Como se observa en todas las formas de materia que posee energía adecuada para sufrir una transición en la fase, una cantidad adicional de energía térmica, conocida como calor latente, debe ser emitido o absorbido por una sustancia para reorganizar el patrón de unión molecular de la sustancia a la de su fase de sintetización recientemente. Dentro de este experimento, el calor latente de vaporización de nitrógeno líquido se calculará experimentalmente para la transición de los químicos líquidos a gas, con el objetivo de lograr desviaciones mínimas en los resultados de los diez cálculos de prueba de calor latente. En teoría, el valor promedio para el calor latente de vaporización de nitrógeno líquido dentro de este experimento se espera que sea 199.1 J/g con una desviación estándar de 0 J/g, sin embargo, los resultados reales produjeron un calor latente promedio de 195.4 J/ G con una desviación estándar de 10.42 J/G de este valor. Como se discutió en la sección de conclusión, numerosos errores de experimentación pueden haber inducido este nivel de desviación bastante significativo en los resultados.
teoría:
como eludido por el título del título del título Experimento, este ejercicio de laboratorio implicará una investigación exhaustiva de una propiedad termodinámica específica del nitrógeno líquido, el calor latente de vaporización de la sustancia. Como está dictado por el nombre del químico, el nitrógeno líquido es realmente representativo de la materia en un estado líquido, con sólidos y gases que constituyen las otras fases generales de la materia que pueden existir. Para iniciar un cambio en la fase, una sustancia primero debe emitir o absorber energía en forma de calor, lo que naturalmente dará como resultado un aumento o disminución posterior de la temperatura de la sustancia. Este proceso procederá de manera idéntica hasta la temperatura apropiada a la que se alcanza la sustancia de un cambio de fase. En este punto, el calor continuará fluyendo hacia o desde la sustancia; Sin embargo, el cambio resultante en la temperatura previamente observado no ocurrirá hasta que la totalidad de la sustancia haya realizado una transición en la fase. Químicamente, esto resulta de la energía que anteriormente se estaba utilizando para manipular la temperatura de la sustancia que ahora se consume para romper o formar los enlaces asociados con las diferentes fases de la materia. Esta energía requerida para una transición de fase se conoce como el calor latente, L y puede tomar la forma del calor latente de la vaporización (como se ve en las reacciones que involucran vaporización y condensación), y el calor latente de fusión (asociado con y reacciones de congelación). Para este experimento, el valor de L se utilizará para denotar únicamente el calor latente de vaporización de nitrógeno líquido. Físicamente, el calor latente representa la cantidad de energía en julios requeridos para convertir un gramo de una sustancia a una fase diferente de la materia. Dentro de este experimento, el calor latente de vaporización de nitrógeno líquido se cuantificará mediante el uso de una resistencia, un dispositivo que genera y transforma la energía eléctrica de una corriente y voltaje conocidos en energía térmica. A medida que el nitrógeno líquido se vaporiza naturalmente a 77 ° K, una temperatura significativamente más fría que la del laboratorio, la resistencia funcionará para proporcionar al líquido una entrada conocida de energía, opuesta a la tasa desconocida de transferencia de energía del aula circundante, que puede luego se emplee para calcular el calor latente. Ahora se describirán los métodos involucrados en la derivación de la relación entre el calor latente de la vaporización y el calor transferido por la resistencia.
