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LABORATORIO Nº 2

CAMBIOS DE FASE EN EL AGUA

RESUMEN

En la naturaleza, se puede encontrar a la materia en tres estados fundamentales:

sólido, líquido y gaseoso. El agua, es la sustancia que nos es más familiar, porque la podemos

observar en sus tres estados fundamentales, a temperaturas bajas encontramos el hielo, a

temperatura ambiente encontramos el agua líquida, y cuando hacemos hervir el agua

observamos el vapor de agua.

Dentro la termodinámica, es importante el estudio de los cambios de fases, ya que

viene íntimamente ligado con los conceptos de calor latente y calor sensible. Los cambios de

fase ocurren a temperatura constante, por lo cual, cuando se agrega calor y no aumenta la

temperatura, se llama calor latente, y cuando el calor varía y la temperatura también varía, se

llama calor sensible. En los primeros capítulos de la termodinámica, se nos presenta el

diagrama temperatura – calor, en el que se explican los cambios de fase y los conceptos de

calor latente y calor sensible. El objetivo fundamental de este laboratorio es comprobar la

validez de este diagrama mediante las mediciones experimental, y comprobar que los cambios

de fase son procesos a temperatura constante.

Durante la realización del laboratorio, se pudo observar que el proceso de evaporación

verdaderamente es un proceso a temperatura constante, pero en el proceso de fusión del hielo,

se observó que la temperatura al final del proceso fue de 38.7 ºC, sin embargo este hecho se

explica debido a la existencia de una única fuente de calor, colocada en la base del vaso de

precipitados, lo cual ocasionó que una vez que una parte del hielo se fundió, el hielo restante

se fue a la superficie del líquido por diferencia de densidades, y el agua que estaba en la base

se fue calentando, ocasionando la elevación de la temperatura.

Además se pudo comprobar experimentalmente, las gráficas de p-T, y T-s que se

encuentran en los textos de termodinámica. Mediante los diagramas de Sankei, se hizo una

explicación gráfica del principio de conservación de la energía, donde se pudo ver que la

energía no se pierde sino que se conserva.

Dentro de los resultados más importantes, se obtuvieron los siguientes resultados para

el calor:

En el proceso de fusión: Qc = 89870 ± 189.2 [J], Qabs = 67337.46 ± 60.06 [J]

En el proceso de calentamiento: Qc = 63192.8 ± 189.2 [J], Qabs = 27663.75 ± 56.72 [J]

En el proceso de evaporación: Qc = 175577.6 ± 189.2 [J], Qabs = 60682.5 ± 22.5 [J]

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En el cálculo de rendimientos, se obtuvo que el rendimiento en el proceso de fusión fue

de 74.93 ± 0.17%, el en proceso de calentamiento fue de 43.78 ± 0.16, y en el proceso de

vaporización fue de 34.56 ± 0.04. Tomando el promedio, el rendimiento fue de 51.09 ± 0.12.

Finalmente en el cálculo de las potencias, se obtuvo una potencia del mechero de

99.25 ± 0.21 [W] en el proceso de fusión, 101.97 ± 0.55 [W] en el proceso de calentamiento, y

de 97.42 ± 0.10 [W] en el proceso de vaporización, teniendo una potencia promedio del

mechero de 99.55 ± 0.29 [W].

1. INTRODUCCIÓN

El agua es la sustancia en la que estamos más familiarizados, porque la observamos en

sus tres estados: hielo, agua líquida, y vapor.

Se llama cambio de estados de una sustancia al paso de una fase a otra que coexiste con

la primera, en el caso de laboratorio, se quiere demostrar que agregando calor, se puede

propiciar el cambio de fase de estado sólido a estado líquido, llamado fusión, y de estado

líquido a estado gaseoso llamado vaporización.

Estos procesos tienen importantes aplicaciones en la termodinámica, como por ejemplo en

centrales térmicas de vapor, sistemas de vaporización y centrales termonuclares.

1.1. OBJETIVOS

- Consolidar los conceptos vinculados con los cambios de fase a través de la cuantificación

experimental del calor latente y el calor sensible, mediante el seguimiento experimental de

procesos de cambio de fase del agua a través de la medición de la temperatura, tiempo,

masa y parámetros de consumo energético.

1.2. FUNDAMENTO TEÓRICO

1.2.1. ESTADOS FUNDAMENTALES DE LA MATERIA.-

Los diferentes estados en que podemos encontrar la materia de este universo en el que

vivimos se denominan estados de agregación de la materia, porque son las distintas maneras

en que la materia se "agrega", distintas presentaciones de un conjunto de átomos. Los estados

de la materia son cinco:

1. Sólido

2. Líquido

3. Gaseoso

4. Plasma

5. Condensado de Bose-Einstein

Los tres primeros son de sobra conocidos por todos nosotros y los encontramos en

numerosas experiencias de nuestro día a día. El sólido lo experimentamos en los objetos que

utilizamos, el líquido en el agua que bebemos y el gas en el aire que respiramos.

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1.2.1.1. ESTADO SÓLIDO

Manteniendo constante la presión, a baja temperatura los cuerpos se presentan en

forma sólida tal que los átomos se encuentran entrelazados formando generalmente

estructuras cristalinas, lo que confiere al cuerpo la capacidad de soportar fuerzas sin

deformación aparente; son por tanto agregados generalmente rígidos, duros y resistentes.

También está la materia semisólida

También señalaremos que los sólidos presentan propiedades específicas:

Elasticidad: Un sólido recupera su forma original cuando es deformado. Un elástico o

un resorte son objetos en los que podemos observar esta propiedad. Estira un elástico y

observa lo que sucede.

Fragilidad: Un sólido puede romperse en muchos pedazos (quebradizo). En más de

una ocasión habrás quebrado un vaso de vidrio o un objeto de greda. Estos hechos

representan la fragilidad de un sólido.

