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Medida del calor latente de fusión

Se introduce una masa m de hielo a un calorímetro con agua a una temperatura T ligeramente por encima de la temperatura ambiente Ta y se agita la mezcla hasta que el hielo se funde completamente. Se elige la masa m del hielo de modo que la temperatura Te de equilibrio esté ligeramente por debajo de la temperatura ambiente, es decir, de modo que T-Ta≈T-Te.
De este modo, el calor cedido al ambiente en la primera etapa de la experiencia se compensa con el calor ganado en la segunda etapa.

En la experiencia que se describe a continuación, se emplea el procedimiento de las mezclas pero no se tiene en cuenta las pérdidas o ganancias de calor entre el calorímetro y el medio ambiente.

Una masa ma de agua a la temperatura inicial Ta se mezcla con una masa mh de hielo a 0º C en un calorímetro. La mezcla de agua y hielo se agita hasta que se alcanza una temperatura final de equilibrio Te.

Pueden ocurrir dos casos

  1. Se funde una parte m de la masa inicial mh de hielo, quedando una mezcla formada por hielo (mh-m) y agua (ma+m) a la temperatura final de Te=0ºC.

Si el calorímetro está perfectamente aislado, no pierde ni gana calor, se cumplirá que

Q 1 + Q 2 =0 L f = m a c T a m    (1)

  1. Si se funde todo el hielo, el estado final es una masa (mh+ma) de agua a la temperatura final Te>0.

Ahora hemos que tener en cuenta que la masa mh de hielo se convierte en agua y a continuación, eleva su temperatura de 0ºC a Te. Por otra parte, el calorímetro (su masa equivalente en agua k) eleva su temperatura de 0º C a Te.

Si el calorímetro está perfectamente aislado, no pierde ni gana calor, se cumplirá que

Q 1 + Q 2 + Q 3 =0 L f =c( T a m a m h T e m a + m h +k m h )     (2)

En la página “calor específico de un sólido”, ya se ha explicado el significado de masa equivalente k en agua del calorímetro.

Actividades

  1. Medida del equivalente en agua del calorímetro

Introducimos los siguientes datos:

Se pulsa el botón titulado Preparar, los termómetros y las escalas graduadas de medida del volumen de agua reflejan los datos introducidos.

Si estamos conformes, se pulsa el botón titulado Calcular. La masa m de agua se vierte en el calorímetro y en el termómetro podemos leer la temperatura final de equilibrio Te.

Ejemplo:

El equivalente en agua del calorímetro será

k= m(T T e ) T e T 0 Mk= 170·(2.754.2) 54.292.7 170=57.4g

  1. Medida del calor de fusión

Introducimos los siguientes datos:

Se pulsa el botón titulado Preparar.

Si estamos conformes, se pulsa el botón titulado Calcular. El agua se vierte en el calorímetro y en el termómetro podemos leer la temperatura final de equilibrio Te.

En el caso de que solamente una parte del hielo se fundiese, la temperatura final sería Te=0ºC. Se podría extraer el hielo del calorímetro, y pesarlo en una balanza. Conocida la masa m de hielo se determinaría el calor de fusión mediante la fórmula (1). Cuando se produzca esta situación, se incrementa la masa de agua o su temperatura o ambas cosas a la vez, hasta conseguir que todo el hielo del calorímetro se funda.

Ejemplo:

L f =4180( 80 170 128 9.5 170+128+57.4 128 )=333868J/kg

Referencias

Güemez, Fiolhais C., Fiolhais M. Revisiting Black's experiments on the latent heats of water. The Physics Teacher Vol 40, January 2002, pp. 26-31

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