Calor latente vaporización del agua

En esta página, se describe una experiencia que nos permiten determinar el calor de vaporización.

Medida del calor de vaporización

Para medir el calor de vaporización se coloca un recipiente metálico con una masa m de agua sobre un hornillo eléctrico de potencia P.

La temperatura inicial del agua es T_a. A medida que transcurre el tiempo, se va elevando la temperatura del agua, hasta que entra en ebullición a 100 ºC. Anotamos el tiempo t₁.

El agua se evapora, disminuyendo el nivel de agua en el recipiente hasta que toda el agua se ha convertido en vapor. Anotamos el tiempo t₂ que transcurre desde el comienzo de la ebullición hasta que se consume el agua.

Tendremos las siguientes relaciones

P·t₁=m·c·(100-T_a)
P·t₂=m·L_v

donde L_v es el calor de evaporación del agua que trataremos de determinar,

Eliminamos la cantidad desconocida P en el sistema de dos ecuaciones, y despejamos L_v.

$L_{v} = \frac{t_{2}}{t_{1}} c (100 - T_{a})$

La medida del calor latente de evaporación del agua es problemática, ya que es difícil determinar el momento en el que el agua entra en ebullición y el momento en el que el agua se evapora completamente.

Las pérdidas de calor son importantes (ley de enfriamiento de Newton) ya que la diferencias de temperatura entre el agua en ebullición y el ambiente es muy grande. Habría que tener en cuenta también, el calor absorbido por el recipiente, el agua que se evapora durante el proceso de calentamiento y el agua que se condensa en las paredes del recipiente.

Actividades

Para evitar una excesiva complejidad en la simulación de la experiencia, se ha supuesto que las pérdidas de calor son despreciables.
Como en una experiencia real, solamente una parte de la energía suministrada por el hornillo eléctrico, sobre el que se pone el recipiente de agua, se emplea en calentarla, el resto va a la atmósfera. La potencia efectiva empleada en el calentamiento es igual a la potencia consumida menos una proporción seleccionada aleatoriamente y comprendida entre el 10% y el 30%.

Se introduce

La potencia del calentador eléctrico en W, actuando en la barra de desplazamiento titulada Potencia.
Masa m de agua en gramos en el recipiente
Temperatura inicial T_a del agua

Se pulsa el botón titulado Empieza

Se observa como la temperatura del agua se va incrementando con el tiempo hasta que en el instante t₁ el agua empieza a hervir. A partir de ese momento, el agua se va evaporando a la temperatura constante de 100ºC, empleando un tiempo t₂ en dicho proceso.

Usando los botones titulados Pausa/Continua y Paso se miden los tiempos t₁ y t₂.

Ejemplo:

Potencia 1000 W
Masa de agua: m=200 g
Temperatura inicial, y T_a=20ºC

El agua alcanza la temperatura de 100º C en el instante t=78 s.
El agua se ha evaporado completamente en el instante t=604 s

Tenemos que t₁=78s y t₂=604-78=526 s

$L_{v} = \frac{526}{78} 4180 (100 - 20) = 2255 \cdot 10^{3} J/kg$

La potencia efectiva P del hornillo eléctrico que se ha empleado en calentar y evaporar el agua es algo menos de 1000 W.

$P = \frac{0.2 \cdot 4180 \cdot (100 - 20)}{78} = 857 W$

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