Dureza: Un sólido es duro cuando no puede ser rayado por otro más blando. El

diamante de una joya valiosa o el utilizado para cortar vidrios presenta dicha propiedad.

1.2.1.2. ESTADO LÍQUIDO.-

Incrementando la temperatura el sólido se va descomponiendo hasta desaparecer la

estructura cristalina alcanzándose el estado líquido, cuya característica principal es la

capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene. En este caso, aún

existe una cierta ligazón entre los átomos del cuerpo, aunque de mucha menor intensidad que

en el caso de los sólidos.

1.2.1.3. ESTADO GASEOSO.-

Por último, incrementando aún más la temperatura se alcanza el estado gaseoso. Los

átomos o moléculas del gas se encuentran virtualmente libres de modo que son capaces de

ocupar todo el espacio del recipiente que lo contiene, aunque con mayor propiedad debería

decirse que se distribuye o reparte por todo el espacio disponible.

1.2.1.4. PLASMA.-

El plasma es un estado que nos rodea, aunque lo experimentamos de forma indirecta.

El plasma es un gas ionizado, esto quiere decir que es una especie de gas donde los átomos o

moléculas que lo componen han perdido parte de sus electrones o todos ellos. Así, el plasma

es un estado parecido al gas, pero compuesto por electrones, cationes (iones con carga

positiva) y neutrones. En muchos casos, el estado de plasma se genera por combustión.

El Sol situado en el centro de nuestro sistema solar está en estado de plasma, no es

sólido, y los conocidos tubos fluorescentes contienen plasma en su interior (vapor de mercurio).

Las luces de neón y las luces urbanas usan un principio similar. La ionosfera, que rodea la

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tierra a 70,80 km de la superficie terrestre, se encuentra también en estado de plasma. El

viento solar, responsable de las deliciosas auroras boreales, es un plasma también.

En realidad, el 99% de la material conocida del universo se encuentra en estado de

plasma. Aunque también es verdad que sólo conocemos el 10% de la material que compone el

universo. Esto significa que el escaso 10% de materia que hemos estudiado, el 99% es plasma,

o sea, casi todo es plasma en el universo.

1.2.1.5. CONDENSADO DE BOSE – EINSTEIN

Otro estado de la materia es el condensado de Bose-Einstein (CBE), predicho en 1924

por Satyendra Nath Bose y Albert Einstein, y obtenido en 1995. Este estado se consigue a

temperaturas cercanas al cero absoluto y se caracteriza porque los átomos se encuentran

todos en el mismo lugar, formando un superátomo.

Un ejemplo sería: Si sentáramos a cien personas en una misma silla, pero no una

encima de la otra, sino que ocupando el mismo espacio, estaríamos en presencia del

condensado de Bose -Einstein.

1.2.2. FASE Y CAMBIO DE FASE.-

Cuando una sustancia absorbe una cantidad dada de calor, la velocidad de sus

moléculas se incrementa y su temperatura se eleva. Sin embargo, ocurren ciertos fenómenos

curiosos cuando un sólido se funde o un líquido hierve. En estos casos la temperatura

permanece constante hasta que todo el sólido se funde o hasta que todo el líquido pase a fase

vapor.

Si cierta cantidad de hielo se toma de un congelador a -20º C y se calienta, su

temperatura se incrementa gradualmente hasta que el hielo comience a fundirse a 0º C ;

durante el proceso de fusión permanece constante, hasta que todo el hielo pase a agua.

Una vez que el hielo se funde la temperatura comienza a elevarse otra vez con una

velocidad uniforme hasta que el agua empiece a hervir a 100º C, durante el proceso de

vaporización la temperatura permanece constante, si el vapor de agua se almacena y se

continúa el calentamiento hasta que toda el agua se evapore de nuevo la temperatura

comenzará a elevarse.

Se denomina cambios de fase a variaciones bruscas en alguna propiedad de un

material que ocurran a una temperatura bien definida. El ejemplo más usual de cambios de

fase es el paso de un material entre sus estados sólido, líquido y gaseoso. Otros ejemplos de

cambios de fase son el paso de una estructura cristalina a otra en hielo a distintas presiones, la

propiedad magnética adquirida o perdida por algunos materiales a ciertas temperaturas, y la

pérdida de la resistencia eléctrica a muy bajas temperaturas (superconductividad) en el caso de

algunos materiales.

Para el caso de los cambios de estado sólido, líquido y gaseoso en un material, la

temperatura a que ocurre el cambio depende de la presión a que esté sometido el material. Por

ejemplo, el agua pasa de estado líquido a gaseoso (hierve) a más de 100ºC si la presión es

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mayor que la atmosférica, y a menos de esa temperatura si la presión es menor que la

atmosférica. Tal vez sorprenda enterarse que en las chimeneas submarinas la mezcla agua

líquida/vapor de agua emana a más de 300ºC. Pero la temperatura del agua que sale no es

sorprendente si se razona que a algunos kilómetros de profundidad la presión del agua es del

orden de varios cientos de atmósferas, así que el agua hierve a temperaturas bastante por

arriba de 100ºC.

Usualmente se llama "fusión" al paso de un material de fase sólida a líquida (y

"solidificación" al paso contrario), y "vaporización" al paso de fase líquida a la gaseosa (y

"licuación" al paso contrario). A presiones relativamente bajas es posible pasar directamente un

cuerpo de fase sólida a la gaseosa, sin pasar por la fase líquida. Este proceso es llamado

"sublimación".

1.2.3. CAPACIDAD CALORÍFICA.-

La capacidad calorífica (C) de una sustancia es la cantidad de energía necesaria para

aumentar 1 ºC su temperatura. Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia

para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse

como un efecto de inercia térmica. Está dada por la ecuación:

(1.1)

Donde C es la capacidad calorífica, Q el calor, y ΔT la variación de la temperatura.

