Problema de Hielo a Vapor-Ejemplo de Problema de Cambio de calor
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El problema de hielo a vapor es un problema clásico de energía térmica en la tarea. Esto describirá los pasos necesarios para completar este problema y le dará seguimiento con un problema de ejemplo trabajado.
La cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un material es proporcional a la masa o cantidad del material y a la magnitud del cambio de temperatura.
La ecuación más comúnmente asociados con el calor necesario es
Q = mcΔT
donde
Q = energía calorífica
m = masa
c = calor específico
DT = cambio de temperatura = (Tfinal – Tinicial)
Una buena manera de recordar esta fórmula es P = «em gato».
Puede notar que si la temperatura final es más baja que la temperatura inicial, el calor será negativo. Esto significa que a medida que el material se enfría, el material pierde energía.
Esta ecuación solo se aplica si el material nunca cambia de fase a medida que cambia la temperatura. Se requiere calor adicional para cambiar de un sólido a un líquido y cuando un líquido se transforma en gas. Estos dos valores de calor se conocen como calor de fusión (sólido ↔ líquido) y calor de vaporización (líquido ↔ gas). Las fórmulas para estos calores son
Q = m · ΔHf
y
Q = m · ΔHv
donde
Q = energía calorífica
m = masa
ΔHf = calor de fusión
ΔHv = calor de vaporización
El calor total es la suma de todos los individuales de cambio de calor de pasos.
Pongamos esto en práctica con este problema de hielo a vapor.
Problema de hielo a vapor
Pregunta: ¿Cuánto calor se requiere para convertir 200 gramos de hielo de -25 °C en vapor de 150 °C?
información Útil:
calor Específico del hielo = 2.06 J/g°C
el calor Específico del agua = 4.19 J/g°C
calor Específico del vapor = 2.03 J/g°C
Calor de fusión del agua ΔHf = 334 J/g
Punto de fusión del agua = 0 °C
Calor de vaporización del agua ΔHv = 2257 J/g
Punto de ebullición del agua = 100 °C
Solución: Calentar hielo frío a vapor caliente requiere cinco pasos distintos:
- Calentar -25 °C hielo a 0 °C hielo
- Derretir 0 °C hielo sólido en 0 °C °C agua líquida
- Calentar agua de 0 °C a 100 °C agua
- Hervir agua líquida de 100 °C en vapor gaseoso de 100 °C
- Calentar vapor de 100 °C a vapor de 150 °C
Paso 1: Calentar hielo de -25 °C a hielo de 0 ° C.
La ecuación a utilizar para este paso es «em gato»
Q1 = mcΔT
donde
m = 200 gramos
c = 2.06 J/g°C
Tinicial = -25 °C
Tfinal = 0 °C
DT = (Tfinal – Tinicial)
DT = (0 °C (-25 °C))
T = 25 °C
Q1 = mcΔT
Q1 = (200 g) · (2.06 J/g°C) · (25 °C)
T1 = 10300 J
Paso 2: Derretir a 0 °C, sólido de hielo a 0 °C el agua líquida.
La ecuación a utilizar es la ecuación de calor de fusión:
Q2 = m * ΔHf
donde
m = 200 gramos
ΔHf = 334 J/g
Q2 = m * ΔHf
Q2 = 200 * 334 J/g
Q2 = 66800 J
Paso 3: Calentar agua de 0 °C a 100 °C.
La ecuación a utilizar es «em cat» de nuevo.
Q3 = mcΔT
donde
m = 200 gramos
c = 4.19 J/g°C
Tinicial = 0 °C
Tfinal = 100 °C
DT = (Tfinal – Tinicial)
DT = (100 °C – 0 °C)
T = 100 °C
Q3 = mcΔT
Q3 = (200 g) · (4.19 J/g°C) · (100 °C)
Q3 = 83800 J
Paso 4: se pone a Hervir A 100 °C el agua líquida a 100 °C gaseoso de vapor.
Esta vez, la ecuación a utilizar es la ecuación de calor de vaporización:
Q4 = m · ΔHv
donde
m = 200 gramos
ΔHv = 2257 J/g
Q4 = m · ΔHf
Q4 = 200 · 2257 J/g
Q4 = 451400 J
Paso 5: Calentar vapor de 100 °C a vapor de 150 °C
Una vez más, la fórmula «em cat» es la que se debe usar.
P5 = mcΔT
donde
m = 200 gramos
c = 2.03 J/g°C
Tinicial = 100 °C
Tfinal = 150 °C
DT = (Tfinal – Tinicial)
DT = (150 °C – 100 °C)
DT = 50 °C
P5 = mcΔT
P5 = (200 g) · (2.03 J / g°C) * (50 °C)
Q5 = 20300 J
Encuentre el calor total
Para encontrar el calor total de este proceso, agregue todas las partes individuales juntas.
Qtotal = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5
Qtotal = 10300 J + 66800 J + 83800 J + 4514400 J + 20300 J
Qtotal = 632600 J = 632.6 kJ
Respuesta: El calor necesario para convertir 200 gramos de -25 °C hielo a 150 °C vapor es 632600 Julios o 632.6 kilojulios.
El punto principal a recordar con este tipo de problema es usar el «gato em» para las partes donde no se produce ningún cambio de fase. Utilice la ecuación de calor de fusión al cambiar de sólido a líquido (fusibles líquidos en un sólido). Utilice el Calor de vaporización cuando cambie de líquido a gas (vaporiza líquido).
Otro punto a tener en cuenta es que las energías de calor son negativas al enfriarse. Calentar un material significa añadir energía al material. Enfriar un material significa que el material pierde energía. Asegúrese de observar sus señales.
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