UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERU

PROLOGO

Mucha veces hemos tenido la sensación al tocar un metal y un trozo de madera tenemos la impresión casi con total seguridad de que el metal se encuentra a menor temperatura que la madera ¿pero cómo es posible esto si tanto el metal y la madera se hallan en el mismo ambiente? O cuando observamos a personas caminando por zarzas ardientes estas y otras interrogantes resolveremos en el presente informe

este presenta la experiencia de laboratorio en la cual se estudiara el calor específico aplicado a los sólidos mediante el uso de un modelo dinámico simple permitirá determinar el calor específico de 3 muestras solidas así como la capacidad calorífica de un calorímetro.

Primero se determinara la capacidad calorífica de un calorímetro convencional

Luego se determinara el calor específico para lo cual se hará uso del calorímetro y mediante la agregación de agua fría y luego la pieza de metal calentada a una determinada temperatura se hallara una temperatura de equilibrio, la cual permitirá hallar el calor especifico del solido repitiendo estos pasos para las demás piezas metálicas.

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CALOR ESPECÍFICO

1.-OBJETIVO:

Determinar la capacidad calorífica de un calorímetro

Determinar el calor específico de un cuerpo sólido. Utilizando el método de mezclas

2.-EQUIPOS Y MATERIALES:

Un (01) calorímetro con sus accesorios

Una (01) cocina eléctrica

Tres (03) Cuerpos sólidos (de bronce, cobre y aluminio)

Un (01) termómetro

Un (01) recipiente con agua

Una (01) extensión eléctrica

3. -FUNDAMENTO TEORICO:

La medición de las cantidades de calor intercambiadas, proceso que se conoce como calorimetría, se introdujo en la década de 1970.los químicos de ese tiempo encontraron que cuando un objeto caliente, por ejemplo, un bloque de latón era sumergido en agua el cambio resultante en la temperatura del agua dependía de ambas masas y de la temperatura inicial del bloque.

Observaciones ulteriores demostraron que cuando dos bloques similares a la misma temperatura inicial eran sumergidos en baños de agua idénticos, el bloque de masa mayor causaba un cambio mayor en la temperatura; asimismo para dos bloques idénticos a temperatura diferentes, el bloque más caliente originaba un cambio mayor en la temperatura del agua .

Por último, para bloques de la misma masa y temperatura inicial, pero de composición diferente, en cambio de temperatura era diferente para materiales diferentes.

Podemos sintetizar estas observaciones describiendo los objetivos en términos de su capacidad calorífica, que es la cantidad de calor requerida de una misma sustancia para cambiar la temperatura de un objeto en 1ºC.

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Las cantidades de calor cedida o absorbida por masas de una misma sustancia son directamente proporcionales a la variación de la temperatura:

(1)

También el calor cedido o absorbido por masas distintas de una misma sustancia, son directamente proporcionales a estas:

(2)

Entonces el calor específico (c) de un sistema se define como:

(3)

Donde dQ es la cantidad de calor intercambiada entre el sistema y el medio que lo rodea; dT viene a representar la variación de temperatura experimentada por el sistema de masas.

La capacidad calorífica o simplemente calor especifico, como suele llamarse, es el calor requerido por un material para elevar un grado de temperatura de una unidad de masa. Un material con calor específico elevado, como el agua, requiere mucho calor para cambiar su temperatura, mientras que un material con un calor especifico bajo, como la plata, requiere poco calor específico para cambiar su temperatura.

La cantidad de calor Q necesaria para calentar un objeto de masa “m” elevando su temperatura ΔT, está dada por:

Q = mcΔT (4)

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Donde “c” es el calor especifico del material a partir del cual se ah fabricado el objeto. Si este se enfría, entonces el cambio en la temperatura es negativo, y el calor Q se desprende del objeto. Las unidades del calor específico son:

cal/g*ºC, J/Kg.*ºC o BTU /lb*ºF.

La cantidad de calor transferida o absorbida por el sistema depende de las condiciones en que se ejecuta el proceso.

El calor latente de cambio de estado de una sustancia, es la cantidad de calor que hay que suministrar a su unidad de masa para que cambie de un estado de agregación a otro, lo que hace a temperatura constante. Así el calor latente de fusión es el correspondiente al cambio de estado sólido a líquido, que tiene el mismo valor que en el proceso inverso de líquido a sólido.

Una de las formas de determinar el calor latente de cambio de estado es por el método de las mezclas. Consiste en mezclar dos sustancias(o una misma en dos estados de agregación distintos) a diferentes temperaturas y presión constante, de manera que una de ellas ceda calor a la otra y la temperatura del equilibrio final es tal que una de ellas al alcanzarla, realiza un cambio de estado. Es una condición importante es que no haya perdidas caloríficas con el medio exterior. Esto lo conseguimos ubicando la mezcla en el calorímetro, que hace prácticamente despreciable esta pérdida calorífica hacia el exterior.