La capacidad calorífica (C) depende de la cantidad de sustancia. De aquí es fácil inferir

que aumentando la masa de una sustancia, se aumenta su capacidad calorífica, y con ello

aumenta la dificultad de la sustancia para variar su temperatura. Un ejemplo de esto se puede

apreciar en las ciudades costeras donde el mar actúa como un gran termostato regulando las

variaciones de temperatura.

1.2.4. CALOR ESPECÍFICO.-

El calor específico o capacidad calorífica específica, c, de una sustancia es la cantidad

de calor necesaria para aumentar su temperatura en una unidad por unidad de masa, sin

cambio de estado. Matemáticamente esta definida por la ecuación

(1.2)

En donde c es el calor específico, Q es la cantidad de calor, m la masa y ΔT la

diferencia entre las temperaturas inicial y final.

Su unidad en el sistema SI es el julio por kilogramo y kelvin, cuya notación es J/(kg·K).

También se usa bastante la unidad del sistema técnico, la kilocaloría por kilogramo y grado

celsius y su notación es: kcal/kgºC.

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Relacionando el calor específico con la capacidad calorífica se tiene:

(1.3)

1.2.5. CALOR SENSIBLE.-

Se denomina calor sensible al que aplicado a una sustancia hace subir su temperatura.

El calor sensible ocurre cuando no existen cambios de estado. Matemáticamente, el calor

sensible se calcula despejando el término Q de la ecuación del calor específico, es decir:

(1.4)

Es importante señalar, que en el caso de los gases la capacidad calorífica, deberá

buscarse en tablas, de acuerdo si el proceso ocurre a volumen constante o a presión

constante. Igualmente en el cálculo, se debe tomar en cuenta, que generalmente el valor de la

capacidad calorífica, varía de acuerdo al estado en que se encuentre la sustancia, por ejemplo

en el agua, es distinta la capacidad calorífica del hielo, que la capacidad calorífica del agua

líquido, y mucho más con relación al vapor.

1.2.6. CALOR LATENTE

Calor latente o calor de cambio de estado, es la energía absorbida por las sustancias al

cambiar de estado, de sólido a líquido (calor latente de fusión) o de líquido a gaseoso (calor

latente de vaporización). Al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se devuelve la

misma cantidad de energía.

Latente en latín quiere decir escondido, y se llama así porque, al no cambiar la

temperatura durante el cambio de estado, a pesar de añadir calor, éste se quedaba escondido.

La ecuación que permite calcular el calor latente es:

(1.5)

Donde la constante lamba puede ser:

λf para el calor latente de fusión

λe para el calor latente de evaporación

λs para el calor latente de sublimación

Calor latente de algunas sustancias: El agua tiene calor latente de vaporización más

alto ya que, para romper los puentes de hidrógeno que enlazan las moléculas, es necesario

suministrar mucha energía y el segundo más alto de fusión. Y el amoniaco al revés.

Agua: de fusión: 335 J/g (80 cal/g); de vaporización: 2260 J/g (540 cal/g).

Amoníaco: de fusión: 180 cal/gramo; de vaporización: 1369 J/g (327 cal/g).

1.2.7. COMBUSTIBLES.-

Un combustible es cualquier sustancia que causa una reacción con el oxígeno de forma

violenta, con producción de calor, llamas y gases. Supone la liberación de una energía de su

forma potencial a una forma utilizable (por ser una reacción química, se conoce como energía

química). En general se trata de algo susceptible de quemarse.

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Hay varios tipos de combustibles. Entre los combustibles sólidos se incluyen el carbón,

la madera y la turba. El carbón se quema en calderas para calentar agua que puede

vaporizarse para mover máquinas a vapor o directamente para producir calor utilizable en usos

térmicos (calefacción). La turba y la madera se utilizan principalmente para la calefacción

doméstica e industrial, aunque la turba se ha utilizado para la generación de energía y las

locomotoras que utilizaban madera como combustible eran comunes en el pasado.

Entre los combustibles fluidos, se encuentran los líquidos como el gasóleo, el

queroseno o la gasolina (o nafta) y los gaseosos, como el gas natural o los gases licuados de

petróleo (GLP), representados por el propano y el butano. Las gasolinas, gasóleos y hasta los

gases, se utilizan para motores de combustión interna.

1.2.8. PODER CALORÍFICO DE LOS COMBUSTIBLES (HU)

El poder calorífico es la cantidad de energía que la unidad de masa de materia puede

desprender al producirse una reacción química de oxidación. El poder calorífico expresa la

energía máxima que puede liberar la reacción química total entre un combustible y el

comburente y es igual a la energía que mantenía unidos los átomos en las moléculas de

combustible, menos la energía utilizada en la formación de nuevas moléculas en las materias

(generalmente gases) formadas en la combustión. La magnitud del poder calorífico puede

variar según como se mida. Según la forma de medir se utiliza la expresión Poder calorífico

superior (abreviadamente, PCS) y Poder calorífico inferior (abreviadamente, PCI).

La mayoría de los combustibles usuales son hidrocarburos, compuestos de carbono e

hidrógeno, que al arder se combinan con el oxígeno formando dióxido de carbono (CO2) y

agua (H2O) respectivamente. Cuando se investigó científicamente el proceso de la combustión,

se consideró que para el buen funcionamiento de las calderas donde se producía, era

necesario que los gases quemados salieran por el conducto de humos a una cierta temperatura

mínima para producir el escape sin problemas. Esta temperatura está por encima de los 100

ºC, por lo que el agua producida no se condensa, y se pierde el calor de cambio de estado, que

en el agua se estima en 2261 kilojulios (540 kilocalorías) por kilogramo de agua, por lo que

hubo necesidad de definir el poder calorífico inferior, para que las calderas tuvieran,

aparentemente, unos rendimientos más alentadores.

Por ello se usó la denominación Poder Calorífico Inferior para el calor producido sin

aprovechar la energía de la condensación del agua, y Poder Calorífico Superior a la energía

una vez aprovechado el calor de la condensación.

