CALOR ESPECÍFICO Y DENSIDAD

Prácticas de Física General - 1º Ingeniería Química - 1º Licenciatura en CC. Químicas

_________________________________________DEPARTAMENTO DE FÍSICA APLICADA Página 1 _________________________________________DEPARTAMENTO Francisco J.Navarro Rodríguez

CALOR ESPECÍFICO Y DENSIDAD Objetivos

-

Manejo de del ca calibre. Evalua Evaluació ciónn de fuente fuentess de error error en en la deter determin minaci ación ón de una una magnit magnitud ud indire indirecta cta.. Medir Medir el calor calor especí específic ficoo de diferen diferentes tes metale metaless y tratar tratar de encont encontrar rar su natu natural raleza eza..

Primera parte: Cálculo del equivalente en agua de un calorímetro. Análisis de errores ∆ K

Se encuentra como práctica independiente Segunda parte: Cálculo densidad de de diversos sólidos por dos métodos. Fundamentos teóricos

Para calcular la densidad (propiedad específica) necesitamos medir la masa del sólido (balanza) y determinar su volumen. Éste último se puede medir DIRECTAMENTE a través del volumen de líquido desplazado al sumergir el sólido en el seno de éste. Otro método INDIRECTO para calcular el volumen es a través de la medida de diámetros y/o longitudes y aplicando la correspondiente ecuación que más se aproxime a la geometría del sólido. Manejo del calibre1

Con el calibre podemos determinar longitudes (espesores, profundidades) y diámetros (internos y externos) con una gran precisión (hasta 10 veces más que con una regla milimetrada). Consta de una regla provista de un nonius. El nonius es un aparato destinado a la medida precisa de longitudes o de ángulos. El empleado para la medida de longitudes consta de una regla dividida en partes iguales, sobre la que desliza una reglilla graduada (nonius) de tal forma que n-1 divisiones divisiones de la regla se dividen en n partes iguales del nonius. Si D es la longitud de una de las divisiones de la regla, la longitud de una división de nonius es d=D(n-1)/n Así, si cada división de la regla tiene por longitud un milímetro, y se han dividido nueve divisiones de ella en diez del nonius, la precisión es de 1/10 de mm (nonius decimal). Para medir, debemos debemos expresar la longitud en mm y la siguiente cifra decimal (10-4 m) vendrá dad por la primera raya del nonius que coincida con una división de la regla del calibre (escala superior). Estos ejemplos te ayudarán a entender:

1

Calibre virtual: http://www.educaplus.org/inde http://www.educaplus.org/index.php?option=com_con x.php?option=com_content&task=view&id=25 tent&task=view&id=25&Itemid=33 &Itemid=33

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Toma de datos y resultados

Para no perderse entre los sólidos conviene numerarlos y dibujarlos. Para hallar el volumen despreciaremos muescas, ganchos o irregularidades difíciles de medir, por lo que introduciremos un error que trataremos de compensar con la medida del volumen por el método del desplazamiento de líquido. Dibujo del sólido

Nº

d2 teórica

Método del desplazamiento de líquido

Método geométrico

m(g)

Longitudes

VG(cm3)

Diámetro

dG(g/cm3)

VD(cm3)

dD(g/cm3)

1 2 3 4 5 6 Cálculo del error ∆ L = mm; ∆ D mm a. Magnitudes directas : ∆m = g ; b. Magnitudes indirectas : aplicaremos el método general de propagación de errores. • •

Volumen por desplazamiento: V sólido =V F −V O →∆V Sólido = ∆V F + ∆V O Volumen por geometría: 2 D. H D 2 2π π . D π o Cilindro: V = . H →∆V = .∆ D + .∆ H 4

o o

•

4

4

3

 D  ....   3  2  Paralelepípedo: V = a.b.c →..... Esfera: V =

Densidad: d =

m

4

π

→ ∆d =

1

.∆m +

V V Resultado final y conclusiones . Método Dibujo geométrico Nº del sólido 3 ∆VG(cm

)

m V 2

.∆V

Método del desplazamiento de líquido 3

∆dG(g/cm

)

∆VD(cm

3

3

)

∆dD(g/cm

)

Conclusiones (Valora la precisión de cada método)

1 2 3 4 5 6 Tercera parte: Cálculo del calor específico de los sólidos anteriores. Fundamentos teóricos

