Universidad Del Magdalena CALOR ESPECÍFICO DE SÓLIDOS Jaime Avendaño, Avendaño, Jesith García, García, Carlos González, Iván Molina Molina Laboratorio de Física, Física, Facultad de Ingeniería, Ingeniería, niversidad niversidad del Magdalena !anta Marta " Abril ## de #$%&
RESUMEN Esta experiencia de laboratorio presenta la determinación del calor específico de diferentes sólidos, a través de la consideración de la conservación de energía y el concepto de capacidad calorífica. Para llevar a cabo esta experiencia, se intr introdu odujo jo cada cada mate materi rial al a una una temp temper erat atura ura cono conoci cida da en un calor calorím ímet etro ro a temperatura conocida que contenía una masa de agua, y se procedió a realizar los clculos correspondientes. ABSTRACT !"is laboratory experiment presents t"e determination of t"e specific "eat of differ different ent solids solids,, t"roug" t"roug" t"e conside considerat ration ion of energy energy conser conservati vation on and t"e concept concept of "eat capacity capacity.. !o carry carry out t"is t"is experim experiment, ent, eac" eac" materi material al #as introduced at a $no#n temperature a $no#n temperature calorimeter containing a body of #ater, and proceeded to perform t"e calculations. Palabras claves: calor específico, capacidad cap acidad calorífica, temperatura, energía. Keywords: specific heat, heat capacity, temperature, energy.
1. INTRODUCCIÓN El término capacidad calorífica calorífica quiere decir energía por cada grado de cambio de temperatura que se transfiere como calor cuando la temperatura del cuerpo cambia. %e puede definir la cantidad de calor que "ay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad, a esto se le llamada capacidad calorífica, o simplemente calor específico, es una característica del material de que est compuesto el cuerpo. &e esta manera, el obje objeti tivo vo de esta esta prc prcti tica, ca, es dete determ rmin inar ar el calor calor espe especí cífi fico co de sóli sólido doss "omogéneos.
2. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA Para el desarrollo de esta experiencia se valió de un montaje conformado por diferentes materiales, como calorímetro, ' muestras de diferente material, agua "irvie "irviendo, ndo, agua a temper temperatu atura ra ambien ambiente, te, "ilo, "ilo, termóm termómetr etro o digita digital, l, balanza balanza,, estufa eléctrica, vaso de precipitado y soporte universal. Para la realización del experimento, en primer lugar se determinó la masa del calorímetro seco y vacío, así como la masa de las muestras. (uego, cada una de las muestras se sumergió en agua en ebullición durante unos minutos, para luego introducirlas en el
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Universidad Del Magdalena calorímetro que contenía una cantidad de agua suficiente para cubrir al sólido. %e determinó la temperatura del agua antes de introducir el sólido. &espués, se midió la temperatura final de equilibrio, y la masa total del calorímetro ms el agua y el sólido.
3. RESULTADOS (os resultados obtenidos experimentalmente se muestran en la siguiente tabla)
Muestr a
Masa (g)
Masa de agua (g)
emperatura !nicial del "#lido ($%)
emperatura !nicial del agua ($%)
% # (
'$$ &)),+ '#,'
($% #*,# #)
)&,# )+,$ )+,%
#*,+ #*,+ #*,+
emperatura &inal ($%)
(#,) (+,+ ($,#
Para cada metal ensayado se determinó la masa del agua, el cambio de temperatura del agua cuando se puso en contacto con la muestra metlica y el cambio de temperatura de la muestra metlica.
