La comprensión de los procesos de fusión del hielo

1. INTRODUCCIÓN

El presente informe de laboratorio tiene como objetivo principal investigar y determinar la cantidad de calor requerida para fundir el hielo. El proceso de fusión del hielo es de gran interés en el campo de la termodinámica, ya que implica el cambio de estado de una sustancia sólida a líquida a través de la adición de calor. El hielo es una sustancia común y ampliamente conocida por su estado sólido a temperaturas por debajo de. Sin embargo, cuando se aplica calor a una muestra de hielo, se produce una transferencia de energía térmica hacia el sistema, lo que provoca que las moléculas de hielo adquieran suficiente energía para superar las fuerzas de cohesión y pasar al estado líquido. En este informe, llevaremos a cabo una serie de experimentos diseñados para medir la cantidad de calor necesaria para fundir una cantidad determinada de hielo. [pic 1]

1. MOTIVACIÓN

La comprensión de los procesos de fusión del hielo y la cantidad de calor necesaria para lograrlo es fundamental en numerosos campos científicos y aplicaciones prácticas. Este conocimiento es de particular importancia en áreas como la climatología, la ingeniería térmica, la conservación de alimentos y la industria alimentaria.  Por lo tanto, este informe busca proporcionar una visión más profunda de los fenómenos termodinámicos involucrados en la fusión del hielo. A través de la realización de experimentos y análisis de datos, se espera obtener resultados precisos y confiables que contribuyan al entendimiento de la cantidad de calor necesaria para fundir el hielo.

1. ASPECTOS TEÓRICOS

La termodinámica se puede definir como la ciencia de la energía. La energía se puede considerar como la capacidad para causar cambios. El término termodinámica proviene de las palabras griegas therme (calor) y dynamis (fuerza), lo cual corresponde a lo más descriptivo de los primeros esfuerzos por convertir el calor en energía. [1]

En la naturaleza, todas las actividades tienen que ver con cierta interacción entre la energía y la materia; por consiguiente, es difícil imaginar un área que no se relacione de alguna manera con la termodinámica. Por lo tanto, desarrollar una buena comprensión de los principios básicos de esta ciencia ha sido durante mucho tiempo parte esencial de la educación en ingeniería. Comúnmente la termodinámica se encuentra en muchos sistemas de ingeniería y otros aspectos de la vida y no es necesario ir muy lejos para comprobar esto. De hecho, no se necesita ir a ningún lado. El corazón bombea sangre en forma constante a todo nuestro cuerpo, diferentes conversiones de energía ocurren en billones de células y el calor corporal generado se emite en forma constante hacia el ambiente. El confort humano tiene estrecha relación con la tasa de esta emisión de calor metabólico. Se intenta controlar esta transferencia de calor ajustando la ropa a las condiciones ambientales.  

En la actualidad, el concepto de “termodinámica” se interpreta de manera amplia para incluir los aspectos de energía y sus transformaciones, incluida la generación de potencia, la refrigeración y las relaciones entre las propiedades de la materia como la temperatura, presión, volumen, densidad etc. [2]- [3]

La energía puede cruzar la frontera de un sistema cerrado en dos formas distintas: calor y trabajo. El calor se define como la forma de energía que se transfiere entre dos sistemas (o entre un sistema y el exterior) debido a una diferencia de temperatura (Fig. 1).

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FIGURA 1. La diferencia de temperatura es la fuerza motriz para la transferencia de calor. Mientras más grande es la diferencia de temperatura, mayor es la tasa de transferencia de calor. [3]

Es decir, una interacción de energía será calor sólo si ocurre debido a una diferencia de temperatura. Entonces se deduce que no puede haber ninguna transferencia de calor entre dos sistemas que se hallan a la misma temperatura. [3]

El término cambio de fase se usa más comúnmente para describir transiciones entre estados sólido, líquido y gaseoso de la materia, así como plasma en casos raros. Por experiencia se sabe que las sustancias existen en fases diferentes. A temperatura y presión ambiental el cobre es un sólido, el mercurio un líquido y el nitrógeno un gas, pero en condiciones distintas, cada uno podría aparecer en fases diferentes. Aunque son tres las principales —sólida, líquida y gaseosa—, una sustancia puede tener varias fases dentro de la principal, cada una con distinta estructura molecular. [4]

Las variaciones que experimentan las propiedades durante los procesos de cambio de fase se comprenden mejor con la ayuda de diagramas de propiedades. El proceso de cambio de fase del agua a una presión de 1 atm se describe con detalle en la (figura 2) se representó mediante un diagrama T-v. [4]

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Figura 2. Diagrama T-v para el proceso de calentamiento del agua a presión constante. [4]

1. ASPECTOS EXPERIMENTALES

1. ANÁLISIS

Principalmente calculamos la masa para el volumen inicial (tabla 1)

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Con

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Remplazando

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Ahora, calcularemos la masa para la mezcla de la (tabla 1),

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Con

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Ahora, calcularemos la masa para el volumen inicial de la tabla 3,

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Con

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Remplazando

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