físicamente, el calor de la materia se puede cuantificar en términos de masa de una sustancia y calor latente , como lo representa la siguiente ecuación: Q = ml, donde Q es el calor en Joules (J), M es masa en gramos, y L es el calor latente en unidades de j/g. Una transferencia de cualquier forma de energía, (en este caso la energía térmica del aula circundante y la resistencia al nitrógeno líquido), se conoce como energía, que se representa como el cambio en la energía durante un período de tiempo determinado: p = î ” E / î “t, o en términos de energía térmica, p = î” q / î “t. Con el uso de una sustitución simple, esta ecuación se puede manipular para afirmar que p = î ”(ml) / î” t, que puede transformarse aún más, debido al calor latente que posee un valor constante, para leer de la siguiente manera: p = l [Î “(m) / î” t]. Con esta ecuación, el valor de L ahora se puede derivar con la adición de un bit final de información, un valor conocido para el poder del sistema. Como se señaló anteriormente, el sistema de experimentación implica la transferencia de calor tanto del aula de energía más alta como de la resistencia al nitrógeno líquido de menor energía. La cantidad exacta de energía que fluye desde el aula no se puede cuantificar fácilmente, por lo tanto, el único medio verdadero por el cual se puede asignar un valor a la potencia a través del voltaje y la corriente conocidos de la resistencia. A través de la ecuación, p r = IV (I es la corriente mientras que V es el voltaje) La energía térmica transferida al nitrógeno líquido a través de la resistencia ahora se puede calcular y sustituir en la ecuación anterior que relaciona la potencia y calor latente para rendir: iv = l [î ”(m)/î” t 2 ] = p r para simplificar aún más esta ecuación, el valor de î ”(m )/Î “t 2 , con las unidades g/s, puede reemplazarse con la variable, g, que posee un conjunto idéntico de unidades, produciendo la ecuación, IV = L * G. Finalmente, En términos de L, la ecuación aparentemente completa para el calor latente de vaporización se lee de la siguiente manera: L = IV / G. Sin embargo, haga el hecho de que el calor transferido desde el aula circundante al nitrógeno líquido no puede aislarse completamente, este calor, este calor ayudará a la resistencia en la vaporización del nitrógeno líquido y, por lo tanto, debe reconocerse en la ecuación anterior. Denotando esta masa de nitrógeno vaporizada por la energía térmica del aula como B medida en G / S (derivada de vatios por unidad de calor latente), se puede formular una nueva ecuación y se lee de la siguiente manera: L = IV / G + B. Descrito en el procedimiento, al encontrar experimentalmente el valor de B, este número se puede restablecer de la ecuación anterior para representar adecuadamente el calor latente de vaporización, la energía cuantificable que ingresa al sistema de la resistencia que vaporiza una masa de líquido nitrógeno. Esta ecuación final es la siguiente: L = IV / (G + B) – B Nitrógeno líquido, lo que resulta en diez valores diferentes de B y G +B, y en consecuencia produciendo diez valores variables de L. Para determinar la precisión experimental general, se realizará un cálculo de desviación estándar, lo que significará la desviación numérica promedio que existe entre El valor medio para todos los valores de L y cada valor de L individualmente. Matemáticamente, la desviación estándar se representa de la siguiente manera: ïƒ =? [? (Î ”l) 2 / n], donde la desviación estándar, ïƒ, es equivalente a la raíz cuadrada de la suma del cuadrado de las desviaciones de cada valor l individual del valor medio de L, dividido por el tamaño de la muestra, n. Cuanto menor sea el valor de ïƒ, menos se extienden los datos y, por lo tanto, cuanto mayor sea la precisión.
Procedimiento:
como exposición física directa al líquido El nitrógeno puede dar lugar a congelación, primero se deben tomar medidas de protección antes de trabajar con la sustancia. Para promover la máxima seguridad, utilice un delantal y gafas en todo momento, y use guantes pesados mientras vierte el líquido. Procure un contenedor aislado para el transporte del nitrógeno, y con las manos enguantadas, dispense cuidadosamente una cantidad apropiada de la sustancia en el contenedor. Con el equilibrio preestablecido para contrarrestar un peso de 220 gramos, vierta suavemente el nitrógeno fuera del recipiente de transporte en la copa aislada montada en el equilibrio. Antes de verter, asegúrese de que el segmento final de la resistencia no esté en contacto directo con la superficie de la copa, ya que cuando se activa, el dispositivo podría cantar y combustir el papel que constituye la copa. Continúe llenando la copa hasta que posea una masa combinada con el nitrógeno líquido que es ligeramente mayor a 220 gramos, lo que hace que el indicador del equilibrio se eleve por encima del punto de igualación. El indicador del equilibrio como cantidades crecientes de gas nitrógeno se libera de la copa.