M -#. ∆ / -#. ∆ / muest
Muestra ' ($% g
Muestra #*,# g
Muestra #) g
&,( 0C
* 0C
%,+ 0C
+%,( 0C
'),& 0C
+',) 0C
ra
'.*. Para determinar el calor específico de cada una de las muestras utilizadas, se consideran los datos obtenidos en la experiencia. El procedimiento se realiza teniendo en cuenta la definición de calor y utilizando las consideraciones de conservación de la energía. &e lo anterior se plantea que) Q per= Q gan &onde,
Q =mc ∆ T
&ebido a que el calorímetro fue el mismo para cada uno de los materiales, el valor de su masa y su calor específico es el mismo para las tres muestras. &e esta manera, m cal es la masa del calorímetro con mcal 24 g y c cal es el =
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Universidad Del Magdalena calor específico del calorímetro, el cual al ser de poliestireno expandido tiene cal un valor aproximado de c cal= 0,3 g °C . Para la muestra nmer! 1 se tiene) Q per= m1 c 1 ( T 1−T eq )
Q gan=m H O c H O ( T eq −T H O ) + mcal c cal ( T eq −T cal ) 2
&onde m H O 2
2
m1
2
es la masa del sólido,
c 1 es el calor específico del sólido,
es la masa del agua para el metal ensayado en ese caso (uego,
igualando las ecuaciones se tiene) m 1 c 1 ( T 1−T eq )=m H O c H O ( T eq −T H O ) + mcal c cal ( T eq −T cal ) 2
m H O c H O ( T eq−T H O ) + mcal c cal ( T eq −T cal ) 2
2
c 1=
( ) 1 cal
g ° C
( 32,9 ° C −28,6 ° C ) + ( 24 g )
( ) ( 0,3 cal
g ° C
32,9 ° C −28,6 ° C )
500 g ( 94,2 ° C −32,9 ° C )
301 g
c 1=
2
m1 ( T 1 −T eq )
( 301 g )
c 1=
2
c 1 se tiene)
&espejando
c 1=
2
( ) 1 cal
g °C
( 4,3 °C ) +( 24 g )
( )( 0,3 cal
g ° C
4,3 ° C )
500 g ( 61,3 °C )
(1294,3 cal )+ ( 30,96 cal ) 6433,3 g ° C
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Universidad Del Magdalena c 1=
1325,26 cal
=0,206
6433,3 g ° C
cal g °C
El valor del calor específico del sólido de la segunda muestra es muy cercano al valor del calor específico del aluminio, por lo cual se asume que la muestra era una masa de aluminio. &e esta manera, se puede calcular el porcentaje de error entre el valor obtenido experimentalmente y el valor teórico del calor específico del aluminio. El porcentaje de error del calor específico del cobre est dado por la ecuación, Error =
&onde
c Al− c 0 c Al
× 100
c Al es el valor teórico del calor específico del aluminio, y
c 0 es el
valor obtenido del calor específico del aluminio. +eemplazando los valores se tiene) cal cal −0,206 g °C g ° C × 100 = 4,18 cal 0,215 g ° C
0,215
Error =
Es decir, el resultado obtenido varía con respecto al valor esperado en un ,*-, que es el porcentaje de error del valor obtenido. Para la muestra nmer! 2 se tiene) Q per= m2 c 2 ( T 2−T eq ) Q gan=m H O c H O ( T eq −T H O ) + mcal c cal ( T eq −T cal ) 2
&onde m H O 2
m2
2
2
es la masa del sólido,
c 2 es el calor específico del sólido,
es la masa del agua para el metal ensayado en ese caso (uego,
igualando las ecuaciones se tiene) m 2 c 2 ( T 2 −T eq )=m H O c H O ( T eq −T H O ) + mcal c cal ( T eq −T cal ) 2
2
2
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&espejando
c 2=
c 2 se tiene)
m H O c H O ( T eq−T H O ) + mcal ccal ( T eq −T cal ) 2
2
m2 ( T 2 −T eq )
( 287,2 g ) c 2=
c 2=
c 2=
( ) 1 cal
g °C
( 36,6 ° C −28,6 ° C ) +( 24 g )
( )( 0,3 cal
