- En què consisteix la corba d'escalfament?
- -Canvis d'estat en una substància
- Interpretació de la corba d'escalfament
- Com es fa una corba d'escalfament?
- Exemples (aigua, ferro ...)
- Fonent el gel
- Convertint l'aigua en vapor
- referències
Una corba d'escalfament és la representació gràfica de com varia la temperatura d'una mostra en funció de el temps, mantenint la pressió constant i afegint calor uniformement, és a dir, a taxa constant.
Per construir una gràfica d'aquest tipus, es van prenent parelles de valors de temperatura i temps, que posteriorment es grafican col·locant la temperatura a l'eix vertical (ordenades) i el temps en l'eix horitzontal (abscisses).
Figura 1. La corba d'escalfament d'una substància s'obté agregant calor i mesurant la temperatura cada cert interval de temps. Font: Pixabay.
Després s'ajusta la corba més apropiada a aquests punts experimentals i finalment s'obté una gràfica de la temperatura T com a funció de el temps t: T (t).
En què consisteix la corba d'escalfament?
A mesura que s'escalfa, una substància va travessant successivament diversos estats: de ser sòlid pot passar a vapor, gairebé sempre passant per l'estat líquid. A aquests processos se'ls anomena canvis d'estat, en els quals la mostra va incrementant la seva energia interna mentre se li afegeix calor, tal com assenyala la teoria cineticomolecular.
A l'afegir calor a una mostra ha dues possibilitats:
- La substància augmenta la seva temperatura, en vista que les seves partícules s'agiten amb més intensitat.
- El material està passant per un canvi de fase, en el qual la temperatura es manté constant. Afegir calor té l'efecte d'afeblir en certa mesura les forces que mantenen cohesionades a les partícules, per això és fàcil passar de gel a aigua líquida, per exemple.
A la figura 2 es mostren els quatre estats de la matèria: sòlid, líquid, gas i plasma, i els noms dels processos que permeten la transició entre uns i altres. Les fletxes indiquen el sentit de l'procés.
Figura 2. Els estats de la matèria i processos necessaris per passar entre un i altre. Font: Wikimedia Commons.
-Canvis d'estat en una substància
Començant per una mostra en estat sòlid, a l'fondre passa a l'estat líquid, a l'vaporitzar passa a convertir-se en gas i mitjançant la ionització es converteix en plasma.
Potser el sòlid es converteixi directament en gas mitjançant el procés conegut com a sublimació. Hi ha substàncies que sublimen fàcilment a temperatura ambient. El més conegut és el CO 2 o gel sec, així com també el naftalè i el iode.
Mentre la mostra travessa un canvi d'estat, la temperatura es manté constant fins a arribar a el nou estat. Això vol dir que si per exemple es té una porció d'aigua líquida que ha arribat al seu punt d'ebullició, la seva temperatura es manté constant fins que tota l'aigua s'hagi convertit en vapor.
Per tal raó s'espera que la corba d'escalfament estigui composta d'una combinació de trams creixents i trams horitzontals, on aquests últims corresponen als canvis fase. A la figura 3 es mostra una d'aquestes corbes per a una substància donada.
Figura 3. Una corba d'escalfament d'una substància donada, amb la típica configuració a base de graons i pendents.
Interpretació de la corba d'escalfament
En els intervals de creixement ab, cd i ef la substància es troba com sòlid, líquid i gas respectivament. En aquestes regions l'energia cinètica s'incrementa i amb ella la temperatura.
Mentre que a bc està canviant el seu estat de sòlid a líquid, per tant les dues fases coexisteixen. Així succeeix en el tram de, en què la mostra passa de líquid a gas. Aquí està canviant l'energia potencial, i la temperatura es manté constant.
El procediment invers també és possible, és a dir, es pot refredar la mostra perquè adopti successivament altres estats. En aquest cas es parla de corba de refredament.
