La transición de fases del agua

Se determinó la transición de fases del agua, pasando del estado sólido hasta la fase gaseosa, para ello se obtuvo un calor suministrado total de 693.2 kJ. También se determinó la entalpia de fusión del hielo por 2 métodos utilizando mezclas de agua en un calorímetro, obteniendo como resultado para el método 1 -0.852 J/kg y para el método 2 105.65 J/kg.

PALABRAS CLAVE: Cambio de fase, entalpía, calor latente.

OBJETIVOS

Definir el calor latente correspondiente a cada cambio de fase.

Determinar el calor latente de fusión o la entalpía de fusión del hielo utilizando el método calorimétrico de las mezclas.

MARCO TEÓRICO

El calor latente es aquel que no aumenta la temperatura del cuerpo sino que se da un cambio de fases. Cuando el cambio es de sólido - liquido se denomina calor latente de fusión (Lf) y cuando el cambio de estado es líquido – gas, calor latente de vaporización (Lv).1

La temperatura de fusión de un compuesto es la temperatura a la cual el compuesto que se encuentra en estado sólido empieza a cambiar a un estado líquido, y la temperatura de vaporización es aquella en la que el compuesto cambia de estado líquido a gaseoso.

Para determinar Lf el método más utilizado es el de las mezclas, consiste en colocar una determinada cantidad de agua en un vaso calorímetro y se observa el cambio de temperatura cuando a esta se le añade un pedazo de hielo. Si es M la masa inicial del agua a una temperatura Celsius θ y m la masa del hielo añadida a una temperatura de 0°C, y si es θ’ la temperatura final del sistema una vez que haya fundido todo el hielo se establece el siguiente balance:

Siendo k el equivalente en agua del calorímetro, c el calor especifico del agua y ∆Q perdidas caloríficas, entonces el calor latente esta dado por la siguiente expresión:2

Otro método que se puede utilizar para la determinación de la entalpia de fusión Se llena un termo con hielo y se cierra. A través del tapón se pasa un largo tubo de vidrio de pequeña sección S y dos cables que conectan con una resistencia por la que circula una corriente eléctrica que calienta el hielo para convertirlo en agua a 0ºC.

Se añade agua a través del tubo para rellenar la botella y propio el tubo.

En la parte izquierda de la figura, se muestra la situación inicial. En la parte derecha, la situación al cabo de un cierto tiempo t después de conectar la resistencia a una batería.

La resistencia eléctrica calienta el hielo, se funde y el volumen del sistema disminuye, como consecuencia, pasa agua del tubo de vidrio al termo. Medimos la variación de altura del agua en el tubo vertical graduado.

El experimento consiste en medir la energía necesaria para reducir el volumen del sistema en una determinada cantidad a temperatura constante y a presión constante. Luego con la siguiente formula se determina el Lf.

Donde S es el diámetro del tubo, ∆h es la diferencia de alturas, Q el calor suministrado por la resistencia, ρ_(a ) y ρ_h son las densidades del agua y del hielo respectivamente.5

Cuando un sistema está formado por una fase liquida y otra gaseosa, cuando se encuentran en equilibrio, se utiliza una ecuación que se aplica a todos los equilibrios de fase y es la ecuación Clapeyron. Cuando se trabaja a unas condiciones en particular, la ecuación de Clapeyron cambia a la ecuación de Clausius – Clapeyron:

Donde R es la constante de los gases, T la temperatura absoluta del sistema, P la presión de vapor y ∆Hv calor de vaporización molar de la sustancia. Presión de vapor es la presión ejercida por el vapor saturado que está en equilibrio con el líquido a una temperatura dada; su valor depende de la naturaleza del líquido y la temperatura (a medida que aumenta la temperatura, aumenta la presión de vapor). Entalpía de vaporización es la energía que hay que comunicar a las moléculas de la fase líquida para que pasen a la fase gas. Si suponemos que ∆Hv es constante la ecuación x da como resultado:

Si, efectivamente, ∆Hv fuera constante, la representación gráfica de lnP frente a 1/T debería ser una línea recta con pendiente ∆Hv/R. En ese caso, determinando la pendiente se puede calcular ∆Hv Para construir la gráfica es necesario determinar la presión de vapor del líquido a diferentes temperaturas. Esto se puede hacer de forma sencilla realizando experimentos en los que el líquido se lleva a ebullición.3

Los diagramas de fase es un mapa que muestra que fase es la más estable a diferentes presiones y temperaturas. La figura 1 muestra el diagrama de fases del agua:

Figura 1. Diagrama de fases del agua

En este diagrama se observa la región en el que el estado sólido (región marcada con “hielo”) es estable. De igual forma para las regiones indicadas como “liquido” y “vapor”. El punto triple es aquel en donde coexisten las tres fases de estado.4

PARTE EXPERIMENTAL

Materiales y equipos

Termómetro

Cronómetro

Mechero (2)

Vasos de precipitación (3)

Soporte Universal

Anillo metálico

Rejilla de alambre

Calorímetro

Espátula

Probeta

Balón 250mL

Sustancias y reactivos

Agua (H2O)

Hielo

Procedimiento

1ª parte: Transición de fases

Se peso una cantidad conocida de hielo picado en un balón con un termómetro. Se calentó el balón midiendo la temperatura cada dos minutos y se registro el momento en que se fundió todo el hielo y el tiempo en el que comenzó la evaporación del agua.

3.3.2 2ª parte: Calor latente de fusión del hielo

Método 1

Se puso una cantidad conocida de agua a temperatura ambiente en un calorímetro de unicel y hielo (aproximadamente dos o tres veces el volumen de agua). Se midió la temperatura inicial de la mezcla de hielo y agua y se registro la temperatura durante el experimento cada 3 minutos. Cuando la temperatura se hizo constante se vació inmediatamente el agua en la probeta, dejando el hielo en el calorímetro y se pesó.

Método 2

Se peso el calorímetro vacío y seco. Se puso en él una cantidad de agua (100 cm3) 10°C por encima de la temperatura ambiente, se cerró y pesó nuevamente. Se registro la temperatura inicial (cuando estuvo

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