Combustible HUs(MJ/Kg) HUi(MJ/Kg)

Gasolina 47.5 44

Kerosene 46 42.5

Diesel 46.7 42.5

Fuel-Oil 45 41.7

Alcohol Etíl. 28 25.32

Alcohol Metil 21.42 18.92

TABLA 1.1. Poder calorífico superior e inferior de combustibles líquidos

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Usando estos valores, se puede calcular el calor producido por la quema de una cierta

masa de combustible a partir de la ecuación:

(1.6)

Donde: Qc es la cantidad de calor que genera el combustible al quemarse [J]

mc es la masa del combustible [Kg]

HU es el poder calorífico del combustible [J/Kg] , [MJ/Kg]

1.2.9. DIAGRAMA P- V- T

El diagrama PVT es la representación en el espacio tridimensional Presión - Volumen

específico - Temperatura de los estados posibles de un compuesto químico. Estos estados

configuran en el espacio PVT una superficie discontinua, debiéndose las discontinuidades a los

cambios de estado que sufre el compuesto al variarse las condiciones de presión y

temperatura, que son las variables que suelen adoptarse como independientes en los estudios

y cálculos termodinámicos, principalmente por la relativa sencillez de su medida.

Las superficies delimitan las zonas de existencia de la fase sólida, la fase líquida y la fase

gaseosa.Nótese que para una fase dada P, V y T están relacionados por la ecuación de estado

(tal como la ecuación de los gases perfectos o la ley de deformación elástica para los sólidos).

Existe un cuarto parámetro, n, la cantidad de sustancia, responsable de que no existan zonas

prohibidas en el diagrama variando simultáneamente P, V y T

FIG 1.1 Diagrama P-V-T para el agua

1.2.10. TERMÓMETROS.-

Los termómetros son instrumentos que permiten calcular la temperatura. Se pueden clasificar

de la siguiente forma:

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a) De acuerdo al líquido termométrico.- Se pueden clasificar en:

- Termómetros de mercurio.- Generalmente miden temperatura entre 0º y 100 ºC

Fig 1.2. Termómetro de Mercurio

- Termómetro de Alcohol

Fig 1.3. Termómetro de Alcohol

Otros líquido termométricos también son el galio, pentanio, etanol, tolueno, etc.

b) De acuerdo a si miden temperaturas máximas o mínimas.

- Termómetro de Máxima.- Es un termómetro de mercurio de tubo acodad, lleva dentro un

índice de hierro esmaltado. Cuando aumenta la temperatura, el mercurio al dilatarse empuja el

índice y cuando desciendo el mercurio, por no tener adherencia con el hierro no lo arrastra, por

lo tanto, el índice del hierro permanece en su sitio, señalando la temperatura máxima en un

tiempo determinado. Para que el índice vuelva a la superficie del cuerpo se emplea un imán

- Termómetro de Mínima.- Es un termómetro de alcohol, también de tubo acodado que lleva

un índice de hierro esmaltado. Cuando baja la temperatura, el índice de hierro es arrastrado por

éste, y cuando sube, permanece en su lugar, ya que el alcohol al dilatarse pasar por el espacio

libre entre el tubo y el indice sin moverlo. La temperatura mínima registrada por el termómetro

se lee en el extremo más cercano del depósito de alcohol

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Fig 1.4. Termómetro de máxima y mínima

c) De acuerdo a su exactitud.- Según este criterio se clasifican en:

- Termómetros patrón.- Son los que sirven para calibrar otros termómetros

- Termómetros de trabajo

d) De acuerdo a la propiedad que usan para medir la temperatura.- Se clasifican en:

- Termómetros que usan un líquido termométrico.- Por ejemplo, los termómetros de mercurio y

alcohol anteriormente mencionados.-

- Termómetros de resistencia.- Termómetro de resistencia: consiste en un alambre de platino

cuya resistencia eléctrica cambia cuando cambia la temperatura.

- Termopares.- Un termopar es un dispositivo utilizado para medir temperaturas basado en la

fuerza electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales distintos.

Fig 1.5. Termopares

- Termómetros ópticos.- Son aquellos que miden la temperatura, generalmente mediante el uso

de rayos infrarrojos.

Fig 1.6. Termómetro Óptico

e) De acuerdo al rango de temperatura.-

- Termómetros de baja temperatura.- Son aquellos cuyo rango de medición es muy bajo, como

los termómetros de mercurio y alcohol

- Termómetros de altas temperaturas.- Para la medición de temperaturas altas, se utilizan los

termómetros de resistencia, los termopares y los pirómetros

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Fig 1.7. Pirómetro

f) De acuerdo a su uso.- Se pueden clasificar, por ejemplo en:

- Termómetros clínicos.- Son aquellos que se utilizan en la medicina, para medir temperatura

del cuerpo humano. Generalmente se encuentran dentro de los termómetros clínicos, los

termómetros de mercurio

- Termómetros de laboratorio.- Son aquellos como los de mercurio, pero de más alto rango,

termómetros digitales, termómetros de penetración, etc.

- Termómetros industriales.- Son aquellos que se utilizan en la industria, generalmente para la

medición de altas temperaturas, como los termopares, pirómetros, etc.

