PRACTICA Nº 3

CALOR SENSIBLE Y CALOR LATENTE – CALORIMETRO

1. OBJETIVOS Aprender las relaciones fundamentales de la calorimetría con la termodinámica

y la termoquímica. Determinación de la capacidad calorífica de un sistema o constante del

calorímetro. Manejo del termostato y del calorímetro.

2. FUNDAMENTO TEORICO

CALOR SENSIBLE:

Calor sensible es aquel que recibe un cuerpo o un objeto y hace que aumente su temperatura sin afectar su estructura molecular y por lo tanto su estado. En general, se ha observado experimentalmente que la cantidad de calor necesaria para calentar o enfriar un cuerpo es directamente proporcional a la masa del cuerpo y a la diferencia de temperaturas. La constante de proporcionalidad recibe el nombre de calor específico.

El nombre proviene de la oposición a calor latente, que se refiere al calor "escondido", es decir que se suministra pero no "se nota" el efecto de aumento de temperatura, ya que por lo general la sustancia a la que se le aplica aumentará su temperatura en apenas un grado centígrado, como un cambio de fase de hielo a agua líquida y de ésta a vapor. El calor sensible sí se nota, puesto que aumenta la temperatura de la sustancia, haciendo que se perciba como "más caliente", o por el contrario, si se le resta calor, la percibimos como "más fría".

Para aumentar la temperatura de un cuerpo hace falta aplicarle una cierta cantidad de calor (energía). La cantidad de calor aplicada en relación con la diferencia de temperatura que se logre depende del calor específico del cuerpo, que es distinto para cada sustancia.

El calor sensible se puede calcular en algunos casos simples:

Si el proceso se efectúa a presión constante:

En donde H es la entalpía del sistema, m es la masa del cuerpo, es el calor específico a presión constante (definido como la cantidad de calor requerida para aumentar en un grado la temperatura de la unidad de masa de un cuerpo a presión

constante), es la temperatura final y es la temperatura inicial del cuerpo.

Si el proceso se efectúa a volumen constante:

En donde U representa la energía interna del sistema, n son las moles de la sustancia y

es el calor específico a volumen constante. Los valores de calor específico varían también con la temperatura ambiente y el estado físico de agregación de las sustancias.

CALOR LATENTE:

El calor latente es la energía requerida por una cantidad de sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización).Se debe tener en cuenta que esta energía en forma de calor se invierte para el cambio de fase y no para un aumento de la temperatura; por tanto al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se libera la misma cantidad de energía.

Antiguamente se usaba la expresión calor latente para referirse al calor de fusión o de vaporización. Latente en latín quiere decir escondido, y se llamaba así porque, al no notarse un cambio de temperatura mientras se produce el cambio de fase (a pesar de añadir calor), éste se quedaba escondido. La idea proviene de la época en la que se creía que el calor era una sustancia fluida denominada calórico. Por el contrario, el calor que se aplica cuando la sustancia no cambia de fase, aumenta la temperatura y se llama calor sensible.

Cuando se aplica calor al hielo, va ascendiendo su temperatura hasta que llega a 0 °C (temperatura de cambio de fase), a partir de entonces, aun cuando se le siga aplicando calor, la temperatura no cambia hasta que se haya fundido del todo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo.

Una vez fundido el hielo la temperatura volverá a subir hasta llegar a 100 °C; desde ese momento se mantendrá estable hasta que se evapore toda el agua.

Esta cualidad se utiliza en la cocina, en refrigeración, en bombas de calor y es el principio por el que el sudor enfría el cuerpo.

En el Sistema Internacional de Unidades (SI), se utiliza como unidad de energía el Joule (J), siendo la equivalencia: 1 caloría = 4,184 juliosPara evaluar la cantidad de energía calorífica absorbida o desprendida por un cuerpo o sustancia, por un cambio en su temperatura, vale decir el calor sensible, se parte de la siguiente relación:

Cp =dHdT (1)

Podemos derivar entonces la siguiente expresión para evaluar el calor sensible en líquidos y sólidos:

Q = m * cS * T (2)Donde:

Q = energía calorífica transferida (calorías)m = masa de la sustancia (gramos)

cS = calor específico de la sustancia (calorías/gramo °C)

T = variación de temperatura (°C).