Les corbes d'escalfament tenen el mateix aspecte general per a totes les substàncies, encara que per descomptat no els mateixos valors numèrics. Algunes substàncies requereixen més temps que unes altres en canviar d'estat, i fonen i vaporitzen a diferents temperatures.
Aquests punts són coneguts respectivament com a punt de fusió i punt d'ebullició, i són característiques pròpies de cada substància.
Per això les corbes d'escalfament són molt útils, ja que indiquen el valor numèric d'aquestes temperatures per a milions de substàncies que existeixen com sòlids i líquids en el rang de temperatures considerades normals ia pressió atmosfèrica.
Com es fa una corba d'escalfament?
En principi és molt senzill: només cal posar una mostra de substància en un recipient proveït d'un agitador, introduir un termòmetre i escalfar uniformement.
Simultàniament, a l'iniciar el procediment s'activa un cronòmetre i de tant en tant s'anoten les corresponents parelles temperatura-temps.
La font de calor pot ser un encenedor de gas, amb bona velocitat d'escalfament, o bé una resistència elèctrica que a l'escalfar-se emet calor, la qual pot connectar-se a una font variable per aconseguir diferents potències.
Per a més precisió hi ha dues tècniques molt utilitzades en el laboratori de química:
- L'anàlisi tèrmica diferencial.
- La calorimetria diferencial d'escombrat.
En elles es compara la diferència de temperatura entre la mostra sota estudi i una altra mostra de referència amb alta temperatura de fusió, gairebé sempre un òxid d'alumini. Amb aquests mètodes es busca trobar fàcilment els punts de fusió i ebullició.
Exemples (aigua, ferro…)
Consideri les corbes d'escalfament per a l'aigua i per al ferro mostrades a la figura. L'escala de temps no es mostra, però és immediat distingir les temperatures de fusió per a les dues substàncies que corresponen a el punt B de cada gràfica: per a l'aigua 0 ºC, per al ferro 1500º C.
Figura 4. Corbes d'escalfament per a l'aigua i el ferro.
L'aigua és una substància universal i el rang de temperatures necessari per veure els canvis d'estat és fàcil d'aconseguir en el laboratori. Per al ferro es requereixen temperatures força més elevades, però tal com es va indicar anteriorment, la forma de la gràfica no canvia substancialment.
Fonent el gel
A l'escalfar la mostra de gel, d'acord a la gràfica ens trobem en el punt A, a una temperatura per sota de 0º C. S'observa que la temperatura augmenta a una taxa constant fins arribar a 0º C.
Les molècules d'aigua dins de el gel vibren amb més amplitud. Una vegada que s'arriba a la temperatura de fusió (punt B), les molècules ja poden moure unes davant d'altres.
L'energia que arriba s'inverteix en disminuir la força d'atracció entre les molècules, per això la temperatura entre B i C roman constant fins a tot el gel s'ha fos.
Convertint l'aigua en vapor
Una vegada que l'aigua es troba totalment en estat líquid, la vibració de les molècules s'incrementa de nou i la temperatura augmenta ràpidament entre C i D fins al punt d'ebullició en 100º C. Entre D i E la temperatura es manté en aquest valor mentre l'energia que arriba s'encarrega que tota l'aigua en el recipient es vagi evaporant.
Si s'aconsegueix contenir tot el vapor d'aigua en un recipient, pot seguir-escalfant des del punt I fins al punt F, el límit no es mostra a la gràfica.
Una mostra de ferro pot travessar aquests mateixos canvis. No obstant això, donada la naturalesa de l'material, els rangs de temperatura són molt diferents.
referències
- Atkins, P. Principis de Química: Els Camins de l'Descobriment. Editorial Mèdica Panamericana. 219-221.
- Chung, P. Heating curves. Recobrat de: chem.libretexts.org.
- Heating curves. Heat of Fusion and Vaporization. Recobrat de: wikipremed.com.
- Hewitt, Paul. 2012. Conceptual Physical Science. 5th. Ed. Pearson. 174- 180.
- Universitat de Valladolid. Grau en Química, Recobrat de: alojamientos.uva.es.