Español

Cambios de estado

Educación secundaria básicaFísicaAgua en un recipiente aislado a presión constante, calentada con potencia constante: Q = mcΔT mientras se calienta, Q = mL durante el cambio de estado

Desbloquea este laboratorio con un pase

Un pase da acceso a todas las simulaciones del sitio, incluido el modo Presentación para clase. Los materiales didácticos de abajo siguen siendo gratuitos para todos.

Ver pasesYa tengo un pase

Pago único, sin suscripción.

Acerca de este experimento

Pon hielo del congelador sobre una placa calefactora y lee un termómetro cada minuto. La temperatura sube y luego se detiene en 0 °C mientras el hielo se funde; después vuelve a subir y se detiene por segunda vez cuando el agua hierve. Este laboratorio representa esa curva de calentamiento a medida que se produce y muestra las partículas del interior. Cambia la masa, la potencia del calentador y la temperatura inicial, o lleva el experimento a una montaña, donde el agua hierve por debajo de 100 °C.

Objetivos de aprendizaje

  • Describe la forma de una curva de calentamiento e indica el estado del agua en cada tramo.
  • Explica por qué la temperatura se mantiene constante mientras una sustancia se funde o hierve
  • Usa Q = mcΔT y Q = mL para calcular la energía de cada etapa
  • Compara la energía necesaria para fundir hielo con la necesaria para hervir agua
  • Relaciona el punto de ebullición con la presión del aire

Cómo usarlo

  1. 1Pulsa «Calentar» y observa el termómetro. Haz una pausa en cada tramo horizontal de la gráfica y describe qué hay en el recipiente.
  2. 2Usa la vista de partículas para describir cómo cambian su disposición y movimiento en cada estado.
  3. 3Compara la longitud de los dos tramos horizontales. ¿Qué cambio de estado necesita más energía? Compruébalo con las lecturas.
  4. 4Duplica la masa de hielo. ¿Qué partes de la curva se alargan? Después, duplica la potencia del calentador en su lugar.
  5. 5Compara las pendientes de los tramos del hielo, el agua y el vapor. ¿Qué sustancia tiene la mayor capacidad calorífica específica?
  6. 6Aumenta la altitud hasta la cima del monte Everest (8849 m). Averigua el nuevo punto de ebullición y explica por qué la pasta se cuece lentamente allí.

El modelo

Energía para cambiar la temperatura de un estado
Energía necesaria para cambiar de estado a temperatura constante (L = calor latente específico)
Energía suministrada por un calentador de potencia P durante un tiempo t
Valores de referencia utilizados en esta práctica
Punto de ebullición a una presión más baja (Clausius-Clapeyron)

Supuestos

  • No se pierde calor hacia el entorno y toda la potencia del calentador se transfiere al agua.
  • El recipiente está sellado por un pistón, por lo que el vapor permanece dentro a presión constante y puede seguir calentándose. En un vaso de precipitados abierto, el vapor escapa y no se observa el último tramo de la curva.
  • Se agita el agua, de modo que toda la muestra está a la misma temperatura. Se consideran constantes los calores específicos y los calores latentes.
  • La presión del aire disminuye con la altitud, con una altura de escala de 8,4 km. El punto de fusión apenas depende de la presión y se mantiene en 0 °C.
  • La representación de las partículas muestra su disposición y velocidad relativa; no es una simulación molecular.

Pruébalo en clase

  1. Q1¿Cuánta energía se necesita para fundir 0,2 kg de hielo a 0 °C?
  2. Q2Un hervidor de 1500 W contiene 1,2 kg de agua a 20 °C. ¿Cuánto tarda en alcanzar los 100 °C si no se pierde calor?
  3. Q3¿Por qué una quemadura por vapor a 100 °C duele más que una quemadura por agua hirviendo a 100 °C?
  4. Q4¿Por qué la línea del agua líquida es menos inclinada que la del hielo, aunque se use el mismo calentador?
  5. Q5En un experimento real, el tramo de la curva correspondiente a la fusión suele estar inclinado en lugar de ser horizontal. Sugiere dos motivos.

Preguntas frecuentes

¿Adónde va la energía si la temperatura no cambia?

Aumenta la energía potencial de las partículas. La fusión y la ebullición separan las partículas venciendo la atracción entre ellas, por lo que la energía queda almacenada en vez de hacer que las partículas se muevan más rápido. Esa energía almacenada se libera de nuevo cuando el vapor se condensa o el agua se congela.

¿Por qué la ebullición tarda mucho más que la fusión?

La fusión solo afloja la estructura cristalina; las partículas del agua líquida siguen en contacto. La ebullición las separa por completo, lo que requiere casi siete veces más energía por kilogramo (2260 kJ frente a 334 kJ).

¿Puedo hacer este experimento en clase?

Sí, con hielo picado en un vaso de precipitados, una varilla para remover y un termómetro, sobre un mechero Bunsen o una placa calefactora. Anota la temperatura cada 30 segundos hasta que el agua haya hervido durante unos minutos. Es probable que las mesetas sean menos pronunciadas que aquí, porque el vaso pierde calor y la mezcla no es uniforme.