1. Determinar el calor que hay que suministrar para convertir 20g de hielo a -12°C en vapor a 100°C. Los datos son los siguientes:
A. Calor específico del hielo ch=2090 J/(kg K)
B. Calor de fusión del hielo Lf=334·103 J/kg
C. Calor específico del agua c=4180 J/(kg K)
D. Calor de vaporización del agua Lv=2260·103 J/kg
Respuestas
Respuesta:
Sustancia
T fusión ºC
Lf ·103 (J/kg)
T ebullición ºC
Lv ·103 (J/kg)
Hielo (agua)
0
334
100
2260
Alcohol etílico
-114
105
78.3
846
Acetona
-94.3
96
56.2
524
Benceno
5.5
127
80.2
396
Aluminio
658.7
322-394
2300
9220
Estaño
231.9
59
2270
3020
Hierro
1530
293
3050
6300
Cobre
1083
214
2360
5410
Mercurio
-38.9
11.73
356.7
285
Plomo
327.3
22.5
1750
880
Potasio
64
60.8
760
2080
Sodio
98
113
883
4220
Fuente: Koshkin N. I., Shirkévich M. G.. Manual de Física elemental, Edt. Mir (1975) págs. 74-75.
Los cambios de estado se pueden explicar de forma cualitativa del siguiente modo:
En un sólido los átomos y moléculas ocupan las posiciones fijas de los nudos de una red cristalina. Un sólido tiene en ausencia de fuerzas externas un volumen fijo y una forma determinada.
Los átomos y moléculas vibran, alrededor de sus posiciones de equilibrio estable, cada vez con mayor amplitud a medida que se incrementa la temperatura. Llega un momento en el que vencen a las fuerzas de atracción que mantienen a los átomos en sus posiciones fijas y el sólido se convierte en líquido. Los átomos y moléculas siguen unidos por las fuerzas de atracción, pero pueden moverse unos respecto de los otros, lo que hace que los líquidos se adapten al recipiente que los contiene pero mantengan un volumen constante.
Cuando se incrementa aún más la temperatura, se vencen las fuerzas de atracción que mantienen unidos a los átomos y moléculas en el líquido. Las moléculas están alejadas unas de las otras, se pueden mover por todo el recipiente que las contiene y solamente interaccionan cuando están muy próximas entre sí, en el momento en el que chocan. Un gas adopta la forma del recipiente que lo contiene y tiende a ocupar todo el volumen disponible.
Un ejemplo clásico en el que se utilizan los conceptos de calor específico y calor latente es el siguiente:
Determinar el calor que hay que suministrar para convertir 1g de hielo a -20 ºC en vapor a 100ºC. Los datos son los siguientes:
Calor específico del hielo ch=2090 J/(kg K)
Calor de fusión del hielo Lf=334·103 J/kg
Calor específico del agua c=4180 J/(kg K)
Calor de vaporización del agua Lv=2260·103 J/kg
Etapas:
Se eleva la temperatura de 1g de hielo de -20ºC (253 K) a 0ºC (273 K)
Q1=0.001·2090·(273-253)=41.8 J
Se funde el hielo
Q2=0.001·334·103=334 J
Se eleva la temperatura del agua de 0º C (273 K) a 100 ºC (373 K)
Q3=0.001·4180·(373-273)=418 J
Se convierte 1 g de agua a 100ºC en vapor a la misma temperatura
Q4=0.001·2260·103=2260 J
El calor total Q=Q1+Q2+Q3+Q4=3053.8 J.
Si disponemos de una fuente de calor que suministra una energía a razón constante de q J/s podemos calcular la duración de cada una de las etapas
En la figura, que no se ha hecho a escala, se muestra cómo se va incrementando la temperatura a medida que se aporta calor al sistema. La vaporización del agua requiere de gran cantidad de calor como podemos observar en la gráfica y en los cálculos realizados en el ejemplo.
La figura de abajo, está hecha a escala con el programa Excel de Microsoft, tomando los datos de la tabla
Calor, Q Temperatura, T
0 -20
41.8 0
375.8 0
793.8 100
3053.8 100
Medida del calor latente 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.
En el estado inicial tenemos una masa M de hielo de densidad ρh=0.917 g/cm3 en un volumen V0.
M= ρh·V0
Al cabo de un cierto tiempo t, una masa Δm de hielo se ha convertido en agua de densidad ρa=1.0 g/cm3, El volumen V del sistema disminuye
La variación de volumen, en valor absoluto, es
Para fundir una masa Δm de hielo y convertirla en agua se necesita una cantidad de calor
Q=Lf·Δm
donde Lf es el calor latente de fusión
Al disminuir el volumen del sistema, el agua del tubo vertical entra en el termo, disminuyendo la altura en ΔV=SΔh
Podemos medir el calor Q que suministra la resistencia eléctrica en el tiempo t.
Q=i2·R·t
Medimos la variación de la altura Δh de agua en el tubo de vidrio vertical y despejamos el calor latente de fusión Lf
Explicación: SE QUE ES MUCHO PERO ESTOY SEGURA QUE TE SERVIRA