Determinación experimental experimental del calor específico de los materiales bronce y aluminio. 2010 Carlos R. Meléndez Feliciano Departamento Departamento de Física, Universidad de Puerto Rico en Bayamón Industrial Minillas 170 Carretera 174, Bayamón, PR, 00959-1919 Abstracto: El calor específico determina determina la cantidad de energía de calor que hay que añadirle a un kilogramo del material para para que su temperatura aumente un grado o sea es la capacidad calórica por unidad de masa. El calor específico de los materiales puede ser determinado experimentalmente usando la técnica de calorimetría y llevando a cabo el método de mezclas. Observando la transferencia de calor entre los materiales envueltos en el calorímetro se encontrará el calor específico del bronce y del aluminio. Se hará una comparación entre los valores valores experimentales y teóricos teóricos del calor específico de estos materiales. 1 Introducción La calorimetría es el procedimiento más habitual para medir medir calores calores específic específicos, os, consiste consiste en sumergir sumergir una cantidad del cuerpo sometido a medición en un baño de agua agua de temper temperatu atura ra conoci conocida. da. Supon Suponien iendo do que el sistema sistema está aislado, aislado, cuando cuando se alcance alcance el equilibri equilibrio o térmico se cumplirá que el calor cedido por el cuerpo será igual al absorbido por el agua, o a la inversa.. El uso principal del calorímetro es mantener un sistema aislado para que no haya pérdida de energía de calor y solo solo hay haya una una tras trasfe fere renc ncia ia de ener energí gíaa entr entree los los materiales envueltos en el sistema. Y así el método de mezclas sea eficiente. Existe una proporcionalidad entre energía de calor y cambio en temperatura y esta dado por:
calorímetro, se armó de forma correcta y se le midió su temperatura inicial con un termómetro. Luego el metal se calent calentó ó en agua agua hirvie hirviendo ndo a 100ºC 100ºC por unos 10 minutos para que este logre alcanzar esa temperatura de 100º 100ºC. C. Rápi Rápida dame ment ntee se depo deposi sitó tó el meta metall en el calorímetro. Donde la temperatura del agua estaba a menor temperatura que la del metal. Durante todo ese proceso se mantuvo midiendo la temperatura hasta que todo todoss los los comp compon onen ente tess del del sist sistem emaa lleg llegar aran an a un equilibrio térmico. La cantidad de energía de calor que pierd pierdee el materi material al descon desconoci ocido do va hacer hacer igual igual a la cant cantid idad ad de ener energí gíaa de calo calorr que que gana gana el agua agua.. Y podemos establecer la siguiente igualdad: Q frio = –Qcaliente
Q = mc∆ T
(1) Q ganado = –Q ganado
Donde Q = energía de calor ; m = masa; masa; c = calor específico T = temperatura (Celsius) El calor específico varía de material en material dependiendo de la química del material. Mientras mayor sea el calor específico del material menor cambio en temperatura se observará en el. Calores específicos teóricos: Aluminio = 921 J/kg ºC Bronce = 835 J/kg ºC Agua = 4,186 J/kg ºC 2 Técnica y descripción del procedimiento procedimiento La técnica que se uso en el experimento es el método de mezclas. Primero se tomó una muestra de agua capaz de cubrir cubrir completamen completamente te la superficie superficie del metal cuando cuando este se depositó en el envase del calorímetro. Con una balan balanza za se midió midió la masa masa del agua, agua, del envase envase del calorímetro, del agitador y de la muestra del metal que le queremos queremos encontrar encontrar su calor calor específi específico. co. Luego Luego se depositó la muestra de agua en el envase del
Utiliz Utilizand ando o la ecuac ecuación ión (1) y susti sustituy tuyend endo o cada cada Q tenemos: mwcw∆ T + mresipientecaluminio∆ T = –mmcm∆ T (2) Usando ecuación (2) y despejando despejando para c desconocido desconocido del metal:
c=
mwcw∆T +mrecipiente calu ∆T −mm∆T
(3) 3 Datos experimentales experimentales Datos obtenidos en el experimento de aluminio: •
Masa del resipiente de aluminio = 0.0739 kg
•
Masa del cubo de aluminio = 0.0875kg
•
Temperatura inicial del aluminio = 100ºC
•
Masa del agua = 0.1749 kg
•
Temperatura inicial de equilibrio termal entre el recipiente y el agua = 9.8ºC
Temperatura final en equilibrio termal entre el recipiente, agua y cubo de aluminio = 17.8ºC Datos obtenidos en el experimento de bronce: •
•
Masa del resipiente de aluminio = 0.0739kg
•
Masa del cubo de bronce = 0.2703kg
•
Temperatura inicial del bronce = 100 ºC
•
Masa del agua = 0.0173kg
•
Temperatura inicial de equilibrio termal entre el resipiente y el agua = 12.4 ºC
La grafica grafica 1 nos ilustra ilustra una compar comparació ación n entre los valores del calor específico obtenidos experimentalmente con los teóricos. Las barras grises claras claras represent representan an los calores calores específic específicos os obtenidos obtenidos experimentalmente experimentalmente en el laboratorio. Y las barras grises oscura oscurass con repre represen sentan tan el calor calor especí específic fico o teóric teórico o dados en la literatura y por el profesor en clase. El experimento del bronce logró ser mas preciso ya que su porcentaje error resulto ser mas bajo.
