Determinación del calor de fusión del hielo

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Universidad de Chile

 Facultad de Ciencias

 Departamento de Química

Pedagogía en Educación media en Biología y Química

Laboratorio n° 1

“Determinación de calor de fusión

 del hielo”

Autores:           Fernanda Aldea, fernanda.aldea@ug.uchile.cl

                          María José Villegas, maria.villegas@ug.uchile.cl

Coordinador:   Dr. Álvaro Aliaga Cerón

Ayudante:          Iván Garrido Sáez        

Fecha/ Hora:    07 de octubre, 2019, 12:00 p.m.

Lugar:           Laboratorios, Ñuñoa, Santiago de Chile.

Curso:           Fisicoquímica I, Segundo Semestre año 2019.

Resumen

En esta experiencia se logró determinar el calor de fusión del hielo utilizando un calorímetro (sistema compuesto por un vaso de aluminio con una masa determinada y agua con una masa inicial y temperatura; en un recipiente con tapa que actúa como aislante térmico) que previamente calibramos por medio de una solución de agua fría y caliente. Esta solución al mezclarse y llegar a un equilibrio térmico, nos permite calcular su capacidad calorífica (K) que es de 109,74 J/°C, para así utilizarla en la medición del calor de fusión del hielo. El calor de fusión lo determinaremos con un cubo de hielo seco (temperatura inicial de 0°C) y vertiendolo en el calorímetro con una solución de agua a una temperatura conocida. Cuando el hielo se derrita medimos la temperatura; la cual será la de equilibrio y la masa final del calorímetro con el agua y el hielo derretido. Finalmente con todos los datos obtenidos se obtuvo un valor de 263,655 J/g para el calor de fusión del hielo.

Introducción

En un sentido amplio, la calorimetría se desarrolló históricamente como una técnica destinada a fabricar aparatos y procedimientos que permitieran medir la cantidad de calor desprendida o absorbida en una reacción mecánica, eléctrica, química o de otra índole. Esta disciplina, encuadrada dentro de la termodinámica, se ha especializado sobre todo, con el paso del tiempo, en la determinación del calor específico de los cuerpos y los sistemas físicos. (Chang, R. & College, W. ,2002)

Como regla general, y salvo algunas excepciones puntuales, la temperatura de un cuerpo aumenta cuando se le aporta energía en forma de calor. El calor liberado en el proceso genera una transferencia de energía calórica, la cual es mediada con un calorímetro. (Chang, R. & College, W. ,2002) Si la reacción se genera a presión constante se define como entalpía y es calculado mediante la siguiente ecuación:

     (1)[pic 2]

Donde m es la masa de la sustancia [g], S es el calor específico [J/g°C] y T es la diferencia de la temperatura final menos la inicial [°C]. [pic 3]

De aquí se desprende la importancia de la energía para todos los procesos físico-químicos, la cual puede ser determinada a partir otra relación matemática: El calor de fusión o entalpía de fusión, la cual se define como la cantidad de energía (calor) que se necesita aportar a un mol del elemento para que, a su temperatura de fusión, pase de la fase sólida a la líquida. Una sustancia experimenta un cambio de temperatura cuando absorbe o cede calor al ambiente que le rodea. Sin embargo, cuando una sustancia cambia de fase absorbe o cede calor sin que se produzca un cambio de temperatura. (DD Ebbing, SD Gammon. ,2010)

El calor Q que es necesario aportar para que una masa m de cierta sustancia cambie de fase es igual a:

          (2)[pic 4]

Donde m es la masa de la sustancia [g] y L el calor latente de la sustancia [J/Kg]

Una de las formas de determinar el calor latente de cambio de estado es por el método de las mezclas. Consiste en mezclar dos sustancias a diferentes temperaturas, de manera que una de ellas ceda calor a la otra y la temperatura del equilibrio final es tal que una de ellas al alcanzarla, realiza un cambio de estado. Una condición importante es que no haya pérdidas caloríficas con el medio. Para determinar el calor latente de fusión se utiliza un simple balance energético que conduce a:

          (3)[pic 5]

En este laboratorio mediremos la constante del calorímetro a partir de una soluciòn de agua fría y caliente a determinada temperaturas, para así determinar el calor de fusión del hielo.

Objetivos:

● Determinar la constante del calor metro por el método de las mezclas.

● Determinar el calor de fusión del hielo.

Materiales y Métodos

Para realizar este laboratorio se utilizaron los siguientes materiales:

• Calorímetro
• Balanza
• Termómetro Graduado en décimas
• Cronómetro
• Probeta 100 ml
• Vaso de Precipitado 250 ml
• Varilla de Agitación
• Agua Destilada
• Hielo (Agua sólida)

Procedimiento:

 1)    Determinación de la constante del calorímetro (K) :

• Colocar 30 ml de agua destilada en el calorímetro. Esperar el equilibrio térmico y registrar la temperatura.
• Luego, incorporar 30 ml más de agua destilada al calorímetro, pero con una temperatura mayor a la inicial, agitar y registrar la temperatura cada 30 segundos hasta llegar al equilibrio térmico.

2)   Determinación del calor de fusión del hielo:

• Colocar 50 ml de agua destilada en el calorímetro y registrar su temperatura cuando alcance el equilibrio.
• Mazar en la balanza el calorímetro junto con el agua incorporada. Añadir un trozo de hielo seco al calorímetro con el agua agregada.
• Agitar y registrar la variación de temperatura cada 30 segundos, hasta alcanzar el equilibrio térmico.
• Finalmente, mazar nuevamente el sistema junto con el hielo agregado.

Resultados

1. Capacidad Calorífica del calorímetro (K)

Datos:

Tabla 1: Mediciones Experimentales.

Fuente: Elaboración propia.

En este experimento se midió la capacidad calorífica o constante K de un calorímetro (transferencia de energía) entre el agua a diferentes temperaturas; por lo que al mezclar el agua caliente con la fría, se genera un intercambio de energía en forma de calor; por lo que el agua caliente cede calor y el agua fría junto con el calorímetro absorben el calor. La temperatura más alta alcanzada en el calorímetro al mezclar los dos tipos de agua fue de 33,8°C.

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