con un temporizador digital calibrado para notar acumulativamente el paso del tiempo, inicie el temporizador en el momento exacto cuando el indicador del equilibrio marca el equilibrio. igualación del peso del mostrador de 220 gramos con la copa llena de nitrógeno aislado. Simultáneamente, establezca el equilibrio para contrarrestar una masa de 210 gramos, lo que nuevamente dará como resultado el movimiento ascendente del indicador hasta que se haya asentado por encima del punto de igualación.
con el temporizador continuamente en ejecución, repita este proceso de encontrar el tiempo de ecualización en incrementos decrecientes de 10 gramos hasta que se hayan registrado diez tiempos separados y la masa combinada de la copa y el nitrógeno ha alcanzado 120 gramos. Calcule las longitudes de tiempo individuales que ocurrieron entre cada uno de los diez incrementos de diez gramos, y tabule estos valores como î “t 1 .
Calcule la velocidad del cambio en la masa por Dividiendo cada incremento por su valor correspondiente de î “t 1. El valor resultante, cuantificado en G/S, se denotará por B, y representa físicamente la velocidad a la que el calor de la habitación está vaporizando el nitrógeno líquido. Para fines de comparación, se supondrá que cada valor sucesivo de B debería ser idéntico en teoría, por lo tanto, cada disminución de 10 gramos en la masa representará un solo ensayo.
Los pasos anteriores ahora se repetirán Usando el calor suministrado por la resistencia activa, además del calor de la habitación, para vaporizar el nitrógeno líquido. Cambie la resistencia a su estado activo y registre el voltaje y la corriente de la energía que fluye. Calcule la potencia de la resistencia al encontrar el producto del voltaje y la corriente, y tenga en cuenta este valor.
nuevamente, respetando un protocolo de seguridad adecuado, rellene el contenedor de transporte aislado con nitrógeno y repita el proceso de experimentación con La resistencia activada que se adhiere a las pautas anteriores. Como antes, tabula el tiempo pasado entre la vaporización de cada intervalo de diez gramos, sin embargo, denota estos valores como î “t 2 .
de la misma manera que se empleó anteriormente, calcule, calcule Sin embargo, la tasa del cambio en la masa, ya que este cambio se debe al calor transferido tanto de la habitación como de la resistencia, su valor se describirá con la notación de G + B. Para encontrar la masa de nitrógeno líquido vaporizado Solo por la resistencia, G, reste los valores de B de sus cantidades de G + B correspondientes para cada intervalo de gramo. Finalmente, utilizando la ecuación derivada dentro de la sección teoría, encuentre el calor latente de vaporización para cada prueba.
para evaluar la precisión relativa de los datos, realice un cálculo de desviación estándar para los diez valores del calor latente reunido a través de la experimentación. El significado de esta estadística se discute completamente en la sección de teoría.