El calor específico3 es una propiedad específica que viene determinada por la cantidad de energía (J) que tiene que absorber 1 kg de sustancia para que su temperatura se eleve 1K. Se expresa por lo tanto en J/kg.K, aunque también se suele expresar en cal/g.ºC. Para calcularlo trabajaremos evaluando el calor cedido por el foco caliente (sólido) y el absorbido por los focos fríos (calorímetro y agua fría). mc .ce ( SÓLIDO ) .∆T c =( m F + K ).c e ( AGUA) .∆T F

De dónde deduciremos el valor del calor específico del sólido:

ce ( SÓLIDO )

=

(m f

+ K)

c e(AGUA) .∆Tf

m c .∆T c 2

Sólo si se tiene idea de qué sólido puede ser.


Recuerda que K, equivalente en agua de tu calorímetro, lo mediste en la primera parte. Montaje, precauciones y procedimiento

Ataremos un hilo a los sólidos antes de introducirlos en agua. Calentamos los sólidos introduciéndolos en un cazo con agua y calentadores eléctricos hasta una temperatura aproximada de 80-90ºC que mediremos tocado con el termómetro a los sólidos. Mientras calentamos los sólidos (todos a la vez) iremos pesando el agua fría (del grifo, o mejor agua a temperatura ambiente). Pesaremos aproximadamente 1/3 del volumen total de nuestro calorímetro. Determinaremos la TF del sistema calorímetro + agua fría tras 5 minutos como mínimo. Adicionaremos rápidamente el sólido de temperatura conocida TC. Agitaremos e iremos controlando ahora la temperatura de equilibrio de la mezcla, teniendo en cuanta que ahora el equilibrio se alcanza más lentamente que entre dos líquidos, y que si esperamos demasiado, podemos tener muchas pérdidas de calor con el exterior. Tras estar seguros de cuál es la temperatura de equilibrio, completaremos el resto de cálculos. Toma de datos y resultados

Para no perderse entre los sólidos conviene numerarlos y dibujarlos. Repetir tres veces para cada sólido. Introducir todas las magnitudes con sus errores. Sólido nº__

mF

mC

T F

K

T C

T

∆ T C

∆T F

ce

ce δ

Exp. 1 Exp. 2 Exp. 3

Valor medio de calores específicos: Cálculo del error 4 b. Magnitudes directas: ∆m = g ; ∆T = º C b. Magnitudes indirectas : aplicaremos el método general de propagación de errores. ∆mT == ∆( mC + K ) = ∆mC +∆K • ce ( SÓLIDO ) = •

ce = δ

∂ce ∂mT

(m T ) c e(AGUA) .∆Tf m c .∆T c

.δ mT +

∂ce ∂∆T F

→

.δ ∆T F +

∂ce ∂∆T C

.δ ∆T C +

∂ce ∂mc

.δ mC .....

Suponemos que no hay error en el valor del calor específico del agua. Una vez realizadas todas las derivadas parciales, y ce sustituidos todos los valores, podremos completar la tabla anterior con los valores de δ

3

4

Tabla de calores específicos de los elementos químicos: http://www.educaplus.org/sp2002/properiodicas/calorespecifico.html

Para no confundir el símbolo del error con el de incremento, usaremos

δ para determinar el error, y ∆para intervalos.


Resultado final y conclusiones .

Para finalizar agruparemos los resultados teóricos y los experimentales de densidades (la más precisa) y los calores específicos de la segunda y tercera parte: Sólido nº ___

Propiedad específica

Dibujo:

Densidad Calor específico (*) Si se conoce.

Valores obtenidos

Valor teórico(*)

Error

Valor redondeado

Error redondeado

¿Qué podría ser?


ESQUEMA DEL INFORME DE LA PRÁCTICA:

CALOR ESPECÍFICO Y DENSIDAD Nombre y apellidos de l@s alumn@s del grupo -

Grupo: Fecha en las que realizó la práctica:

Explica con tus palabras el fundamento teórico de cada aspecto experimental. No copiar y pegar.

1. 2.

NO TE OLVIDES DE LAS UNIDADES Y DE LOS ERRORES. Realiza un esquema de cada montaje experimental (5), indicando cada elemento que interviene y su función dentro de la

3.

práctica. o o o

Precauciones experimentales que has tenido para minimizar errores los errores sistemáticos. Explica en qué medida o aspecto crees que estás cometiendo mayor error accidental. Cuestiones sobre el esquema experimental ( para qué sirve esto o aquello, papel que juega este elemento, tengo que tener en cuenta.)