En la ecuación (2) se pueden agrupar los 2 primeros términos del segundo miembro en uno solo, denominado capacidad calorífica C, o factor de capacidad, siendo T el factor de intensidad, de donde:

Q = C T (3)Cuando una sustancia sufre un cambio de estado físico o mejor un cambio de fase,

por ejemplo el agua, para pasar de liquido a vapor, absorbe un determinada cantidad de calor sin que se produzca una variación apreciable en la temperatura, Si la sustancia se condensa, entonces se elimina la misma cantidad de calor que absorbió al vaporizarse; este calor “oculto” o “escondido” es el llamado calor latente o también calor de transformación.

Para llevar a cabo mediciones experimentales de calores latentes, se suelen utilizar los instrumentos llamados calorímetros. Estos son instrumentos que sirven para la determinación experimental de los intercambios caloríficos. El calorímetro es un sistema aislado, de tal manera que no haya intercambio de calor con el medio ambiente. Se utilizan usualmente como calorímetro a los llamados vasos Dewar (frasco termo), que no cumplen exactamente con el requisito de no intercambiar calor con el medio ambiente. Un sistema calorimétrico que se emplea con mucha frecuencia en calorimetría es mostrado en la figura 7.1.

Si aplicamos la ecuación (3) para evaluar el calor absorbido o cedido por el sistema calorimétrico, tenemos que es necesario conocer el factor capacidad C. Este factor toma entonces el nombre de constante del sistema calorimétrico “K” y se expresa en unidades de calorías/°C o equivalente. Tendremos entonces el nombre de constante del sistema calorimetrico “K” y se expresa en unidades de calorías/°C. Tendremos entonces:

Q = K T (4)Esta ecuación es utilizada para evaluar el calor absorbido (o cedido) por el sistema

calorimétrico, que para simplificar diremos simplemente al realizar el balance energético: “calor ganado (o cedido) por el calorímetro”, y la constante “K” llamaremos simplemente “Constante del calorímetro”, aunque este valor expresa propiamente la capacidad calorífica del sistema calorimétrico.

“Equivalente en agua” del calorímetro que se define como la cantidad de agua requerida para absorber la misma cantidad de calor absorbida por el calorímetro y sus partes componentes, incluyendo el baño de agua.

3. MATERIALES Y REACTIVOS

CALORIMETRO:

VASOS DE PRECIPITADOS:

COCINILLA:

SOPORTE UNIVERSAL:

CRONOMETRO:

TROZOS DE HIELO:

4. EXPERIMENTO 1: DETERMINACION DE LA CONSTANTE DEL CALORIMETRO.

Si no se dispone de un vaso Dewar, puede utilizarse como calorímetro un vaso de precipitados de 250 ml, al que previamente hay que envolver con papel platinado (de ser posible agregar un papel toalla) y colocar sobre una placa aislante tecnopor) lejos de toda fuente de calor o frío.

1. Pesar 300 g de agua (300ml) y colocarlos en el vaso que servirá como calorímetro y anote la temperatura del agua en el calorímetro (T1).

2. Pesar 200 g de agua (200 ml) en otro vaso de precipitados y calentar esta agua hasta más o menos 45°C, espere a que la temperatura se estabilice y anote esta temperatura (T2).

3. Vierta el agua caliente del segundo vaso en el calorímetro y agitando el sistema; con el mismo termómetro registre la temperatura cada 10 segundos. Anote la temperatura máxima final Tf alcanzada en el calorímetro y continúe anotando la temperatura cada 10 segundos por 2 minutos más.

De ser posible utilice un termómetro exclusivamente para el calorímetro.

5. CALCULOS:

Realice los cálculos para encontrar la constante “K” del calorímetro.Cálculo del incremento de la temperatura por: T = Tf - T1.

Q1 = calor ganado por el agua en el calorímetro. = 100 T cal

Q2 = calor ganado por el calorímetro. = K T cal

Q3 = calor cedido por el agua (caliente) del segundo vaso. = 100 (T2 – Tf) cal.