Obviamente se ha de tener en cuenta la cantidad de calor absorbida por el calorímetro.

Supongamos que la mezcla está constituida por una masa ma, a temperatura Ta y otra m* de otro cuerpo a temperatura T* que supondremos mayor que Ta y llamaremos ca al calor especifico del agua y c* al calor especifico del otro cuerpo. La mezcla adquirirá una temperatura de equilibrio Tx, para lo cual la masa ma a absorbido (ganado) calor y la masa m* a cedido (perdido) calor; ósea:

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Q cedido = Q absorbido (5)

m*c*(T*-Tx) = maca(Tx-Ta) + mccc (Tx-Tc) (6)

Dónde:

Tc = Tx; Tc es la temperatura del calorímetro.

mc = masa del calorímetro.

De donde podemos observar que si uno de los calores específicos es conocido además del calorímetro, entonces, el otro queda automáticamente determinado. Este es el fundamento del método de mezclas que conduce a la determinación del calor específico medido de un intervalo de temperatura de un rango amplio.

De la ecuación anterior podemos obtener el calor específico de un calorímetro cuyo valor no se conoce, a partir de otras muestras o sustancias conocidas:

Cc = m*c*(T*-Tx) - maca (Tx-Ta)

mc(Tx-Tc)

El calorímetro es un recipiente construido de tal forma que impide la conducción de calor a su través. En la mayoría de los casos suele tener dobles paredes entre las que se ah hecho el vacío o lleva un material aislante térmico, que impide o minimiza la conducción de calor y por ello conserva muy bien la temperatura de los cuerpos que se encuentran dentro. En su tapadera llevan dos orificios, uno para introducir el termómetro y el otro para el agitador, fue diseñado para el estudio de las mediciones en intercambio de calor.

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4.-EQUIPOS Y MATERIALES:

Calorímetro:

Cocina eléctrica:

Cuerpos sólidos:

Aluminio Plomo

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Cobre Termómetro

Recipiente de agua

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5.-PROCEDIMIENTO:

a).-Determinar el calor especifico de calorímetro:

1. Mida la masa del calorímetro.(mc)

2. Verter agua fría en el calorímetro a unos ¾ de su volumen. Determinar las masa del agua fría (maf) utilizada, por diferencia de masas en la balanza

3. Coloque el termómetro en el agua del calorímetro, espere unos segundos que la lectura del termómetro sea constante y mida la temperatura de ambos (Taf).

4. Verter agua (de masa conocida) en el recipiente de la cocina eléctrica.Encender la cocina y calentar la masa de agua conocida (mac),cuandoEste a una temperatura de 450C u otra indicada por el profesor mida la Temperatura del agua caliente (Ti-ac)

5. Vierta el agua caliente en el calorímetro que contiene el agua fria y mida la temperatura de equilibrio (Tequi), para ello, agite el agua y espere unos segundos a que la lectura del termómetro sea constante.

6. Use la ecuación (7) para determinar el calor especifico del calorímetro

7. Registre todos sus datos en la tabla Nº1

Observación: el calorímetro nunca se pondrá en la cocina:

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Tabla Nº1: medida experimental y tratamientos de datos para el calorímetro

b).-Determinar el calor específico de los sólidos:

1. Repita los pasos del 1 al 3.

2. Verter agua en el recipiente de la cocina eléctrica e introducir muestras sólidas de masa conocida (ms) a usar (bronce, cobre y aluminio) Encender la cocina y calentar el agua hasta la temperatura de ebullición (1000C) registre la temperatura del agua caliente que será la misma temperatura inicial para las muestras solidas (Ti-ac = Ti-s)

3. Lleve una muestra sólida caliente dentro del agua fría del calorímetro y mídala temperatura de equilibrio (Tequi), para ello, agite el agua y espere unos segundos a que la lectura del termómetro sea constante.

4. Use la ecuación (5) de calor específico para hallar el calor específico de la muestra sólida.

5. Repita los pasos 9 y 10 para las otras muestras sólidas (no se olvide medir las temperaturas iníciales del agua fría respectivamente)

6. registre todos sus datos en la tabla Nº 2.

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ESTADO INICIAL

ELEMENTO MASA (g) TEMPERATURA (ºC)

CALORIMETRO 155g 25ºC

AGUA FRIA 179,5g 25ºC

AGUA CALIENTE 92,07g 90ºC

ESTADO FINAL TEMPERATURA DE EQUILIBRIO TERMICO

44ºC

CALOR ESPECIFICO DEL CALORIMETRO

44ºC

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Observaciones: tenga mucho cuidado con el agua caliente.

TABLA Nº2 medidas experimentales y tratamiento de datos para los sólidos.