s cálculos amplios:
potencia de resistencia, p < Sub> R
P R = IV
P r = (0.835 Amperes) * (30 voltios )
p r = 25.05 j/s
Tasa de cambio de masa debido al calor de fondo, b
b = î “M / î” T
(b = P / L? B = (J / S) / (J / G)? B = G / S? B = î ”m / î” t)
b = (10 g)/(72.693 s)
b = 0.138 g/s
Tasa de cambio de masa debido al calor de la resistencia, G < /p>
g = (g + b) – b
g = 0.257 g/s – 0.138 g/s
g = 0.119 g/s
Calor latente de vaporización, L
L = IV/(G + B) – B
L = (25.05 J/S)/(0.257 g/s – 0.138 g/s)
l = (25.05 j/s)/(0.119 g/s)
l = 210.5 j/g
Desviación estándar de L , σ
ïƒ =? [? (Î ”l) 2 /n]
ïƒ =? [1085/10]
ïƒ = 10.42
L promedio =? (L)/10
L promedio = 195.4
195.4 ± 10.42
Conclusión:
como es universalmente Observado en todas las formas de materia, la absorción o emisión de energía térmica dará como resultado un cambio de temperatura directa por cualquier sustancia. Esta propiedad por sí sola permitirá que una sustancia obtenga el nivel adecuado de energía y, por lo tanto, la temperatura adecuada, necesaria para provocar un cambio en la fase de la materia. Principalmente entre estas fases se encuentran los sólidos, que poseen un empaquetado denso de moléculas, líquidos, con un empaque intermedio de moléculas que permiten la variación de forma y gases, que consiste en moléculas libremente empaquetadas que permiten el cambio de volumen y forma. Antes de un cambio en el estado de la materia, una sustancia debe continuar absorbiendo o emitiendo energía térmica para convertir completamente su estado actual del empaque molecular al de la nueva fase de la sustancia. Sin embargo, en contraste con el empleo previo de la energía térmica para instigar solo un cambio directo en la temperatura, esta sustancia utiliza esta energía térmica, conocida como calor latente, para romper o formar enlaces moleculares. Dentro de este experimento, el calor latente de vaporización se calculará experimentalmente para la transición de nitrógeno líquido a gas de nitrógeno líquido a través de una serie de diez ensayos. La precisión de estos resultados se evaluará a través de un cálculo de desviación estándar, con el objetivo de calcular un valor relativamente bajo para esta estadística que implicaría una variación mínima deseada en los datos. Aunque teóricamente, se espera que el valor promedio para el calor latente de vaporización de nitrógeno líquido dentro de este experimento sea 199.1 J/g con una desviación estándar de 0 J/g, los resultados reales produjeron un calor latente promedio experimental de 195.4 J/g (derivado de los diez valores de calor latente de prueba (en J/g) de 210.5, 212.3, 200.4, 195.7, 200.4, 185.6, 193.6, 193.2, 178.8 y 183.5), con la distancia promedio del valor medio (la desviación estándar ) poseer un valor de 10.42 j/g. Los posibles errores que pueden haber contribuido a esta desviación incluyen los efectos de una masa solidificante en las regiones externas de la vaso de papel, y los errores debido al juicio humano en tanto tiempo en el momento preciso de equivalencia en el equilibrio y las discrepancias en el tiempo provocado por al cambiar los pesos de la mostrada del equilibrio. La primera de estas áreas de error implica el depósito creciente de un sólido (presumido que es hielo provocado por el rápido enfriamiento del vapor de agua en el aire por el nitrógeno significativamente más frío) que se formó sobre la capa externa de la copa aislada como la copa aislada como la El experimento progresó. Aunque minúscula en masa, el tamaño creciente de este depósito puede haber alterado la masa presumiblemente disminuida de la copa que contiene nitrógeno, lo que afectó el tiempo requerido para vaporizar la masa establecida de diez gramos. Como es común en situaciones que implican una medición precisa del tiempo, la tasa de juicio y reacción humana asociadas con el inicio o la detención de un temporizador, como con la detención del temporizador digital en el momento exacto de igualación de masa entre la copa de nitrógeno y el contrapeso, IS, IS, IS, Naturalmente impreciso y no reproducible, influyendo por lo tanto en la precisión de los valores de este experimento de este experimento. Del mismo modo, con el tiempo de reacción impredecible de los humanos, el cambio de los pesos del mostrador en el equilibrio en el momento preciso de igualación es casi imposible. Por lo tanto, si la detención del temporizador y el movimiento de los pesos del mostrador no se lograron exactamente en sincronización entre sí, los valores de î “t volverán a sufrir una caída en la precisión, efectuando los cálculos de G y B y, por lo tanto, impartirán fallas en los cálculos de calor latente.