Por el balance de energía calorífica de acuerdo con el 1er principio de la termodinámica:

Q3 = Q1 + Q2 (5)

Reemplazamos valores tendremos:

K =100 (T 2−T f−ΔT )

ΔT Calorías/°C

RESULTADOS:

T1: 17,23 ºC

T2: 65,5 ºC

Tf: 34,18 ºC

T = Tf - T1

T = 34,18 - 17,23 = 16.95

CONSTANTE DEL CALORIMETRO:

K =100 (T 2−T f−ΔT )

ΔT Calorías/°C

K = 84.778 Calorías/°C

CALOR GANADO POR EL AGUA EN EL CALORIMETRO:

Q1 = 100 T cal

Q1 = 1695 cal

CALOR GANADO POR EL CALORIMETRO:

Q2 = K T cal

Q2 = 1436.98 cal

CALOR CEDIDO POR EL AGUA (CALIENTE) DEL SEGUNDO VASO:

Q3 = 100 (T2 – Tf) cal

Q3 = 3132 cal

6. EXPERIMENTO 2:

CALOR LATENTE DE FUSION DEL HIELO

El calor latente de fusión de una sustancia o entalpía de fusión, a presión constante, se representa por el símbolo λf o ∆Hf.

Coloque 300 g (ml) de agua tibia (más o menos a 30°C) en el calorímetro, espere a que la temperatura se estabilice y anote esta temperatura (Ti).

Inmediatamente seque con papel de filtro un trozo de hielo y agréguelo al calorímetro. Son 192 gr de hielo A partir de este momento anote la temperatura cada 10 segundos. Continúe registrando la temperatura cada 10 segundos hasta que todo el hielo se haya fundido. Anote la mínima temperatura alcanzada por el sistema (Tf). Durante el registro de la temperatura, agite suavemente el sistema con el mismo termómetro para uniformizar la temperatura.

Continúe registrando la temperatura cada 10 segundos después que todo el hielo se haya fundido por espacio de 2 minutos más.

Vierta toda el agua del calorímetro en una probeta graduada y anote el aumento en el volumen de agua con respecto a los 150 ml iníciales. Esta diferencia corresponde a la masa de hielo lo que se ha agregado (m gramos de hielo).

Realice los cálculos para encontrar el calor latente de fusión del hielo a la presión atmosférica reinante.

TIEMPO TEMPERATURAºC

0-1011

10-209,5

20-308,8

30-407,86

40-505,6

RESULTADOS:

VOLUMEN DEL AGUA Y EL HIELO FUNDIDO:

480 ml

TEMPERATURA APROXIMADA DE FUSION DEL AGUA:

0,1ºC

7. EXPERIMENTO 3:

CALOR LATENTE DE VAPORIZACION

Experimento 3: Calor latente de Vaporización del agua.

El calor latente de vaporización de una sustancia o entalpia de vaporización, a presión constante, se representa con el símbolo λv o ∆Hv.

Instale un aparato como el mostrado en la figura 1.2. Eche 350 ml de agua en el balón y coloque en las piedras de ebullición.

Coloque 350 g (ml) de agua en el calorímetro y anote la temperatura del agua una vez ésta se haya estabilizado (Ti).

Encienda el mechero y espere que el agua comience a hervir. Anote la temperatura del vapor de agua (asuma que el vapor es saturado).

En ese momento conecte el empalme de Jebe y sumerja el tubo de desprendimiento dentro del agua del calorímetro. Deje que el vapor fluya dentro del agua durante unos 5 minutos.

Registre la temperatura del agua en el calorímetro cada 30 segundos desde el momento en que se sumerge el tubo de desprendimiento del vapor, en el agua del calorímetro. Cumplidos los 5 minutos retire el tubo de desprendimiento del calorímetro y apague el mechero. Continúe registrando la temperatura del agua en el calorímetro por 2 minutos más. Anote la máxima temperatura alcanzada por el agua en el calorímetro (Tf).

Vierta toda el agua del calorímetro en una probeta graduada y anote el aumento en el volumen de agua con respecto a los 350 ml iníciales. Esta diferencia corresponde a la masa de vapor que se ha condensado (m gramos de vapor condensado).

Realice los cálculos para encontrar el calor latente de vaporización del agua a la presión atmosférica reinante.

COMPARACION DE LAS TEMPERATURAS DEL AGUA FRIA Y DEL AGUA HIRVIENDO CADA 30 SEGUNDOS.

