Cambio de estado y temperatura de un refresco con hielo


Cambio de estado

Este applet te muestra lo que le ocurre al sistema hielo-agua durante los cambios de estado que ocurren mientras absorbe calor

Esta es nuestra experiencia

Situamos el tubo de ensayo con hielo en un  vaso de precipitados para que reciba el calor del aire. El tubo de ensayo lo hemos enfriado con la mezcla frigorífica y el hielo está a varios grados bajo cero. El tubo tiene una sonda incrustada en el hielo para medir la temperatura.

hielo

En la foto se ve el vaso que contiene la mezcla frigorífica con la mezcla de hielo y sal.

Registramos la variación de temperatura frente al tiempo.

El aparato de registro automático nos facilita el anotar  la temperatura cada minuto, pero podríamos realizar igualmente las medidas con un termómetro y un reloj, anotando los datos en una libreta y representándolos en una gráfica.

La gráfica facilitada por el aparato fue la siguiente:

cambio de estado

Vemos que el hielo estaba inicialmente a unos 9 ºC bajo cero y que en unos 10 minutos alcanzó la temperatura de 0 ºC.

En el minuto 10 comienza el cambio de estado y la temperatura de 0 ºC se mantuvo constante hasta el minuto 25. Debido a los errores experimentales la sonda daba lecturas que oscilaban entre 0 ºC y 0,2 ºC.

agitación

Cuando ya quedaba poco hielo empezamos a agitar la sonda dentro del tubo y en ese momento fue cuando se produjeron esos registros oscilantes del final de la zona de fusión.

A partir de este momento la temperatura del agua fue aumentando hasta alcanzar la temperatura ambiente del laboratorio.

Recuerda qué fórmulas emplearías para calcular el calor recibido por el sistema hielo-agua en cada zona.

Zona del hielo:

hielo calentándose

El hielo incrementa su temperatura al recibir calor del exterior. El calor específico del hielo es 0,5 cal/g.grado=2.090 J/kg ºC, la mitad del del agua en forma líquida.

D Q=m hielo· Ce (hielo).( TF- T I)

Zona de fusión:

cambio de estado En esta zona todo el calor recibido se emplea en modificar la estructura del hielo sin incrementar la temperatura
D Q=m· L fusión

Zona por encima de 0º

cambio de temperatura El calor aportado eleva la temperatura. El agua tiene un calor específico distinto al hielo Ce=1 cal/g ºC=4.180 J/kg º

D Q=m agua· Ce (agua).( TF- TI )


Temperatura de un refresco con hielo

refresco

Si a un vaso que contiene agua a temperatura ambiente le añadimos cubos de hielo, por más cubos de hielo que añadamos difícilmente haremos descender su temperatura por debajo de los 2 ºC.

El calor que recibe el vaso del exterior calienta el líquido próximo a las paredes y compensa el que el hielo, al fundirse, retira del agua. Gran parte del líquido no llega a alcanzar los 0 ºC salvo que empecemos a agitar. Agitando se alcanzan los 0º.

Un refresco o un combinado con hielo no llegan a alcanzar los cero grados aunque les echemos mucho hielo excepto que agitemos para mezclar las partes frías (contacto con el hielo) y calientes (paredes externas). Con hielo machacado (en granizada) se logra un descenso más efectivo sin agitar.

¿Cómo lograrías mantener tu bebida a cero grados mientras no la estás consumiendo?

Otra medida que podemos hacer mientras se enfría nuestra bebida es la de la humedad relativa del aire.

Anotamos la temperatura que marca un termómetro introducido en la bebida cuando empieza a originarse condensación de humedad en las paredes externas del vaso (punto de rocío). Con este dato y la temperatura ambiente podemos hallar la humedad relativa del aire.

Debemos tener unas tablas para conocer el valor de la presión de vapor del agua a esas temperaturas.

Humedad relativa=(P vapor a t' / P vapor a t ambiente)*100