DETALLESSOLIDOS

S1 S2 S3

MASA M(G) 146G CU 181,5PB 46,4AL

TE

MP

ER

AT

UR

A

T I-AF 92ºC 92ºC 92ºC

T I_S 38ºC 30ºC 39ºC

T EQUI 38ºC 30ºC 39ºC

Observaciones: considere para su s cálculos que el calor especifico del agua ;c =1 cal/gºC. Que está determinado con un error absoluto de +- 0.1cal/g ºC.

DETERMINACIÓN PARA HALLAR EL CALOR ESPECÍFICO DEL CALORIMETRO.

magua fria = 118.4g mcal = 52,5g

Ceagua = 1cal/gºC Cecal = ¿?

To = 20ºC To = 20ºC

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ΔT = Tequi - To

ΔT = 58 – 20 = 38ºC

Tequi=58ºC

mR+agua= 424.7g ; mR=228.3g

magua caliente = 196.4g

Ceagua = 1cal/gºC

T1= 80ºC

ΔT1= - 22ºC

Qganado + Q perdido = 0

magua fria. Ceagua. ΔT + mcal. Cecal. ΔT+ magua caliente. Ceagua. ΔT1=0

(118.4)(1)(35)+(52,5)Cecal(38)+(196.4)(1)(-22)=0

Cecal= 0.09 cal/gºC

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DETERMINACIÓN PARA HALLAR EL CALOR ESPECÍFICO EN LOS SÓLIDOS:

magua fria=250.5 g ; mcal = 52,5g

Ceagua = 1cal/gºC

Aluminio:

mAl= 46g

Tagua fria= 23ºC ; Tequi= 25ºC

Tagua caliente= 80ºC

ΔT= 5ºC

ΔT1= -55ºC

Aplicando las ecuación anterior: CeAl =0.21 cal/gºC Respuesta

Plomo:

mAl= 181.5g

Tagua fria= 28ºC ; Tequi= 30ºC

Tagua caliente= 80ºC

ΔT= 2ºC

ΔT1= -50ºC

Aplicando la ecuación anterior: CePb=0.034 cal/gºC Respuesta

Cobre:

mAg= 104.3g

Tagua fria= 27ºC ; Tequi= 30ºC

Tagua caliente= 80ºC

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ΔT= 3ºC

ΔT1= -50ºC

Aplicando la ecuación anterior: CeCu=0.10 cal/gºC Respuesta

LUEGO ADJUNTAMOS EL CUADRO DE MARGENES DE ERROR PARA LOS METALES RESPECTIVOS.

Ce TEORICO

cal/gºC

Ce PRACTICO

cal/gºC

ERROR RELATIVO

ALUMINIO 0.214 0.21 ((0.21 -0.214)/ 0.214)x100= -1.86%

COBRE 0.092 0.10 ((0.10 -0.092)/ 0.092)x100= 8.69%

PLOMO 0.031 0.034 ((0.034-0.031)/ 0.031)x100=9.67%

6.-CUESTIONARIO:

6.1. Defina la caloría, el calor específico de una sustancia y la capacidad calorífica de un cuerpo.

La caloría (símbolo cal) es una unidad de energía no perteneciente al Sistema Internacional de Unidades basada en el calor específico del agua. Aunque debe ser sustituida por el julio del Sistema Internacional, la caloría permanece en uso debido a su utilización generalizada para expresar el poder energético de los alimentos. Se define la caloría como la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar un grado centígrado la temperatura de un gramo de agua pura, desde 14,5 °C a 15,5 °C, a una presión estándar de una atmósfera. La kilocaloría (símbolo Kcal) es igual a 1000 cal. Una caloría es equivalente a 4,1868 J.

El calor específico es la energía necesaria para elevar 1 ºC la temperatura de una masa determinada de una sustancia. El concepto de capacidad calorífica es análogo al anterior pero para una masa de un mol de sustancia (en este caso es necesario conocer la estructura química de la misma).

El calor específico es un parámetro que depende del material y relaciona el calor que se proporciona a una masa determinada de una sustancia con el incremento de temperatura:

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Dónde:

Q es el calor aportado al sistema. m es la masa del sistema.

c es el calor específico del sistema.

ΔT es el incremento de temperatura que experimenta el sistema.

Las unidades más habituales de calor específico son:

[c] = [c] =

La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. En una forma menos formal es la energía necesaria para aumentar 1 K la temperatura de una determinada cantidad de una sustancia, (usando el SI).1 Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica..

6.2. ¿Cuál de los materiales posee mayor calor especifico (c)? Explique

CeAl=0.210 cal/gºC

Por tener menor cantidad de masa

6.3. ¿Tiene sentido hablar de la capacidad calorífica de una sustancia?

La capacidad calorífica de una sustancia es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor.

6.4. ¿Por qué es usual expresar la capacidad calorífica de un calorímetro en “gramos agua”?