TEMPERATURA AGUA HIRVIEND

O

TEMPERATURA

AGUA FRIA

97 17,5

97,7 20,3

98,05 25,63

97,5 30,4

98,2 34,5

98,33 36,75

98,05 41,3

98,5 45,2

98,33 47.21

98,52 49,79

98,38 51,09

98,42 55,45

98,43 58,46

98,44 59,51

98,68 60,62

98 62,13

98,31 65,05

98 67,77

98,13 67

98,08 70

RESULTADOS:

- Se inicio con 350 ml de agua y termino con 312 ml , se redujo la cantidad de agua por alguna fuga que hubo, o por el poco escape de vapor .

Figura 1.2. Esquema propuesto para el experimento 3

8. CUESTIONARIO:

8.2.- Encuentre los valores teóricos del calor latente de fusión del hielo y del calor latente de vaporización del agua, a la presión barométrica del laboratorio. Compare éstos, con sus valores experimentales. Establezca los porcentajes de error.

calor latente de fusión del hielo calor latente de vaporización del agua

137 gramos (vaso vacio)178 gramos (vaso con hielo)Probeta:masa (con agua fría): 382 gramos(180ml)t. de hielo: 0.5ºCt. agua fría: 23.62ºCt. de equilibrio: 6.93ºC

Q1 + Q2 = Q3 m ce hielo ΔT + m L = m1 ce agua ΔTQ1 = (41) (0.5) (6.93-0.5) = 131.815 calQ2 = (41) (L) = 41L calQ3 = (180) (1) (36 - 8.71) = 3004.2 cal

L = 70.05817073 Cal/g

matraz:Cantidad de agua inicial: 180ml(agua)t. inicial: 17.05ºCt. final: 24.60ºCt. de ebullición: 98.23ºCCantidad de agua final: 198mlmasa de vapor es: 198-180 = 18ml = 18grK = - 137.85cal/ºC

QPIERDE = QGANADO ^ Q3 = Q1 + Q2

(m3L) = (K ΔT1) + (m2 ce agua ΔT)………….(I)

Q3 = (18)(L) = 18 L calQ1 = (K)(24.60-17.05) = -1040.77cal Q2 = (180)(1)(98.23-17.05) = 14612.4calDe (I) obtenemos: L = 753.979cal/g

170.5 gramos (vaso con hielo)Probeta:masa (con agua caliente): 381gramos(180ml)t. agua caliente: 44.48ºCt. de hielo: 0.30ºCt. de equilibrio: 26.17ºC

Q1 + Q2 = Q3 m ce hielo ΔT + m L = m1 ce agua ΔTQ1 =(33.5)(0.5)(26.17-0.3)= 433.3225 calQ2 = (33.5) (L) = 33.5L calQ3 = (180) (1) (44.48-26.17) = 3295.8 cal

L = 85.44707463 Cal/g

matraz:Cantidad de agua inicial: 150ml(agua)t. inicial: 15ºCt. final: 31.51ºCt. de ebullición: 97.28ºCCantidad de agua final: 157mlmasa de vapor es: 157-150 = 7ml = 7grK = - 137.31cal/ºC

QPIERDE = QGANADO ^ Q3 = Q1 + Q2

(m3L) = (K ΔT1) + (m2 ce agua ΔT)………….(I)

Q3 = (7)(L) = 7L calQ1 = (K)(31.51-15) = -2266.99cal Q2 = (150)(1)(97.28-15) = 12342calDe (I) obtenemos: L = 1439.29cal/g

169.5 gramos (vaso con hielo)Probeta:masa (con agua fría): 412 gramos (180ml)t. agua fría: 22.36ºCt. de hielo: 0.45ºCt. de equilibrio: 10.58ºC

Q1 + Q2 = Q3 m ce hielo ΔT + m L = m1 ce agua ΔTQ1 =(32.5)(0.5)(10.58-0.45)=164.6125calQ2 = (32.5) (L) = 32.5L calQ3 = (180) (1) (22.36-10.58) = 2120.4 cal

L = 60.17807692 Cal/g

matraz:Cantidad de agua inicial: 180ml(agua)t. inicial: 15.08ºCt. final: 57.79ºCt. de ebullición: 97.81ºCCantidad de agua final: 187mlmasa de vapor es: 187-180 = 7ml = 7grK = - 63.11cal/ºC

