Introducción

La curva de calentamiento del hielo es una representación gráfica de cómo varía la temperatura del agua al recibir calor continuamente, desde el estado sólido (hielo) hasta el estado gaseoso (vapor). Esta práctica permite estudiar los cambios de estado y comprender conceptos fundamentales de la termoquímica como el calor latente y el calor específico.

Conceptos clave

Calor sensible: Calor que produce cambio de temperatura sin cambiar el estado de la materia.\(Q = m \cdot c_e \cdot \Delta T\)- Calor latente: Calor que produce cambio de estado sin cambiar la temperatura.\(Q = m \cdot L\)- Calor latente de fusión: Energía necesaria para fundir 1 g de hielo = 334 J/g Calor latente de vaporización: Energía necesaria para vaporizar 1 g de agua = 2260 J/g Punto de fusión: 0°C a 1 atm Punto de ebullición: 100°C a 1 atm

Material necesario

• Vaso de precipitados grande
• Hielo picado
• Termómetro (-10°C a 110°C)
• Placa calefactora o mechero Bunsen
• Agitador
• Cronómetro o reloj
• Soporte y pinzas
• Papel milimetrado o computadora para graficar

Procedimiento experimental

Colocar hielo picado en el vaso de precipitados (aproximadamente a -5°C o -10°C) Insertar el termómetro en el hielo sin que toque el fondo Registrar la temperatura inicial Comenzar a calentar con potencia constante Registrar la temperatura cada 30 segundos o 1 minuto Agitar suavemente para homogeneizar la temperatura Continuar hasta que el agua comience a hervir Seguir registrando durante varios minutos de ebullición Construir la gráfica temperatura vs. tiempo

Fases de la curva de calentamiento

Fase 1: Calentamiento del hielo (-10°C a 0°C)

El hielo aumenta su temperatura desde aproximadamente -10°C hasta 0°C. La pendiente de esta zona depende del calor específico del hielo (2.09 J/g·°C).\(Q_1 = m \cdot c_{ \text{hielo}} \cdot \Delta T### Fase 2: Fusión del hielo (0°C constante)\)

El hielo se transforma en agua líquida manteniendo la temperatura constante en 0°C. Durante esta fase se absorbe el calor latente de fusión (334 J/g). Esta zona es una meseta horizontal en la gráfica.\(Q_2 = m \cdot L_{ \text{fusión}} = m \cdot 334 \text{ J/g}\)

Fase 3: Calentamiento del agua líquida (0°C a 100°C)$

El agua líquida aumenta su temperatura de 0°C a 100°C. La pendiente depende del calor específico del agua (4.18 J/g·°C). Es la fase más larga y con mayor pendiente.\(Q_3 = m \cdot c_{ \text{agua}} \cdot \Delta T### Fase 4: Ebullición del agua (100°C constante)\)

El agua se transforma en vapor manteniendo la temperatura constante en 100°C. Se absorbe el calor latente de vaporización (2260 J/g). Otra meseta horizontal en la gráfica.\(Q_4 = m \cdot L_{ \text{vaporización}} = m \cdot 2260 \text{ J/g}\)

Fase 5: Calentamiento del vapor (>100°C)$

Si se continúa calentando, el vapor de agua aumenta su temperatura por encima de 100°C. La pendiente depende del calor específico del vapor (2.01 J/g·°C).\(Q_5 = m \cdot c_{ \text{vapor}} \cdot \Delta T## Análisis de resultados\)

Al graficar temperatura vs. tiempo obtendrás una curva característica con dos mesetas:

• La primera meseta (0°C) corresponde a la fusión
• La segunda meseta (100°C) corresponde a la ebullición
• Las zonas inclinadas corresponden al calentamiento de cada fase

La meseta de ebullición es mucho más larga que la de fusión porque el calor latente de vaporización es 6.7 veces mayor (2260/334 ≈ 6.77)

Cálculos energéticos

Para calentar 1 gramo de hielo a -10°C hasta vapor a 110°C:

Cálculo paso a paso

Calentar hielo: \(Q_1 = m \cdot c_{ \text{hielo}} \cdot \Delta T = 1 \cdot 2.09 \cdot 10 = 20.9 \text{ J}Fundir hielo: \) Q_2 = m \cdot L_{ \text{fusión}} = 1 \cdot 334 = 334 \text{ J}Calentar agua: \( Q_3 = m \cdot c_{ \text{agua}} \cdot \Delta T = 1 \cdot 4.18 \cdot 100 = 418 \text{ J}Vaporizar agua: \) Q_4 = m \cdot L_{ \text{vaporización}} = 1 \cdot 2260 = 2260 \text{ J}Calentar vapor: \( Q_5 = m \cdot c_{ \text{vapor}} \cdot \Delta T = 1 \cdot 2.01 \cdot 10 = 20.1 \text{ J}Total: \) Q_{ \text{total}} = 20.9 + 334 + 418 + 2260 + 20.1 = 3053 \text{ J}Observa: La vaporización consume el 74% de la energía total\((2260/3053 \times 100 \approx 74\%)## Aplicaciones prácticas\) Refrigeración: El hielo enfría porque absorbe calor al fundirse (334 J por cada gramo de hielo) Cocción: El agua hierve a temperatura constante, por eso los alimentos no se cocinan más rápido aumentando el fuego Destilación: Separación de líquidos aprovechando sus diferentes puntos de ebullición Climatización: Los cambios de estado del agua regulan la temperatura atmosférica Meteorología: Formación de nubes, precipitación y fenómenos meteorológicos

Preguntas para reflexionar

• ¿Por qué la temperatura no aumenta durante los cambios de estado?
• ¿Por qué tarda más en hervir el agua que en fundirse el hielo?
• ¿Qué pasaría con los puntos de fusión y ebullición si la presión fuera diferente a 1 atm?
• ¿Por qué las quemaduras con vapor son más graves que con agua hirviendo a la misma temperatura?
• ¿Cómo afectan las impurezas (como la sal) a los puntos de fusión y ebullición?
• ¿Qué forma tendría la curva de enfriamiento del vapor hasta hielo?

Precauciones de seguridad

• Usar gafas de protección en todo momento
• Tener cuidado con el agua hirviendo y el vapor (riesgo de quemaduras)
• No tapar completamente el vaso durante la ebullición
• Mantener distancia segura de la fuente de calor
• Utilizar pinzas o guantes para manipular material caliente
• Asegurar bien el termómetro para evitar que se caiga
• Apagar la fuente de calor si hay ebullición violenta
• Trabajar en un área bien ventilada

Consejos para el análisis de la gráfica

Identifica claramente las cinco zonas de la curva y etiquétalas

Marca los puntos de fusión (0°C) y ebullición (100°C)

Calcula la pendiente de cada zona inclinada para determinar los calores específicos

Mide la duración de las mesetas para calcular los calores latentes

Compara tus resultados experimentales con los valores teóricos

Analiza las posibles fuentes de error (pérdidas de calor, impurezas, etc.)