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Porque la temperatura es directamente proporcional a la cantidad de agua en gramos.

6.5. Describa como utilizaría un calorímetro de agua para determinar el calor específico de una sustancia sólida. Escriba las ecuaciones correspondientes.

Primer medimos la masa del recipiente solo y luego con agua de ahí retiramos la masa del agua fría.

Luego masamos el calorímetro, medimos la temperatura del agua fría ; introducimos la masa del sólido al agua caliente y medimos la temperatura. Finalizando hacemos la mezcla de agua caliente y agua fría, medimos la temperatura de equilibrio.

Aplicamos la ecuación de:

Qganado + Q perdido = 0

magua fria. Ceagua. ΔT + mcal. Cecal. ΔT+ msolido.Cesolido. ΔT1=0

6.6. Compare los resultados obtenido para el calor específico de las muestras solidas con su valor real. Estudie las posibles causas de la diferencia existente

CeAl =0.21 cal/gºC ; CeAl =0.21cal/gºC REAL

CeAg=0.057 cal/gºC ; CeAg=0.06 cal/gºC REAL

CeCu=0.10 cal/gºC; CeCu=0.09 cal/gºCREAL

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6.7. Explique cómo utilizaría el “método de las mezclas” para determinar el calor latente de vaporización del agua y escriba las ecuaciones correspondientes

Una de las formas de determinar el calor latente de cambio de estado es por el método de las mezclas. Consiste en mezclar dos sustancias (o una misma en dos estados de agregación distintos) a diferentes temperaturas y presión constante, de manera que una de ellas ceda calor a la otra y la temperatura del equilibrio final es tal que una de ellas al alcanzarla, realiza un cambio de estado. Es una condición importante es que no haya perdidas caloríficas con el medio exterior. Esto lo conseguimos ubicando la mezcla en el calorímetro, que hace prácticamente despreciable esta pérdida calorífica hacia el exterior.

Obviamente se ha de tener en cuenta la cantidad de calor absorbida por el calorímetro.

Qganado = Q perdido

m*c*(T*-Tx) = maca(Tx-Ta) + mc cc (Tx-Tc)

6.8 .Un pequeño bloque de metal (de 74 g de masa) se calienta en un horno a 900C .Al sacarlo del horno inmediatamente se coloca en un calorímetro. El calorímetro contiene 300g de agua a 100C .La capacidad calorífica del aparato es mínima y la temperatura final es 140C cuál es el material del bloque? Si las muestras posibles son:

Aluminio, hierro, plata o zinc

msolido= 74g

Tagua caliente= 90 ºC

Tagua fria=10 ºC ; Tequi= 14 ºC

ΔT= 4 ºC

ΔT1= 76 ºC

magua fria. Ceagua. ΔT + mcal. Cecal. ΔT+ msolido.Cesolido. ΔT1=0

Cesolido= 0.24 cal/g ºC CeAl =0.21cal/gºC REAL

6.9. Cuál cree que han sido las posibles fuentes de error en su experimento?

Medir con exactitud la temperatura de equilibrio para todos los casos.

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La inexactitud de la masa de los cuerpos mediante la balanza

6.10. Como aplicaría este tema en su carrera profesional?

En la combustión de un motor que nace de una chispa que explosiona y emite calor que luego se convierte en energía mecánica.

OBSERVACIONES:

Registramos los datos exactos de su experimento ya que si no el margen de error puede ser mayor al 10%.

CONCLUSIONES:

El calor específico a una misma temperatura no es igual para todos los materiales.

Distintas sustancias tienen diferentes capacidades para almacenar energía interna al igual que para absorber energía ya que una parte de la energía hace aumentar la rapidez de traslación de las moléculas y este tipo de movimiento es el responsable del aumento en la temperatura.

Cuando la temperatura del sistema aumenta Q y ∆T se consideran positivas, lo que corresponde a que la energía térmica fluye hacia el sistema, cuando la temperatura disminuye, Q y ∆T son negativas y la energía térmica fluye hacia fuera del sistema.

El equilibrio térmico se establece entre sustancias en contacto térmico por la transferencia de energía, en este caso calor; para calcular la temperatura de equilibrio es necesario recurrir a la conservación de energía ya que al no efectuarse trabajo mecánico la energía térmica total del sistema se mantiene.

RECOMENDACIONES:

No intente hacer esto en casa

Tener buen criterio al desarrollar este laboratorio

BIBLIGRAFIA:

http://es.wikipedia.org/wiki/Calor_especifico

SERWAY, Raymond A. Física, Cuarta Edición. Editorial McGraw-Hill, 1996.

LEA Y BURQUE, " physics: The Nature of Things", Brooks/ Cole 1997.

Física. Elementos de Física. Sexta edición. Edelvives. Editorial Luis Vives S.A. Barcelona ( España); 1933

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