde ts es tiempo de ebullición del agua.

Finalmente, se esperó diez minutos más con el objetivo de determinar cuanta cantidad de agua (6) disminuía en el cambio de estado de líquido a gas que experimentó el agua. Obteniéndose los siguientes resultados experimentales. 2

V1 = 100[cm3 ] V2 = 80[cm3 ] ebullición. Es decir, en un intervalo de 7[min]. Se t1 = 7[min] t2 = 17[min] muestra en la siguiente tabla t[min] T [◦ C] 0 21 V1 = 100[cm3 ] V2 = 80[cm3 ] 1 23 t1 = 7[min] t2 = 17[min] 2 30 t[min] T [◦ C] Q[J] 3 41 0 21 0 4 58 1 23 835.756 5 68 2 30 3760.904 6 79 3 41 8357.567 7 90 4 58 15461.498 Cuadro 1: Temperatura del agua en función del 5 68 19640.28 tiempo, hasta que el agua llega a la temperatura ◦ 6 79 24236.94 de 90[ C]. La cual es aproximadamente el punto 7 90 28833.60 de ebullición Cuadro 2: Calor añadido al agua en intervalos de 1[min]

Resultados y Discución Para la determinación del calor añadido en De la experimentación, se obtuvieron los resulcada intervalo de tiempo, se utilizo la ecuación 5 tados mostrados en la tabla 2. Para la posterior con: T0 = 21[◦ C], m = ρ ∗ V 1 , V = 1 ∗ 10−4 [m3 ]. interpretación del incremento de la temperatura Teniendo en cuenta que en este caso el volumen de la sustancia se tiene la siguiente gráfica. del agua no disminuye debido a que todavía no existe ruptura de enlaces del agua. Para el posterior análisis del calor añadido al agua se presenta la siguiente gráfica.

Figura 2: Incremento de la temperatura en función del tiempo en intervalos de 1[min]. La figura 2 muestra que en un intervalo de 7[min] la adicción de calor al agua resulta en un cambio de temperatura. Después de este tiempo se puede visualizar en la gráfica, que la temperatura permanece constante. Es decir, que la sustancia llega al punto de ebullición con una temperatura aproximadamente de 90[◦ C] en un tiempo aproximado de 7[min]. Inmediantamente despues de este tiempo la adicción de calor mediante el mechero de butano resulta en una ruptura de enlaces. Lo que confirma lo expuesto teóricamente.

Figura 3: Incremento de calor en función del tiempo en intervalos de 1[min]. Ajuste de regresión.

La gráfica 3 muestra que el calor añadido al agua es cada vez mayor mientras transcurre el tiempo. Del análisis de regresión lineal realizado con el programa computacional excel presenta un valor de R = 0,9774, el cual muestra que en general al aumento de calor es proporcional en cada intervalo de tiempo. Además, indica que se añade Para el análisis de la cantidad de calor añadido a la sustancia 4447,4[J] de calor por cada minuto. al sistema antes de que el agua llegue al punto de Y esto coincide con la potencia aproximada del 1

Donde: ρ = Densidad del agua 997

Kg [3]. V = volumen inicial del agua medido en [m3 ] m3

3

mechero mostrada en la ecuación 3.

Conclusiones

Con la ayuda de la ecuación 6. Con ts = 17 − 7[min], Se tiene que el valor de la entalpía de vaporización tiene un valor aproximado de ∆H = 44474[J].Por otro lado, utilizando la ecuación 1 con Q = ∆H, ∆m = 0,0099828 − 0,078878[Kg]. Se tiene un valor aproximado del calor latente de J vaporización de Lexp = 2122911,79[ ]. TomanKg do como referencia al valor real del calor latente de J ] [3]. vaporización del agua Lreal = 2,26 ∗ 106 [ Kg El error relativo se determina mediante la siguiente expresión.

En la experimentación, se demostró que al calentar el agua que se encontraba a temperatura ambiente. El calor añadido resulta en un aumento aproximadamente proporcional de la temperatura dicha sustancia. Sin embargo, el mechero se encontraba a una distancia no muy lejana del termómetro. Entonces, esto produjo temperaturas no esperadas. Ya que El termómetro media la temperatura del agua más la del mechero.

Er =

Además, debido a que el agua usada en la experimentación no era pura. Las bacterias de la sustancia también poseen una capacidad calorífica. Y por tanto, este hecho influirá en el incremento de la temperatura de dicha sustancia. Por tanto, debido a estos factores, en la determinación del valor aproximado de calor latente del agua se obutuvo un error relativo del 6,45 %. Finalmente se determinó que la sustancia requiere una mayor cantidad de calor para cambiar de estado comparando con el calor requerido para aumentar la temperatura de dicha sustancia.

|Lexp − Lreal | ∗ 100 % Lexp Er = 6,45 %

El error obtenido, es debido a que el agua utilizada no era purificada. Por tanto, las bacterias que posee el líquido también tienen su propio calor latente. Además, el termómetro se encontraba a una distancia cercana del mechero. Entonces, esta medía la temperatura del agua y el calor transferido por el mechero. Entonces, la temperatura iba a variar de forma no esperada cuando se añadía calor al agua.

Referencias [1] Sears-Zemansky-Youg-Freedman, Física Universitaria, Ed. Pearson Addison- Wesley, 12◦ ed., México , 2009. [2] Kikoin, Física Molecular, Editorial MIR, URSS , 1985 [3] Raymond A. Serway, 2005, sexta edición, Física, Ed PEARSON, México [4] Raymond Chang, Química. Editorial McGraw-Hill, México, 2002.

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