4 ENTALPÍA DE VAPORIZACIÓN DEL AGUA.

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ENTALPÍA DE VAPORIZACIÓN DEL AGUA.
OBJETIVOS:
Determinar la entalpía de vaporización del agua a la temperatura normal de ebullición..
TEORÍA.
Para que una molécula de una cierta sustancia pase de la fase líquida a la fase vapor tiene que superar una
cierta barrera energética ∆ε. Por ese motivo, para que un líquido a la temperatura de ebullición se
vaporice es necesario darle una cierta energía W. Si esa energía se la damos a través de una resistencia
eléctrica de calefacción por la que circula una corriente I, a una diferencia de potencial V, el calor cedido al
agua en un tiempo t es I ⋅V ⋅ t . Si a lo largo de este tiempo se evapora una masa M de agua, la entalpía
de vaporización ∆HV, vendría dado por ∆HV = I ⋅V ⋅ t / M , se supone que no existen pérdidas y que el
agua se encuentra a la temperatura de ebullición.
MÉTODO.
El dispositivo experimental consiste en un matraz lleno de agua conectado a un condensador. Por
la camisa del condensador se hace circular continuamente agua del grifo, para mantenerlo a una
temperatura fría y que, efectivamente, todo el agua que se evapora en el matraz se condense a lo largo de
la longitud del tubo condensador. En el agua del matraz está sumergida una resistencia eléctrica. La
práctica comienza abriendo el agua del grifo y conectando la resistencia calefactora a un cierto voltaje V.
Primero hay que esperar a que el agua del matraz entre en ebullición. Una vez que el agua entre en
ebullición, se vaporizará una cierta cantidad por unidad de tiempo, una fracción de ésta penetrará en el
condensador y caerá gota a gota al final del tubo. Debemos esperar hasta que el sistema alcance el estado
estacionario (lo que supone esperar unos minutos después de que caiga la primera gota), una vez
alcanzado dicho estado, se recoge el líquido destilado durante un cierto tiempo t en un vaso de
precipitados y se pesa. Previamente debemos haber pesado el vaso vacío, de modo, que mediante una
diferencia de pesadas, sea posible determinar la masa de agua evaporada y condensada por unidad de
tiempo.
Mientras se recoge el líquido destilado, leemos en el voltímetro y el amperímetro los valores de V
y I, respectivamente. De esa manera, podemos llegar a la ecuación:
∆m 
Q = I ⋅V = 
 ⋅∆H + pérdidas de calor por unidad de tiempo
 ∆t 
donde Q es el calor cedido por unidad de tiempo. Las pérdidas cuentan por el calor que se cede al
ambiente y por la cantidad de agua que se evapora y no se condensa en el condensador. En primera
aproximación las consideraremos independientes de la potencia aplicada.
V
La ecuación anterior predice una relación lineal entre la potencia eléctrica suministrada y la masa
recogida por unidad de tiempo. La pendiente nos da la entalpía de vaporización y la ordenada en el origen
las pérdidas de calor por unidad de tiempo.
Para poder obtener los puntos a partir de los cuales calculamos el valor de ∆HV, debemos medir
dM / dt para varios valores de la potencia aplicada (I·V), ello se consigue variando el voltaje aplicado,
 Departamento de Física Aplicada 1. Facultad de Física. Universidad Complutense de Madrid.
usando el dial del autotransformador. Los pares de valores obtenidos se ajustan a una recta por el método
de mínimos cuadrados. Al hacer la representación gráfica los puntos, deberíamos eliminar aquellos puntos
que se alejan notablemente de la recta de ajuste. Particularmente, se debe tener precaución con los datos
tomados para valores altos del potencial V y con aquellos otros en los que es posible que haya entrado
directamente agua líquida en el tubo condensador por burbujeo.
OBSERVACIONES.
1- Mantener el nivel del agua dentro del recipiente, siempre por encima de la resistencia, para evitar la
oxidación de la misma y que una parte del calor se emplee en sobrecalentar el vapor y no en calentar el
líquido.
2- Por conveniencia, es aconsejable comenzar a medir por las potencias más altas, e ir disminuyendo
progresivamente.
3- No se debe apagar el sistema de calentamiento entre cada una de las medidas, sino que se debe bajar
la potencia. De tal manera que durante el tiempo que se emplea en la pesada transcurra tiempo
suficiente como para que el sistema alcance el estado estacionario y se pueda continuar midiendo sin
interrupción.
RESULTADOS.
Experiencia
I
V
M
T
∆M / ∆t
El valor obtenido para ∆H V puede compararse con el valor teórico que dan las tablas, 2260 J/g, para la
entalpía de vaporización del agua, a una temperatura de 100 ºC. Tener en cuenta que, si el valor tabulado
está dentro del intervalo de error de nuestra medida experimental, la diferencia entre ambos no es
significativa. Acudiendo a la estadística de Maxwell-Boltzmann para un sistema con dos niveles (práctica
13), puede verse que la entalpía de vaporización y la barrera energética microscópica están relacionadas
por: ∆ ε = ∆ H / N . Calcular, en eV, la altura energética de la barrera que separa el líquido del vapor.
V
A
Errores estadísticos e instrumentales: En la práctica ∆H V se obtiene de la pendiente de un ajuste
lineal. El método de ajuste nos proporciona un valor para el error de ∆H V , pero éste es un error
estadístico, que tiene en cuenta únicamente la dispersión de los puntos y no el error instrumental (precisión)
en las medidas de potencia y flujo. Para estimar el error instrumental en ∆H V se puede proceder del
siguiente modo: Se determina un segundo valor de ∆HV no por ajuste, sino usando únicamente dos pares
de valores {IV, ∆m/∆t} suficientemente separados, entonces: ∆ H V =
IV1 − IV2
(∆m ∆t )1 − (∆m ∆t )2
, y sobre esta
ecuación se hace un cálculo de errores de la forma habitual. El error final sería la suma del estadístico y el
instrumental.