CAPACIDAD CALORIFICA DE UN SOLIDO Lina Andrea Alzate (1026784); David Mondragón (0924982); Sebastián Soto (0934492) Departamento de Química, Universidad del Valle.
Abstract
Introducción En esta práctica se determina la capacidad calorífica de un determinado metal, siendo esta la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura en una unidad. Se utilizaron dos métodos para medir esta propiedad; en este caso ambos se utilizaron con volúmenes constantes de agua que era el líquido con capacidad calorífica específica. Los resultados preliminares arrojaron que los métodos fueron apropiados para encontrar la capacidad calorífica desconocida del metal que fue de 4,395J/gK en el primero y en el segundo 3,95J/gK con un porcentaje de error del 4,84% y 77,2% respectivamente
Tabla 2: datos y resultados del cálculo de cs por dos métodos ms (g) mH2O (g) T1(K) T2(K) T3(K) cs(J/gK) ̅ (J/gK) csv (J/gºC) %E
Proceso 1 62.43 200.57 200.37 300.45 301.45 319.1 320.8 317.4 319.5 1.44 0.921 1.18 0.902 30.8%
Proceso 2 62.43 200.08 200.10 100.0 100.0 26.6 26.6 29.5 29.7 0.471 0.625 0.548 0.902 39.2%
Datos y Cálculos Parte 1. Calculo de la capacidad calorífica del calorímetro CK. Se determinó la capacidad calorífica del calorímetro a partir de las ecuaciones 1 y 2, en donde 2 proporciona el valor de la pendiente de la curva de calibración que permite despejar Ck
Grafica 1. Calculo de la capacidad calorífica por proceso 1
En la tabla 1 se muestran los resultados y datos del cálculo de Ck Tabla 1: datos y resultados del cálculo de Ck mH2O 200.04 g cH2O 4.19 J/g K I 1.52 A V 21 V Ck 3.75 J/K
Parte 2. Calculo de la capacidad calorífica del sólido. Se realiza el cálculo respectivo para cada uno de los métodos utilizados en la práctica partiendo de la información que suministran las gráficas de las figuras 1 y 2 y las ecuaciones 3 y 4. Los resultados se muestran en la tabla 2
Grafica 2. Calculo de la capacidad calorífica por proceso 2.
Resultados y discusión En el presente laboratorio se realizó la determinación de la capacidad calorífica de dos barras de aluminio con un peso determinado a partir de un líquido con calor específico conocido como el agua. En términos generales la capacidad calorífica de un objeto establece el cambio en la temperatura provocado por una cantidad determinada de calor; esta propiedad es extensiva y
habitualmente estas capacidades dependen de la temperatura. [1] La capacidad calorífica específica es una propiedad característica de una sustancia pura y puede determinarse experimentalmente, como se realizó en este laboratorio, midiendo con exactitud los cambios de temperatura que ocurren al trasferir calor desde el metal hacia una cantidad de agua o al contrario [2]. Los aspectos más importantes encontrados fueron los siguientes: El agua y el metal tienen la misma temperatura final Se asume que no hay transferencia de calor hacia el exterior El calor transferido por ejemplo del metal al agua tiene un valor negativo porque la temperatura del metal desciende en el primer método experimental ya que en el segundo al realizar una trasferencia de calor inversa la temperatura asciende un poco. La suma de las energías del sistema es igual a cero Con esta deducción anterior suponemos entonces que el sistema es adiabático bajo una presión constante y se puede demostrar en la siguiente ecuación [3]: (
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(
)
(
)
Solo el cambio de la entalpia dependerá de la capacidad calorífica del metal. Los resultados del proceso 1 mostraron que se pueden obtener aproximaciones muy buenas al valor teórico como es el caso del duplicado de ese proceso que muestra un valor de 0.921 J/K, sin embargo en la primera medición el valor estuvo por encima del valor teórico debido cambios de temperatura drásticos en comparación con los del duplicado, es por esta razón que del proceso total se obtuvo un porcentaje de error elevado. En el proceso 2 tanto el valor de la primera medición como el del duplicado fueron muy diferentes al valor teórico y esto es debido a la gran diferencia entre T1 y T3. Esto es lo que ocasiona que el porcentaje de error sea grande en el proceso total, sin embargo ambos valores están relativamente cercanos el uno del otro lo que hace que este proceso 2 sea más preciso que el proceso 1. Conclusiones En el desarrollo de la práctica se asumió que no había pérdida de calor hacia el exterior, es decir que las pérdidas de calor en el calorímetro eran despreciables, sin embargo no fue asi ya que estas pérdidas afectaron las mediciones de los procesos realizados.
Respuesta de las preguntas 1. ¿Cómo se calculan la capacidad calorífica de un gas? Para un gas ideal, PV en la definición de entalpia, H=U+PV, puede reemplazarse por nRT quedando asi: H=U+nRT. Cuando una muestra de un gas ideal se calienta, la entalpia, la energía interna y la temperatura cambian y se deduce que: La capacidad calorífica a P constante puede expresarse como:
. [4]
2.
Porque no se aplica la ley de Dulong y Petit a bajas temperaturas? ¿Qué conexión hay entre ley de Dulong y Petit y la ley de Debye? Dulong y Petit comprobaron mediante datos que las capcidades caloríficas de los elementos solidos que son en su mayor parte los metales, tenían a temperatura ambiente el valor casi constante de 26J/Kmol. Se observa que esta regla es bastante buena para la temperatura ambiente, cuando se hace aplicación a los metales pesados; pero a bajas temperaturas los valores de las capacidades caloríficas ya no guardan relación con esta regla porque van descendiendo a medida que la temperatura disminuye. El modelo de Deybe resulta de un tratamiento microscópico de las vibraciones de nN átomos de un cristal en que se usa la aproximación armónica y se toma como frecuencias de los modos normales de vibración. El supuso que esas desviaciones significativas a bajas temperaturas se podían describir con un intervalo de valores posibles de Vo hasta alcanzar un máximo Vmax empleando una distribución. La ecuación es solo teóricamente cierta a temperaturas suficientemente bajas donde los estados vibracionales más desarrollados caen bien por debajo de este nivel [5]. Referencias [1] Atkins, P.; Jones, J. principios de química, 3nd
ed.; Panamericana: Madrid, 2007; pp 214-215 [2] Kotz, H.; Weaver, A. química y reactividad química, 6nd ed.; Thomson: New York, 2004; pp 211-212 [3] Barrow, G. química física, 4nd ed.; Reverte: Barcelona, 2002; pp 182 [4] Biel, J. formalismos y métodos de la termodinámica, 1nd ed.; Reverte: Barcelona, 1998; pp 304-305 [5] Adamson, A. quimica fisica, 2nd ed.; Reverte: Barcelona, 1974; pp 187-188