g °C
36,6 −28,6 ) °C
499,6 g ( 96,0 °C −36,6 ° C )
( 287,2 g )
c 2=
2
( ) 1 cal
g °C
( 8 °C ) +( 24 g )
( ) ( 0,3 cal
g ° C
8 °C )
499,6 g ( 59,4 °C )
(2297,6 cal )+ ( 192,3 cal ) 29676,24 g ° C
2522,5 cal 29676,24 g° C
=0,085
cal g ° C
El valor del calor específico del sólido de la primera muestra es muy cercano al valor del calor específico del cobre, por lo cual se asume que la muestra era una masa de cobre. &e esta manera, se puede calcular el porcentaje de error entre el valor obtenido experimentalmente y el valor teórico del calor específico del cobre. El porcentaje de error del calor específico del cobre est dado por la ecuación, Error =
&onde
cCu −c 0 c Cu
× 100
c Cu es el valor teórico del calor específico del cobre, y
c 0 es el
valor obtenido del calor específico del cobre. +eemplazando los valores se tiene)
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Universidad Del Magdalena cal cal −0,085 g °C g ° C × 100 = 8,00 cal 0,0924 g ° C
0,0924
Error =
Es decir, el resultado obtenido varía con respecto al valor esperado en un -,//, que es el porcentaje de error del valor obtenido.
Para la muestra nmer! 3 se tiene) Q per= m3 c 3 ( T 3− T eq ) Q gan=m H O c H O ( T eq −T H O ) + mcal c cal ( T eq −T cal ) 2
&onde m H O 2
2
m3
2
es la masa del sólido,
c 3 es el calor específico del sólido,
es la masa del agua para el metal ensayado en ese caso (uego,
igualando las ecuaciones se tiene) m 3 c 3 ( T 3−T eq )= m H O c H O ( T eq −T H O ) + mcal c cal ( T eq−T cal ) 2
&espejando
c 3=
2
c 3 se tiene)
m H O c H O ( T eq−T H O ) + mcal ccal ( T eq −T cal ) 2
2
2
m3 ( T 3 −T eq )
( 297 g ) c 3=
( )( 1 cal
g ° C
30,2 °C −28,6 ° C ) + ( 24 g )
( )( 0,3 cal
g °C
30,2 °C −28,6 ° C )
52,5 g ( 96,1 ° C −30,2 ° C )
( 297 g ) c 3=
2
( ) 1 cal
g ° C
( 1,6 ° C ) +( 24 g )
( )( 0,3 cal
g °C
1,6 ° C )
52,5 g ( 65,9 ° C )
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c 3=
c 3=
( 475,2 cal)+ ( 11,52 cal ) 3459,75 g ° C
486,72 cal
=0,104
3459,75 g ° C
cal g °C
El valor del calor específico del sólido de la tercera muestra es muy cercano al valor del calor específico del "ierro, por lo cual se asume que la muestra era una masa de "ierro. &e esta manera, se puede calcular el porcentaje de error entre el valor obtenido experimentalmente y el valor teórico del calor específico del "ierro. El porcentaje de error del calor específico del cobre est dado por la ecuación, Error =
&onde
c Fe −c 0 c Fe
× 100
c Fe es el valor teórico del calor específico del "ierro, y
c 0 es el
valor obtenido del calor específico del "ierro. +eemplazando los valores se tiene)
0,114
Error =
cal cal − 0,104 g ° C g ° C × 100 =8,77 cal 0,114 g ° C
Es decir, el resultado obtenido varía con respecto al valor esperado en un -,00, que es el porcentaje de error del valor obtenido. '.1. (a temperatura de ebullición del agua es la temperatura a la que la presión de vapor saturada es igual a la presión atmosférica, y depende de la presión atmosférica y por tanto varía con la altitud. (a temperatura de ebullición de un líquido a una presión de * atm es su punto normal de ebullición. El punto de ebullición normal del agua es de *//2 3. (a temperatura de ebullición aumenta al incrementarse la presión externa.