2.- METODOLOGÍA

2.1.- EQUIPO, MATERIAL, INSTRUMENTOS Y HERRAMIENTAS

- Termómetro de penetración

- Vaso de precipitado

- Vidrio de reloj

- Mechero

- Pedestal

- Mesón de trabajo

- Balanza electrónica

- Copa plástica

- Alcohol

- 0,5 Kg. de hielo

- Cronómetro digital

Las fichas técnicas de los equipos utilizados son:

a) Equipo: Balanza

Industria: USA

Marca: Ohaus

Color: Marfil

Unidad: Gramos

Alcance Mínimo: 0,00 [g]

Alcance Máximo: 69,20 [g]

Capacidad: 69,20 [g]

Sensibilidad: 0.01 [g]

Incertidumbre de Escala: ± 0.01 [g]

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b) Equipo: Termómetro

Marca: Testor 905-T1

Color: Negro

Unidad: ºC,ºF

Alcance Mínimo: -50ºC, -58ºC

Alcance Máximo: 350ºC, 660 ºF

Capacidad: 400 ºC , 718 ºF

Sensiblidad: 0.1 ºC, 0.1 ºF

Incertidumbre de Escala: ± 0.1ºC, ±0.1ºF

c) Equipo: Cronómetro

Industria: Japón

Marca: Q&Q

Color: Plomo

Unidad: Min/seg/cseg

Alcance Mínimo: 00/00/00

Alcance Máximo: 99/59/99

Capacidad: 99/59/99

Sensibilidad: 1 cseg = 0.01 [seg]

Incertidumbre de Escala: ± 1 [cseg] = ± 0.01 [seg]

2.2.- MONTAJE DEL EQUIPO

Fig 2.1 Montaje del experimento

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2.3.- DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO

El experimento se realizó el día miércoles 18 de octubre a horas 10:30, en el laboratorio de

Máquinas Térmicas.

Durante la ejecución del experimento se realizaron los siguientes pasos:

1. Inicialmente, se colocaron pedazos de hielo en el vaso de plástico, y se midió su masa.

Debido a la capacidad de la balanza digital, que es solamente hasta 69 gramos, se hicieron 3

medidas de la masa del hielo, siendo la masa total la suma de las 3 medidas. Luego de medir

la masa, se colocó el hielo en el vaso de precipitado.

2. Se midió en la probeta graduada, el volumen de alcohol que se iba a colocar en el mechero,

de aproximadamente 20 ml. Después de midió la masa del mechero sin alcohol, y luego la

masa total del mechero con el alcohol, siendo la masa total al inicio del proceso de 66.07

gramos.

3. Se colocó el vaso de precipitados en el soporte, colocando encima del vaso el vidrio de reloj,

se encendió el mechero y se inició el proceso de medición del hielo.

4. Al iniciar el proceso, se realizó una medición de la temperatura del hielo, siendo esta

temperatura de 0.4 ºC.

5. Se controló el proceso de fusión hasta que el hielo quedó completamente convertido en

líquido. En ese momento se hizo una lectura de la masa del mechero con alcohol, siendo ésta

medida de 61.32 gramos. También se hizo una lectura de la temperatura en el agua siendo

ésta de 38.7 ºC, y del tiempo transcurrido hasta la fusión completa del hielo, siendo éste tiempo

de 15 minutos con 5 segundos.

6. Luego se volvió a encender el mechero, para elevar la temperatura hasta la temperatura de

ebullición. Al terminar este proceso de calentamiento, la temperatura fue de 87,5 ºC, la masa

del mechero más alcohol medida al final del proceso fue de 57,98 gramos, y el tiempo medido

fue de 10 minutos con 18 segundos.

7. Finalmente, se llevó a cabo el proceso de evaporación de 35 ml de agua. Se realizaron

varias mediciones de temperatura durante el proceso, comprobándose que la temperatura

durante el proceso de cambio de estado se produjo a temperatura constate. El tiempo medido

para este proceso de evaporación fue de 30 minutos con 2 segundos, y la masa de alcohol y el

mechero medidos al final de proceso fue de 48,7 gramos.

2.4. OBTENCIÓN Y REGISTRO DE DATOS

Nº t [s] T [ºC] mmechero+alcohol [gr] Observaciones

1 0 0.4 ± 0.1 66.07 ± 0.01 El agua se encuentra totalmente en estado

sólido (hielo)

2 905.51 ± 0.01 38.7 ± 0.1 61.32 ± 0.01 El hielo se derritió completamente (Proceso

de fusión)

3 619.72 ± 0.01 87.5± 0.1 57.98 ± 0.01 El agua subió su temperatura hasta que a

esta temperatura comenzó a evaporarse

4 1802.31 ± 0.01 87,5 ± 0.1 48.70 ± 0.01 Parte del agua se evaporó a temperatura

constante (Proceso de evaporación)

TABLA 2.1. Registro de datos

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El volumen de agua que se evaporó durante el último proceso fue de aproximadamente 30 ml.

Para el registro de tiempo, en el cronómetro de midió en [min/seg/cseg], pero para mayor

facilidad en el tratamiento de datos, en la tabla se colocó directamente su valor en segundos.

2.5 CÁLCULOS

2.5.1 DIAGRAMAS p-T, T-s, y h-p para el agua:

2.5.1.1. DIAGRAMA p – T

El proceso se realizó a presión constante, es decir, a la presión atmosférica local de 0.65 bar.

Se tienen los siguientes pares ordenados, (p,T), en los diversos procesos:

Nº P [bar] T [ºC]

1 0.65 0

2 0.65 38.7

3 0.65 87.5

Tabla 2.2. Datos de presión y temperatura

Fig 2.2. Diagrama p-T para el agua

2.5.1.2. DIAGRAMA T – s

El proceso de realizó a la presión atmosférica local de 0,65 [bar], y es un proceso

isobárico. A partir de las tablas, se hallaron los valores de entropía (s), en función de la

temperatura y la presión. Los datos obtenidos, luego de interpolar, se muestran en la

siguiente tabla:

Nº p [KPa] T[ºC] s [KJ/KgºK] s [Kcal/KgºK]

1 65 0 10.4955 2.5091

2 65 38.7 10.7453 2.5640

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3 65 87.5 11.0238 2.6155

Tabla 2.3. Datos de temperatura y entropía

Fig 2.3 Gráfico T-s para el agua

2.5.1.3. DIAGRAMA p – h

p [Kpa] T [ºC] H [KJ/Kg]

65 0 13475

65 38.7 13397

65 87.5 13307

Tabla 2.4. Datos para temperatura y entalpía

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Fig 2.4. Diagrama p-h para el agua

2.5.2. CÁLCULO DEL CALOR GENERADO POR EL COMBUSTIBLE Y EL CALOR

ABSORBIDO POR EL AGUA EN LOS DIFERENTES PROCESO.

