CALENTAMIENTO Y CAMBIO DE ESTADO DE UNA MASA DE AGUA


Experimento realizados por alumnos de 3º ESO en el IES "Leonardo da Vinci" de Alicante.


 
 
 
PLANTEAMIENTO, HIPÓTESIS Y DISEÑO EXPERIMENTAL
DESARROLLO DEL EXPERIMENTO. EVAPORACIÓN Y EBULLICIÓN
GRÁFICA DE LA TEMPERATURA FRENTE AL TIEMPO
TEMPERATURA DE EBULLICIÓN
ARCHIVOS CON LOS ANÁLISIS

 
 
 

PLANTEAMIENTO, HIPÓTESIS Y DISEÑO EXPERIMENTAL

 
 

 

Se desea estudiar la evolución de la temperatura de una masa de agua a lo largo de un proceso de calentamiento. A modo de hipótesis, los estudiantes esperan que, si se aporta al agua un flujo de calor uniforme, la temperatura aumentará a un ritmo también uniforme, de modo que la relación entre la temperatura que va adquiriendo el agua y el tiempo transcurrido sea lineal. Si los alumnos han estudiado antes en  clase  los cambios de estado, también prevén que la temperatura del agua se estabilice al alcanzar 100ºC. Al alcanzarse dicha temperatura debería empezar la ebullición del agua, durante la cual la energía aportada se emplea completamente en producir el cambio de estado, sin aumento de temperatura.

Un diseño experimental sencillo puede utilizar un vaso de precipitado conteniendo el agua a calentar y una resistencia sumergible que aportará la energía. Para realizar las mediciones los estudiantes pueden sumergir en el agua un sensor de temperatura o, alternativamente,  pueden sumergir un termómetro tradicional y usar un cronómetro para medir el tiempo.

 
 
 

 

DESARROLLO DEL EXPERIMENTO. EVAPORACIÓN Y EBULLICIÓN

     
 

 

En el experimento que aquí se expone, realizado por estudiantes de 3º ESO, los alumnos se repartieron en equipos de 2-3 alumnos. Tomaron lecturas de la temperatura cada minuto cuando usaron un termómetro de mercurio para medir la temperatura. Cuando usaron el sensor de temperatura, lo configuraron con una velocidad de muestreo de 5s.

Además de construir la gráfica de la evolución de la temperatura los estudiantes debían describir fenómenos que se pueden observar en la masa de agua durante el proceso (como ascensos de burbujas de aire, corrientes de convección, evaporación del agua y la misma ebullición)

 
Nos detenemos a comentar brevemente los procesos de evaporación y de ebullición.
 

 

 

La evaporación es un proceso paulatino que se produce durante todo el experimento y va adquiriendo mayor intensidad a medida que aumenta la temperatura del agua. Técnicamente consiste en un paso gradual del estado líquido hacia el estado gaseoso, por parte de una parte de las moléculas del agua, que tienen energía suficiente para vencer la tensión superficial o, dicho de otro modo, para romper los enlaces intermoleculares.

La ebullición, en cambio, sólo se produce cuando la temperatura de la totalidad del líquido alcanza un valor determinado o punto de ebullición del líquido a esa presión. Formalmente se define como la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido iguala a la presión de vapor del medio en el que se encuentra. A partir de que dicha temperatura se alcanza, la energía que aporta al líquido la resistencia se invierte totalmente en producir el cambio de estado, sin que vuelva a aumentar la temperatura hasta que toda la masa del agua haya pasado al estado gaseoso. Cuando se está produciendo la ebullición, todo el líquido se agita, observándose en él abundantes "borbotones". 

Evaporación (video a la izquierda) y ebullición (video a la derecha)

 

 

 
 

 

GRÁFICA DE LA TEMPERATURA FRENTE AL TIEMPO

 
 

   

Las gráficas adjuntas recogen resultados de la evolución de la temperatura con el tiempo obtenidos por dos equipos de alumnos. Uno de dichos equipos utilizó un termómetro de mercurio y un cronómetro, e hizo lecturas de la temperatura a intervalos de un minuto (gráfica de la izquierda). El otro equipo usó directamente en el experimento el sensor de temperatura (gráfica de la derecha). Ambos utilizaron el programa DataStudio para representar y analizar la gráfica.

Como se ve, ambas gráficas coinciden bastante bien con las hipótesis, mostrando que en el proceso de calentamiento la temperatura aumenta progresivamente y la relación entre temperatura y tiempo no se aleja mucho de una relación lineal, hasta que, al alcanzar un valor próximo a 100ºC, comienza la ebullición (desde entonces, la temperatura se mantiene constante).

 
 
 

 

TEMPERATURA DE EBULLICIÓN

     
 
 

 

Algo que conviene aprovechar es el hecho de que la temperatura experimental del punto de ebullición del agua generalmente no coincide con el valor 100ºC. Como puede verse en los análisis que se muestran adjuntos, en nuestro caso se obtuvo en todos los ensayos una temperatura inferior (del orden de 99ºC).

Como los estudiantes no lo esperan, les pedimos que realicen un estudio "bibliográfico" (puede ser vía Internet) acerca del significado del punto de ebullición y los factores que pueden influir en su valor.

 
 

 

 
 

Realizado y tras la puesta en común, podemos explicar mejor a la clase que, puesto que la ebullición se produce cuando la totalidad de las moléculas del líquido pueden "separarse", no sólo cuenta que cada parte del líquido tenga una determinada cantidad de energía interna (o su equivalente temperatura), sino que influyen posibles factores en contra del proceso (sobre todo la presión exterior, que además puede depender de la presión del propio vapor que se va produciendo, pero también la posible existencia de otras sustancias que contribuyan aumentar la ligazón entre las moléculas del líquido, otras que floten sobre él, etc.) y/o a favor (principalmente una presión exterior inferior, pero también la presencia de otras sustancias disueltas que favorezcan la separación de las moléculas de agua)

 

Por todo ello, el punto de ebullición se define para cada sustancia (en este caso tendría que ser agua pura) y supuesto un determinado valor de la presión exterior (en este caso 1 atmósfera, o presión atmosférica standard a nivel del mar). En el experimento realizado es evidente que no se dan estas condiciones y que el conjunto de factores dio un balance favorable al proceso, permitiendo la ebullición a una temperatura ligeramente inferior a 100ºC.

 
 
 

 

ARCHIVOS DE DATASTUDIO: Puedes descargar los resultados originales del experimento que se describe en esta página. Para abrirlo se necesita el programa DataStudio, del que tienen licencia bastantes departamentos de Física y Química de Institutos de Enseñanza Secundaria.