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Fig1 (1%1 2resi3n de va4or del agua en 5unci3n de la tem4eratura1 La tem4eratura en la 6ue la 4resi3n de va4or es de +$ torr es el 4unto de ebullici3n normal del lí6uido1 '.'. %i el calentador se "ubiera desconectado antes de lo indicado cada muestra de sólido no "ubiese ganado tanto calor, debido a que su temperatura no se "ubiera elevado de la manera en la que lo "izo. %in embargo, si esto "ubiera ocurrido, no se "ubiese alterado el resultado final, puesto que la energía es conservativa, el en ese caso, variaría el calor ganado y perdido por cada sistema al entrar en contacto térmico, pero no el calor específico del sólido, que se considera como constante debido a la peque4a variación que presenta con la temperatura. ". DISCUSIÓN # AN$LISIS En relación a la teoría se sabe que el calor específico de una sustancia es la capacidad calorífica por unidad de masa, es decir, la cantidad de energía necesaria para elevar en *23 la temperatura de esa muestra por unidad de masa. 5 partir de este concepto, fue posible determinar el calor específico de los distintos materiales utilizados como muestras en esta experiencia.
Para el primer material, se obtuvo un calor específico muy cercano al calor específico del aluminio, por lo cual se consideró que la primera muestra era una masa de aluminio. 3omparando el resultado obtenido experimentalmente con el valor teórico del calor específico, se presentó un margen de error del ,*-, a partir del cual se puede plantear un resultado aceptable para este proceso. En relación al segundo material, se obtuvo un calor específico muy cercano al calor específico del cobre, por lo cual se consideró que la segunda muestra era una masa de cobre. 3omparando el resultado obtenido experimentalmente con
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Universidad Del Magdalena el valor teórico del calor específico, se presentó un margen de error del -,//, a partir del cual se puede plantear un resultado aceptable para este proceso. 3on el tercer material, se obtuvo un calor específico muy cercano al calor específico del "ierro, por lo cual se consideró que la tercera muestra era una masa de "ierro. 3omparando el resultado obtenido experimentalmente con el valor teórico del calor específico, se presentó un margen de error del -,00, a partir del cual se puede plantear un resultado aceptable para este proceso. Estas variaciones del calor específico con respecto al valor real de cada material considerado, se pudieron "aber presentado a errores sistemticos experimentales, como instrumentales, por parte del ca lorímetro o la balanza mal calibrada, o principalmente errores de observación, en el momento de realizar mediciones como la temperatura o la masa. 5dems, se le puede sumar a esto el "ec"o de que cada sólido perdió una peque4a cantidad de calor al sacarlos del agua caliente y someterlos con el medio a temperatura ambiente antes de colocarlos en el calorímetro. %. CONCLUSIONES
5 partir de esta experiencia prctica se observa que la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una masa de cierto material de una temperatura a otra es aproximadamente proporcional al cambio de temperatura y a la masa del material. 5dems, la cantidad de calor requerida también depende de la naturaleza del material, es decir, varía de un material a otro. En esta prctica de laboratorio, se aplicó eficientemente el principio de conservación de la energía, que establece que la energía total inicial de un sistema es igual a la energía final total del mismo sistema, y por medio de este principio se pudo calcular el calor específico para cada muestra. &entro de las aplicaciones del calor específico se encuentran la fabricación de materiales térmicos para aislar la temperatura de un "orno o un recipiente. 5dems, el agua, que tiene el ms alto calor específico de los materiales comunes, causa en parte las moderadas temperaturas que se encuentran cerca de grandes masas de aguas. 3uando disminuye la temperatura de una masa de agua durante el invierno, por medio de calor se transfiere energía del agua al aire, aumentando así la energía interna del aire. El aire lleva esta energía "acia tierra cuando los vientos prevalecientes sean favorables. &. REFERENCIAS
Resnick, R., Halliday, D., & Krane, K. (1993). Fisica Volumen I Cuarta Edición. Edi!rial "!ninenal.
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