QPIERDE = QGANADO ^ Q3 = Q1 + Q2

(m3L) = (K ΔT1) + (m2 ce agua ΔT)………….(I)

Q3 = (7)(L) = 7L calQ1 = (K)(57.79-15.08) = -2695.43cal Q2 = (180)(1)(97.81-15.08) = 14891.4calDe (I) obtenemos: L = 1742.28cal/g

8.3.- ¿Cuánta energía calorífica se debe suministrar a 120 g de hielo a -10 °C y 1 atm para convertirlos en valor de agua a 115 °C y 1 atm?

Datos:

m = 120 g.

ti = -10ºC

tf = 115ºC

p = 1 atm. = 1.013*105 Pa

Lf = 80 Cal/g

Lv = 540 Cal/g

ce = 0.5Cal/g ºC (hielo)

ce = 1 Cal/g ºC (agua)

Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5...…….. (1)

T (ºC)

115

100

0

Q1 = m ce ΔT……………….……..... (2)

Q2 = m Lf….………………………. (3)

Q3 = m ce ΔT………………….…… (4)

Q4 = m Lv………………….…...….. (5)

Q5 = m ce ΔT……………………..... (6)

Q1 = (120g) (0.5Cal/g ºC) (0ºC - (-10ºC)) = 600 Cal

Q2 = (120g) (80 Cal/g) = 9600 Cal

Q3 = (120g) (1 Cal/g ºC) (100 ºC - 0 ºC) = 12000 Cal

Q4 = (120g) (540Cal/g) = 64800 Cal

Q5 = (120g) (0.5 Cal/g ºC) (115 ºC - 100 ºC) = 900 Cal

De (1) obtenemos: 600 + 9600 + 12000 + 64800 + 900 = 87900cal

(Esto significa que ha ganado calor o energía calorífica)

8.4.- Se tienen 60 g de agua a 83 °C y 1 atm. ¿Qué cantidad de energía calorífica deberán desprender para congelar, transformándose en hielo cuya temperatura sea de -8 °C?

Datos:

ce = 0.5Cal/g ºC (hielo)

ce = 1 Cal/g ºC (agua)

m = 60 g.

ti = 83ºC

tf = -8ºC

p = 1 atm. = 1.013*105 Pa

Lf = 80 Cal/g

TIEMPO

-20

T (ºC)

83

Q = Q1 + Q2 + Q3…………....…….. (1)

Q1 = m ce ΔT……………….……..... (2)

Q2 = m ce ΔT……………….………. (3)

Q3 = m L……………………….…… (4)

Q1 = (60g) (1Cal/g ºC) (0ºC - (83ºC)) = - 4980 Cal

Q2 = (60g) (80 Cal/g) = 4800 Cal

Q3 = (60g) (0.5 Cal/g ºC) (- 8 ºC - 0 ºC) = - 240 Cal

De (1) obtenemos: - 420cal (el signo (-) significa que pierde calor)

9. CONCLUSIONES:

- La energía proporcionada por el calentador, mientras dura la fusión se emplea en romper las fuerzas de cohesión y transformar las moléculas con baja energía en la fase sólida en moléculas con alta energía en la fase líquida. Aunque no cambia la temperatura de las moléculas recién fundidas, su energía, en cambio, sí cambia ya que disponen ahora de mayor grado de libertad y, por tanto, mayor agitación.

- Hemos visto que si un cuerpo recibe energía calorífica experimenta un incremento de temperatura, que depende de la capacidad calorífica del cuerpo. Sin embargo, esto no ocurre cuando se produce un cambio de estado o cambio de fase.

TIEMPO

-8

0

- Calor sensible es aquel que recibe un cuerpo o un objeto y hace que aumente su temperatura sin afectar su estructura molecular y por lo tanto su estado.

- El calor latente es la energía requerida por una cantidad de sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización).

10. BIBLIOGRAFIA:

- Termodinámica, Yunus Cengel, editorial Mc Graw Hill, 6ta edición.

- Principios de termodinámica guía del alumno, Juan Manuel Campos Acosta.

- http://es.wikipedia.org/wiki/Calor_latente

- http://es.wikipedia.org/wiki/Calor_sensible