2.5.2.1. CÁLCULO DEL CALOR EN EL PROCESO DE FUSIÓN

Para el proceso de fusión del hielo, la masa de alcohol que se consume es:

malcohol1 = 66.07 – 61.32 = 4.75 [g] = 0.00475 [Kg]

mhielo = 135.52 [g] = 0.13552 [Kg]

De tablas se obtienen los siguientes datos:

HUinf = 18.92 [MJ/Kg] = 18.92 *106 [J/Kg]

λfusión = 335 [KJ/Kg] = 335000 [J/Kg]

El calor aportado por el alcohol para la fusión completa del hielo es:

Qc1 = malcohol1 * HUinf = 0.00475 * 18.92*106

Qc1 = 89870 [J] = 89.87 [KJ]

El calor consumido por el hielo para su fusión es:

Qfusion = mhielo * λfusion = 0.13552 * 335000

Qfusion = 45399.2 [J] = 45.40 [KJ]

Qagua = maguacaguaΔT = 0.13552*4183*38.7

Qagua = 21938.26 [J] = 21.94 [KJ]

Las incertidumbres, se deben en este caso únicamente a la incertidumbre debida a la medición

de la masa, que es:

La incertidumbre en el calor aportado por el alcohol es:

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(2.1)

La incertidumbre en el alcohol consumido por el hielo es:

(2.2)

(2.3)

Qc1 = 89870 ± 189.2 [J]

Qfusión = 45399.2 ± 3.35 [J]

Qagua = 21938.26 ± 56.71 [J]

El calor absorbido por el agua en el proceso es la suma del calor del fusión y el calor para el

calentamiento del agua hasta 38.7 ºC, es decir:

Qhielo = 45399.2 + 21938.26

Qhielo = 67337.46 [J]

La incertidumbre para la suma de dos cantidades, también se suma:

ΔQhielo = 3.35 + 56.71 = 60.06 [J]

Qhielo = 67337.46 ± 60.06 [J]

2.5.2.2. CÁLCULO DEL CALOR EN EL PROCESO DE CALENTAMIENTO

Para este proceso, la masa de alcohol que se consume es:

malcohol2 = 61.32 – 57.98 = 3.34 [g] = 3.34 *10-3 [Kg]

La masa de agua, es la misma que la masa de hielo inicial, ya que no hay transferencia de

masa durante el proceso:

magua = 135.52 [g] = 0.13552 [Kg]

La capacidad calorífica del agua es:

cH20 = 4.183 [KJ/KgºK] = 4183 [J/KgºK]

Por lo tanto, el calor aportado por el alcohol es:

Qc2 = malcohol2 * HUinf = 3.34*10-3 * 18.92*106

Qc2 = 63192.8 [J] = 63.193 [KJ]

El calor que absorbe el agua para calentarse es:

Qagua = magua * cagua * ΔT = 0.13552 * 4183 * (87.5 - 38.7)

Qagua = 27663.75 [J] = 27.66 [KJ]

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Para la incertidumbre del calor sensible, ésta se debe a la medición de masa y a la medición de

temperatura, es decir:

La incertidumbre del calor generado por el combustible, es la misma que en subtítulo anterior.

Por lo tanto se tiene:

Qagua = 27663.75 ± 56.72 [J]

Qc2 = 63192.8 ± 189.2 [J]

2.5.2.3. CÁLCULO DEL CALOR EN EL PROCESO DE EVAPORACIÓN

La masa de alcohol que se consume es:

malcohol3 = 57.98 – 48.70 = 9.28 [g] = 9.28*10-3 [Kg]

Para el agua, la masa de agua que se evaporó es:

magua-vapor = 135.52 – 108.55 = 26.97 [g] = 0.02697 [Kg]

De tablas, se obtiene el calor de evaporación del agua que es:

λevaporación = 2250 [KJ/Kg] = 2250000 [J/Kg]

Calculando el calor aportado por el alcohol, se tiene:

Qc3 = malcohol3 * HUinf = 9.28*10-3 * 18.92*106

Qc3 = 175577.6 [J] = 175.58 [KJ]

El calor absorbido por el agua para evaporarse es:

Qagua – vapor = magua-vapor * λevaporación = 0.02697 * 2250000

Qagua – vapor = 60682.5 [J] = 60.68 [KJ]

Las incertidumbres calculadas similarmente al subtítulo 2.2.1 son:

ΔQc3 = ± 189.2 [J]

ΔQagua-vapor = ± 22.5 [J]

Por lo tanto se tiene:

Qc3 = 175577.6 ± 189.2 [J]

Qagua-vapor = 60682.5 ± 22.5 [J]

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Calor Vs Temperatura

00

328640,4153062,8

89870

155683,71

67337,46

95001,21

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000

Q [J]

T [

ºC] Calor del combustible

Calor consumido

Fig 2.5 Gráfica Calor Vs. Temperatura

La conclusión más importante del gráfico de calor contra temperatura, es que no todo el

calor que produce el mechero por la combustión del alcohol, se utiliza para el proceso de

transformación del agua, sino que existe una gran cantidad de energía que se pierde con el

medio ambiente.

