Laboratorio Asistido por Ordenador

Relación entre calor, temperatura y cambios de estado en el agua. César LOPEZ NOZAL, 2009.

Relación entre calor, temperatura y cambios de estado en el agua. Definición: Cuando aportamos energía en forma de calor al agua conseguimos que aumente progresivamente la temperatura, salvo que nos encontremos en los puntos cercanos a los cambios de estado, en los que la energía se utiliza precisamente para conseguir el paso de sólido a líquido o de líquido a gas. Estos puntos son 0ºC y 100ºC, a presión normal.

Descripción: Aportaremos calor, de forma constante, a un recipiente con hielo y construiremos la gráfica de temperatura. Se trata de un experimento que trata de poner de manifiesto algunas de las propiedades del agua en sus 3 estados: sólido, líquido y gaseoso.

Materiales necesarios: Sensor de temperatura (PASCO) Ordenador y soft: DataStudio (PASCO).

Foto 2: Ordenador y Soft: DataStudio Foto 1: Sensor de temperatura

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Metodología: Experimento 1. Colocamos agua líquida y trozos de hielo en un vaso de precipitados. El sensor está en contacto con el agua líquida. El agitador magnético homogeniza las temperaturas del agua a medida que se calienta desde la base. Mantenemos el experimento durante 45 minutos.

Foto 3: Trozos de hielo sobre agua líquida.

Foto 4: Agua líquida

Foto 5: Burbujas de vapor de agua escapan del líquido.

Hemos apreciado, en las pruebas de puesta a punto de los materiales, que el sensor de temperatura obtiene una mayor precisión si aislamos, mediante el tubo de plástico que se suministra como accesorio, la porción metálica del sensor que permanece en contacto con el aire

Foto 6: Plástico aislante en el sensor

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Experimento 2.

Congelamos, a -20ºC, agua en un erlermeyer, y añadimos trozos de hielo, de forma que el sensor de temperatura mide, al principio, la temperatura del aire y de la superficie del hielo. No hay agua líquida al comenzar el experimento. El agitador magnético no puede actuar hasta que exista agua líquida y los trozos de hielo lo permitan.

Foto 7: Agua congelada, obsérvese que la superficie del agua por debajo de los trozos de hielo, no está horizontal.

Foto 8: El agua de la parte inferior está en forma líquida, el agitador magnético puede funcionar. La existencia de hielo, aire y agua a diferentes temperaturas hace que las sucesivas medidas de temperaturas sean variables.

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Resultados: En la pantalla de resultados del experimento 1 podemos observar:

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Durante los primeros 11 minutos (660 s) la pendiente de la curva de temperatura es pequeña.

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El aspecto dentado de la curva en su primera parte se debe a la existencia de trozos de hielo, que contactan con el sensor en distintos momentos, rebajando la medida de temperatura en ese instante.

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Cuando se funde todo el hielo la pendiente de la curva se hace más acusada.

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A medida que asciende la temperatura del agua líquida la pendiente de la curva es progresiva y casi imperceptiblemente menor.

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Durante los últimos minutos el burbujeo por formación de vapor de agua es intenso y la curva forma una asíntota con la línea que marca los 100ºC

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En la pantalla de resultados del experimento 2 podemos observar:

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Durante los primeros 7 minutos (420 s) la pendiente de la curva de temperatura es media.

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En torno a los 0ºC la curva tiende a la horizontalidad.

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Hacia los 12 minutos (720 s) la gráfica refleja las perturbaciones, en las medidas de temperatura, comentadas en la Foto 8.

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Todos los comentarios de la gráfica del experimento 1 son igualmente aplicables a esta gráfica.

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Conclusiones: •

Se comprueba que el hielo se licúa a 0ºC.

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Se comprueba que todo el agua para a vapor a 100ºC.

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El calor aportado mientras la temperatura permanece en torno a los 0ºC se utiliza para producir el cambio de estado: calor de fusión.

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El calor aportado mientras la temperatura permanece en torno a los 100ºC se utiliza para producir el cambio de estado: calor de vaporización.

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Por debajo de 0ºC el calor aportado eleva progresivamente la temperatura.

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Entre 0ºC y 100 ºC el calor aportado eleva progresivamente la temperatura.

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Entre 0ºC y 100 ºC parte del agua en estado líquido pasa a vapor, en mayor cantidad cuanto más nos acerquemos a los 100ºC, siempre que se aporte el calor necesario para el cambio de estado.

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