6 Conclusión El porcentaje de error entre el calor especifico teórico y experimental del aluminio fue un 3.36%. El porcentaje de error entre el calor especifico experimental y teórico Temperatura final en equilibrio termal entre el • del bronce fue de 0.36%. El porcentaje de error fue resipiente, agua y cubo de bronce = 22.6 ºC rela relati tiva vame ment ntee acep acepta tabl ble. e. De esta esta form formaa se pued puedo o conclu concluir ir que el métod método o de mezcla mezclass es una manera manera eficie efi ciente nte para par a determ det ermina inar r el calor cal or especí esp ecífic fico o de los 4 Resultados mate materi rial ales es.. Algu Alguno noss de los los fact factor ores es el cual cual no Util Utiliz izan ando do ecua ecuaci ción ón (3) (3) y sust sustit ituy uyen endo do los los dato datoss obtuvi obt uvimo mos s unos uno s calore cal ores s especí esp ecífic ficos os mas precis precisos os experimen experimentale taless para encontrar encontrar el calor específico específico de pueden haber sido: aluminio encontramos: • Un calorí calorímet metro ro de mas precisión precisió n el J J ( 0.1749 kg ) ⋅ 4186 kg °C ⋅ ( 8°C ) + ( 0.0739 kg ) ⋅ 921 kg °C ⋅ ( 8°C ) cual cree un c= s istema mas ( 0.0875 kg ) ⋅ (100 100 °C − 17 .8°C ) aislado. • El periodo en el cual se tarda el material en ser c =890 J depo deposi sita tado do en el agua agua esta esta haci hacien endo do un kg °C equilibrio térmico con el ambiente. • La gana gananc ncia ia de masa masa de agua agua,, ya que que el material se calienta en agua hirviendo y puede Util Utiliz izan ando do ecua ecuaci ción ón (3) (3) y sust sustit ituy uyen endo do los los dato datoss estar un poco mojado al depositarse en el agua experimen experimentale taless para encontrar encontrar el calor calor específi específico co del y hace que el sistema tenga mas masa de agua. bronce encontramos: •
c=
⋅ (10 .2°C ) +( 0.073 ( 0.173 173 kg ) ⋅ 4186 J kg °C
c = 386 J 5
( 0.2703 kg ) ⋅ (100 °C − kg °C
Calor específico Experital vs. Teórico 890 921
Exp. Teo.
386
Referencias
Halliday Halliday,, David, David, Walker, Walker, Jearl, Jearl, & Resnick, Resnick, Robert. (2007). Fundamentals of physics. physics. John Wiley & Sons Inc.
Discusión de los resultados
1000 900 800 o ) c g700 i f i K c * 600 e s u p i s c500 e l e 400 r o C / l 300 a J ( c 200 100 0
7
La pérd pérdid idaa de masa masa,, cuan cuando do el mate materi rial al redeposita en el agua puede salpicar un poco de agua y entonces el sistema pierde masa.
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calor especifico calor especifico aluminio material bronce
Grafica 1 (fuente: Carlos R. Meléndez, 2010)
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