Cambios de estado
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Autores: Fernanda Velazquez y Hernán Ferrari
Responsable disciplinar: Silvia Blaustein Área
disciplinar: Física Temática:
Fusión y calor latente de fusión. Vaporización y calor latente
de
vaporización. Gráficas de variación de temperatura versus cambio
de
energía térmica. Condensación. Solidificación. Sublimación
Nivel: Secundario, ciclo orientado Secuencia
didáctica elaborada por Educ.ar |
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Propósitos generales
Promover el uso de los equipos portátiles en el proceso de enseñanza y aprendizaje.
Promover el trabajo en red y colaborativo, la discusión y el intercambio entre pares, la realización en conjunto de la propuesta, la autonomía de los alumnos y el rol del docente como orientador y facilitador del trabajo.
Estimular la búsqueda y selección crítica de información proveniente de diferentes soportes, la evaluación y validación, el procesamiento, la jerarquización, la crítica y la interpretación.
Introducción a las actividades
Cambios de estado de la materia
Cuando una sustancia absorbe cierta cantidad de calor, la velocidad de sus moléculas aumenta y su temperatura se eleva. Dependiendo del calor específico de la sustancia, la elevación de la temperatura es directamente proporcional a la cantidad de calor suministrado e inversamente proporcional a la masa de la sustancia. Si las moléculas de la sustancia se mueven o vibran lo suficiente, se produce un cambio de estado.
Cambio de estado sólido a líquido: la fusión
La fusión es el proceso mediante el cual un sólido pasa a fase líquida, es decir, se funde. En este caso, la temperatura permanece constante durante todo el tiempo en que el sólido se transforma en líquido. Esto ocurre porque en la fase sólida las moléculas se mantienen unidas formando una estructura cristalina rígida, de tal manera que la sustancia tiene una forma y volumen definidos. A medida que se suministra calor, las energías de las partículas del sólido aumentan gradualmente y su temperatura se eleva. Al cabo de cierto tiempo, la energía cinética se vuelve tan grande que algunas de las partículas rebasan las fuerzas elásticas que las mantenían en sus posiciones fijas. La mayor separación entre ellas les da la libertad de movimiento que se asocia con la fase líquida. En este punto, la energía absorbida por la sustancia se usa para separar más las moléculas que en la fase sólida, por lo que la temperatura no aumenta durante el cambio de estado.
El cambio de estado de sólido a líquido se llama fusión y la temperatura a la cual se produce se llama punto de fusión.
El calor latente de fusión (Lf)de una sustancia es el calor por unidad de masa necesario para que la sustancia cambie de la fase sólida a la líquida, a su temperatura de fusión.
Lf = Q/m Q= m Lf (J/kg)
Objetivo de las actividades
Que los alumnos comprendan el comportamiento de las sustancias al entregarles energía suficiente hasta producir en ellas cambios de estado.
Actividad 1
Al aplicar presión, se pueden aplastar los cristales de la estructura del hielo. Normalmente, el hielo se funde a 0 ºC pero, al aplicar una presión, el punto de fusión se reduce. Los cristales se aplastan hasta alcanzar el estado líquido. Cuando se retira la presión, el agua vuelve a congelarse. A este fenómeno de lo llama recongelación.
1. Realicen el siguiente experimento:
Coloquen en el congelador un recipiente de tamaño adecuado con agua. Una vez que el agua esté congelada, apoyen el pedazo de hielo sobre dos bancos o sillas de madera dejando un espacio entre ellas.
Tomen un pedazo de alambre de cobre como el que se puede encontrar en los cables de electricidad. Cuelguen dos cuerpos pesados de sus extremos (de unos 3 o 4 kg cada uno) para que aumenten la presión que el delgado hilo de metal realiza al colocarlo sobre el hielo.
Observen qué sucede con el alambre y el pedazo de hielo. Tomen fotografías con la cámara de sus equipos portátiles. Deberán presentarlas luego.
a) Busquen más ejemplos como el anterior en los que se pueda observar este comportamiento del agua.
b) Elaboren un informe detallado del experimento incluyendo las imágenes obtenidas. Utilicen el programa Writer de sus equipos portátiles.
Actividad 2
El calor latente de vaporización (Lv)de una sustancia es el calor por unidad de masa necesario para que la sustancia cambie de líquido a vapor a su temperatura de ebullición.
Lv= Q/m Q= m Lv (J/kg)
Gráficos de cambios de estado
Los gráficos de cambios de estado muestran cómo varía la temperatura de la sustancia a medida que se le aplica energía térmica (cantidad de calor Q versus temperatura T en ºC).
Si se conocen los siguientes datos:
- el calor específico del hielo es 0,5 cal/g . grado;
- el calor específico del agua es de 1 cal/g . grado;
- el calor latente de fusión del hielo es de 80 cal/g;
- el calor latente de evaporación del agua es de 540 cal/g;
se puede realizar un diagrama de la temperatura de la sustancia en función del calor que se le entrega.
1. Impriman o copien en sus equipos portátiles las siguientes oraciones y complétenlas.
Mientras se produce el cambio de estado, la temperatura del medio se mantiene ____________________ y coexisten __________________________.
Cuando toda la masa de la sustancia cambió de estado, recién en ese momento _________________________________. La energía térmica utilizada hasta este momento fue para _________________________________________.
Durante el proceso de fusión del agua, la temperatura permanecerá ____________________ y por cada gramo de hielo absorberá _______________ de energía térmica para la formación de 1 g de agua.
Durante el proceso de vaporización del agua, la temperatura permanecerá ____________________ y por cada gramo de agua líquida absorberá __________ de energía térmica para la formación de 1 gramo de vapor de agua a 100 ºC.
El calor específico del agua es igual a ____________________.
Actividad 3
Cuando se extrae calor de un gas, su temperatura cae hasta que alcanza la temperatura a la cual hirvió. Si se sigue extrayendo calor, el vapor retorna a la fase líquida. Este proceso se llama condensación. Al condensarse, un vapor libera una cantidad de calor equivalente al calor requerido para evaporarlo. Es importante notar que el calor de condensación es equivalente al calor de vaporización y lo único que cambia es la dirección del calor transferido.
Técnica de destilación
1. En grupos investiguen cómo funciona un destilador y qué propiedades de los cambios de estado se aplican en estos dispositivos.
a) Busquen ejemplos de estas técnicas aplicados en la industria.
b) Elaboraren un informe con un procesador de textos de sus equipos portátiles.
Actividad 4
En condiciones apropiadas de temperatura y presión, es posible que una sustancia cambie directamente de la fase sólida a gaseosa sin pasar por la fase líquida; este cambio de estado se llama sublimación. La cantidad de calor absorbido por unidad de masa al cambiar de sólido a vapor se llama calor de sublimación.
Sublimación de algunas sustancias
1. Investiguen cómo son las presiones de vapor de las sustancias que pueden sublimar.
2. Expliquen por qué cuando se expone hielo seco a temperatura ambiente, sublima.
3. Busquen ejemplos de sustancias que subliman y sus aplicaciones industriales.
4. Armen grupos de cuatro alumnos y, con la información hallada, realicen una presentación con el programa Impress de sus equipos portátiles para exponer al resto de sus compañeros.
Enlaces de interés y utilidad para el trabajo
Fusión, solidificación, vaporización, sublimación y
condensación
Fuente original: Escuelapedia.com