Calor y transferencia de energia

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CALOR Y TRANSFERENCIA DE ENERGIA:
OBJETIVO:
El objetivo de el presente proyecto es comprobar físicamente como el agua puede pasar de su estado sólido a liquido y de liquido al estado gaseoso, es decir como el agua en forma de hielo, pasa a su estado liquido y a su vez se evapora al aplicar determinada cantidad de calor. Este proyecto es propuesto por el que suscribe en cumplimiento a la tareaencargada por la maestra I.B. Laura Aragón Vázquez, en la clase de FISICA II y con el fin de que los compañeros estudiantes del 4º cuatrimestre de la preparatoria nocturna en su modalidad de semiescolarizado, observen con claridad el fenómeno provocado al aplicar calor a un hielo y a un recipiente con agua y como su estado sólido pasa a liquido y de liquido pasa al estado gaseoso en su modalidadde vaporización.

INTRODUCCION:
Normalmente, 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 su temperatura. El calor Q que es necesario aportar para que una masa m de cierta sustancia cambie de fase es igual a
Q=mL
donde L se denominacalor latente de la sustancia y depende del tipo de cambio de fase.
Por ejemplo, para que el agua cambie de sólido (hielo) a líquido, a 0ºC se necesitan 334•103 J/kg. Para que cambie de líquido a vapor a 100 ºC se precisan 2260•103 J/kg.

En el presente se describen dos experiencias que nos permiten determinar los calores latentes de fusión de agua:
1. El hielo flota en el agua, la densidaddel hielo es menor que la densidad del agua. Este hecho, nos permite diseñar un experimento de medida del calor de fusión del agua.
2. El segundo experimento, es el procedimiento de las mezclas, similar al empleado para determinar el calor específico de un sólido

En la siguiente tabla, se proporcionan los datos referentes a los cambios de estado de el agua.
Sustancia T fusión ºC Lf •103(J/kg) T ebullición ºC Lv •103 (J/kg)
Hielo (agua) 0 334 100 2260
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 unvolumen 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 deatracción, 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 lascontiene 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 vapora 100ºC. Los datos son los siguientes:
1. Calor específico del hielo ch=2090 J/(kg K)
2. Calor de fusión del hielo Lf=334•103 J/kg
3. Calor específico del agua c=4180 J/(kg K)
4. Calor de vaporización del agua Lv=2260•103 J/kg
Etapas:
1. 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
2. Se funde el hielo
Q2=0.001•334•103=334 J...
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