Otra conclusión importante con respecto al primer proceso de fusión, es que debido a

las condiciones del laboratorio, no se ve una línea de temperatura constante, sino que existe

una elevación de temperatura, es decir que el proceso de fusión consta de un calor latente, que

es el que derrite el hielo, y un calor sensible que eleva la temperatura hasta 38.7 ºC

2.5.3. CÁLCULO DEL RENDIMIENTO DEL SISTEMA.-

2.5.3.1. CÁLCULO DEL RENDIMIENTO PARA EL PROCESO DE FUSIÓN.-

Se calculará el rendimiento a partir de la ecuación

(2.4)

El rendimiento durante el proceso de fusión se calcula a partir de:

Su incertidumbre se calcula con la relación:

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(2.5)

2.5.3.2. CÁLCULO DEL RENDIMIENTO PARA LA ELEVACIÓN DE TEMPERATURA HASTA

LA TEMPERATURA DE EBULLICIÓN

El rendimiento para este proceso es:

La incertidumbre en este rendimiento, se calculó de forma análoga al anterior subtítulo, y es:

2.5.3.3. CÁLCULO DEL RENDIMIENTO PARA EL PROCESO DE EVAPORACIÓN

El rendimiento para este proceso es:

2.5.3.4. CÁLCULO DEL RENDIMIENTO PROMEDIO

20

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2.5.4. DIAGRAMAS DE SANKEI

2.5.4.1. DIAGRAMA DE SANKEI DEL PROCESO DE FUSIÓN

Para el proceso de fusión se tienen las siguientes cantidades de calor:

Calor generado por el combustible:

Qc = Qc1 = 89870 [J]

Calor absorbido por el hielo para su fusión:

Qhielo = 67337.46 [J]

Calor generado por la transferencia de calor del vaso al ambiente, se calcula a partir de:

(2.6)

Calculando se tiene:

El coeficiente de convección natural del aire para paredes verticales, se calcula a partir de la

relación empírica:

(2.7)

Reemplazando valores:

Geométricamente, el área de transferencia de calor es:

(2.8)

Finalmente se tiene:

En general:

Para el proceso de fusión:

Haciendo un balance de calor se tiene:

(2.9)

De donde:

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Fig 2.6. Diagrama de Sankei para el proceso de fusión

2.5.4.2. DIAGRAMA DE SANKEI DEL PROCESO DE CALENTAMIENTO

Los valores del calor son:

Calor del combustible:

Qc = Qc2 = 63192.8 [J]

Calor consumido por el agua:

Qagua = 27663.75 [J]

Calor debido a la transferencia de calor:

El calor perdido al medio ambiente es:

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Fig 2.7. Diagrama de Sankei para el proceso de calentamiento

2.5.4.3 DIAGRAMA DE SANKEI DEL PROCESO DE EVAPORACIÓN

Los valores del calor son:

Calor del combustible:

Qc = Qc3 = 175577.6 [J]

Calor absorbido por el agua:

Qagua-vapor = 60682.5 [J]

Calor por transferencia de calor:

Tpared = 87.5 [ºC]

Calor perdido al medio ambiente:

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Fig 2.8. Diagrama de Sankei para el proceso de evaporación

2.5.5. CÁLCULO DE LA POTENCIA DEL MECHERO

2.5.5.1. CÁLCULO DE LA POTENCIA DEL MECHERO EN EL PROCESO DE FUSIÓN

Se calculará la potencia a partir de la ecuación:

(2.10)

El tiempo total del proceso de fusión, convertido a segundos es:

tfusión = 905.51 [s]

Por lo tanto, la potencia durante este proceso es:

Para la incertidumbre de la potencia, se calcula a partir de:

(2.11)

Para la potencia de fusión se tiene:

24

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2.5.5.2. CÁLCULO DE LA POTENCIA DEL MECHERO EN EL PROCESO DE

CALENTAMIENTO

El tiempo total del proceso de calentamiento, convertido a segundos es:

tcalentamiento= 619.72 [s]

Por lo tanto, la potencia desarrollada por el mechero durante este proceso es:

2.5.5.3. CÁLCULO DE LA POTENCIA DEL MECHERO PARA EL PROCESO DE

EVAPORACIÓN

El tiempo total de este proceso en segundos es:

tevaporación = 1802.31 [s]

Por lo tanto, la potencia desarrollada por el mechero en el proceso de evaporación es:

2.5.5.4. CÁLCULO DE LA POTENCIA PROMEDIO DESARROLLADA POR EL MECHERO

La potencia promedio desarrollada por el mechero es:

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2.6. RESULTADOS

Los resultados se muestran en la siguiente tabla:

Proceso To [ºC] Tf [ºC] t [s] Qc [J] Qabs [J] η [%] P [W]

Fusión 0 ± 0.1 38.7 ± 0.1 905.51 ± 0.01 89870.0 ± 189.2 67337.46 ± 60.06 74.93 ± 0.17 99.25 ± 0.21

Calentamient

o

38.7 ± 0.1 87.5 ± 0.1 619.72 ± 0.01 63192.8 ± 189.2 27663.75 ± 56.72 78.49 ± 0.26 101.97 ± 0.55

Evaporación 87.5 ± 0.1 87.5 ± 0.1 1802.31 ± 0.01 175577.6 ± 189.2 60682.5 ± 22.5 34.56 ± 0.04 97.42 ± 0.10

Tabla 2.5. Resultados obtenidos

3.- DISCUSIÓN E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS

En el proceso de fusión, se pudo observar que experimentalmente el proceso no fue a

temperatura constante como lo señala la teoría. Esto lo podemos explicar debido a que

solamente existe un punto de calor para el hielo, ya que el mechero solo calienta la parte

inferior del vaso de precipitado, esto genera que solamente vaya adquiriendo calor los pedazos

de hielo que se encuentran abajo, una vez que estos pedazos se funden y se convierten en

agua líquida, los restantes pedazos de hielo por diferencia de densidades, aparecen en la parte

superior del vaso, a nivel del agua líquida, y el agua se quede en la parte inferior del vaso. Es

decir que como el mechero calienta la base, esta agua líquida se va calentando y por lo tanto

subiendo su temperatura, y éste calor recién es transmitido al hielo que se encuentra al nivel

del agua, y recién este hielo se comienza a derretir, esto genera que cuando la masa total de

hielo se haya convertido en agua, la temperatura que se registra no es de 0º C, sino que fue de

38.7 ºC. Para lograr que este proceso se lleve a temperatura constante, habría que asegurar

una fuente homogénea para toda la masa del hielo y otras condiciones de laboratorio.