Primera parte: Cálculo del equivalente en agua del calorímetro. Ver práctica específica. Segunda parte: Medida de la densidad de varios sólidos. Fundamentos teóricos: brevemente Toma de datos y resultados

Enumera las aproximaciones que hemos hecho respecto al error: Dibujo del sólido

Nº

d teórica 6

Método del desplazamiento de líquido

Método geométrico

m(g)

Longitudes

Diámetro

VG(cm3)

dG(g/cm3)

VD(cm3)

dD(g/cm3)

1 2 3 4 5 6 Cálculo del error ∆ L = mm; ∆ D mm c. Magnitudes directas : ∆m = g ; b. Magnitudes indirectas : aplicaremos el método general de propagación de errores. Debes realizar, e indicar, todas

las derivadas parciales, sustituir los datos y calcular el error. Volumen por desplazamiento: V sólido =V F −V O →∆V Sólido = ∆V F + ∆V O • Volumen por geometría: • 2 D. H D 2 2π π . D π o Cilindro: V = . H →∆V = .∆ D + .∆ H 4

o o

•

5 6

4

4

3

 D  ....   3  2  Paralelepípedo: V = a.b.c →..... Esfera: V =

Densidad: d =

m V

4

π

→ ∆d =

1

V

.∆m +

m V 2

.∆V

Puedes realizar una fotografía, copiar una imagen que encuentres o un dibujo a mano alzada del montaje. Sólo si se tiene idea de qué sólido puede ser.


Resultado final y conclusiones . Método Dibujo geométrico Nº del sólido 3 ∆VG(cm

)

Método del desplazamiento de líquido 3

∆dG(g/cm

)

∆VD(cm

3

3

)

∆dD(g/cm

)

Conclusiones (Valora la precisión de cada método)

1 2 3 4 5 6

Tercera parte: Cálculo del calor específico de varios sólidos. Fundamentos teóricos: brevemente, con tus palabras Montaje, precauciones y procedimiento Fuentes de error posibles. ¿Cómo podrían evitarse? Toma de datos y resultados Sólido nº__

mF

K

mC

T F

T C

T

∆ T C

T F ∆

ce

ce δ

Exp. 1 Exp. 2 Exp. 3

Valor medio de calores es pecíficos: Repetir para cada sólido Cálculo del error 7 d. Magnitudes directas: ∆m = g ; ∆T = º C b. Magnitudes indirectas : aplicaremos el método general de propagación de errores. Debes realizar, e indicar, todas

las derivadas parciales, sustituir los datos y calcular el error. ∆mT == ∆( mC + K ) = ∆mC +∆K • ce ( SÓLIDO ) = •

δ ce =

7

∂ce ∂mT

(m T ) c e(AGUA) .∆Tf m c .∆T c

.δ mT +

∂ce ∂∆T F

→

.δ ∆T F +

∂ce ∂∆T C

.δ ∆T C +

Para no confundir el símbolo del error con el de incremento, usaremos

∂ce ∂mc

.δ mC .....

δ para determinar el error, y ∆para intervalos.


Resultado final y conclusiones .

Repetir una tabla como esta para cada sólido: Sólido nº ___

Propiedad específica

Valores obtenidos

Valor teórico(*)

Error

Valor redondeado

Error redondeado

¿Qué podría ser?

Dibujo:

Densidad Calor específico (*) Si se conoce.

Cuestiones: PRIMERA PARTE •

Incluidas en el informe de EQUIVALENTE EN AGUA DEL CALORÍMETRO.

SEGUNDA y TERCERA PARTE 1. Indica al menos tres fuentes de error y el tipo de error que has observado en la determinación del volumen y la densidad por los dos métodos experimentados. 2.

En qué condiciones podremos hacer la siguiente aproximación: ∆mT

= ∆mC + ∆ K ≅ ∆ K

3. ¿Por qué debemos calentar hasta 80-90ºC? ¿No bastaría con calentar hasta 30-40ºC? 4. ¿Por qué debemos agitar continuamente? 5. ¿Por qué debe estar el bulbo del termómetro a la misma altura que la resistencia? 6. ¿Qué es más grande, una caloría o un Julio?

7. ¿Qué es el calor?

CALOR ESPECÍFICO Y DENSIDAD

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