Éste desfase, se logra apreciar en el diagrama temperatura – calor, donde se observa que el

proceso de fusión no es una línea recta, sino una línea inclinada, clara muestra del incremento

de temperatura.

En el proceso de calentamiento del agua, se pudo comprobar que al generar calor,

aumentó la temperatura, siendo éste un calor sensible.

En el proceso de vaporización, se pudo observar que el agua comenzaba a hervir ya

que comenzaban a aparecer burbujas en el líquido. En ese instante se hizo una medición de la

temperatura, que era de 87.5 ºC, y se hicieron otras mediciones a lo largo del proceso,

comprobándose prácticamente que éste era un proceso a temperatura constante. También

mediante este experimento, se pudo comprobar que el punto de ebullición del agua, desciende

debido a la altura a la que se encuentra la ciudad de Oruro, es decir, debido a que existe una

presión atmosférica más baja.

En los cálculos de rendimiento, se puede observar que el primer proceso presenta un

rendimiento mucho mayor que los otros dos procesos. Esto podemos explicar ya que en el

primer proceso, debido a las condiciones del laboratorio, hubo una mezcla entre un proceso de

fusión y un proceso de calentamiento. En la potencia promedio, se puede apreciar que

solamente la mitad del calor generado por la combustión de alcohol, se utiliza para los

procesos de transformación del agua.

26

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En los cálculos de la potencia del mechero, se puede observar que las tres medidas

son muy similares, esto debido a que se utilizó el mismo mechero. También se puede ver que

la potencia que tiene un mechero de alcohol, no es muy alta, en comparación a otros, como el

mechero bunsen, esto debido a que el alcohol tiene un poder calorífico menor a otros

combustibles como el gas natural, por ejemplo.

En los diagramas de Sankei de los diferentes procesos, se puede tener una idea

gráfica de la ley de conservación de la energía. Es decir que vemos que toda la energía que

produce el combustible, por una parte se pierde al medio ambiente, otra parte es la que nos

sirve para los diferentes procesos, y una parte también se pierde por transferencia de calor del

vaso al medio ambiente, pero el total de energía se mantiene. En el primer proceso, si se

hubiera tratado de un proceso a 0º C de temperatura, se podría suponer a partir de la 2da ley,

que el medio, que se encontraba a 18ºC, transmitía calor al vaso que se encontraba a 0º C, y

la flecha debería estar entrando hacia el vaso, pero como se indicó que en el proceso se

registró un aumento de la temperatura hasta 38.7 ºC, la temperatura promedio del vaso en este

proceso era un poco mayor a la temperatura del ambiente, por lo cual la flecha se encuentra

saliendo del vaso.

En el diagrama P-T, se puede comprobar que los procesos se realizaron a presión

constate (presión atmosférica local), y que al realizar los cambios de temperatura, el agua pasó

por los tres estados.

En el diagrama T-s, se puede ver que el agua pasó de líquido a una mezcla líquido –

vapor. Como no se hirvió completamente, no pasó a la zona de vapor recalentado. De igual

forma, se ve que la entropía aumenta al incrementar la temperatura, esto es de esperarse, ya

que los gases presentan un movimiento molecular caótico en relación a los líquidos.

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Las conclusiones del presente trabajo experimental son:

- Los procesos de cambio de estado se producen a temperatura constante. Para el caso del

proceso de fusión, debido a las condiciones del equipo de trabajo, hubo un incremento de

temperatura.

- A través de las mediciones de temperatura, masa y conociendo la presión atmosférica

local, se pueden encontrar mediante tablas, los valores de volumen específico, entropía y

entalpía para cada estado, y de ésta forma, representar gráficamente los procesos en los

diagramas p-T, T-s, y h-p.

- Los diagramas de Sankei, nos permiten apreciar gráficamente la ley de conservación de la

energía, donde el calor generado por la combustión del alcohol, se aprovecha para los

procesos del agua, y también parte de ese calor se disipa desde el quemador al medio, y

otra parte se transfiere del vaso al medio.

- El calor generado por el combustible y el calor utilizado en cada proceso es:

Proceso Qc [J] Qabs [J]

Fusión 89870.0 ± 189.2 67337.46 ± 60.06

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Calentamiento 63192.8 ± 189.2 27663.75 ± 56.72

Evaporación 175577.6 ± 189.2 60682.5 ± 22.5

Tabla 3.1. Calor del combustible y calor utilizado en cada proceso

- El rendimiento en cada proceso más su incertidumbre es:

- El rendimiento promedio es:

- La potencia del mechero en cada proceso es:

- La potencia promedio es:

Las recomendaciones que se podrían hacer para futuras actividades experimentales e

investigaciones son las siguientes:

- Investigar el efecto que tiene en el proceso de combustión y en el consumo de

combustibles, por ejemplo en el consumo de gas natural domiciliario, la altura de la ciudad

de Oruro, en procesos como el de hervir el agua, y también estudiar el efecto económico

que esta variación tiene en los usuarios.

- Investigar un coeficiente de corrección a la tarifa de gas domiciliario debido a la variación

de altura de la ciudad de Oruro.

- Investigar la variación en el rendimiento de las máquinas térmicas, debido a la altura de la

ciudad de Oruro

5. BIBLIOGRAFÍA

1.- Faires Moring Virgil, Termodinámica, Editorial Hispano Americana, 1990.

2.- García Carlos, Termodinámica Técnica, Editorial Alsina, Argentina, 2002.

3.- Holman J.P., Transferencia de Calor, Editorial Continental, México, 1986.

4.- Van Wyle Gordon, Fundamentos de Termodinámica, Editorial Limusa, México, 1970

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