UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
CALOR ESPECÍFICO
PROFESOR: JOSÉ PACHAS SALHUANA CURSO: FISICA 2 AUTOR: NUÑEZ VALENTIN VALENTIN JHORDAN 20131173K
Lima, 10 de Junio del 2014.
ÍNDICE Introducción………………………………………… ..01 Objetivos……………………………………………….02
Fundamento Teórico………………………………….03 Materiales……………………………………………...06 Procedimientos………………………………………07
Cálculos y Resultados……………………………….08 Observaciones……………………………………….11 Conclusiones…………………………………………12 Recomendaciones…………………………………...13
Bibliografía……………………………………………14
2
Introduccio n El presente informe de laboratorio de física, que tiene por título “CALOR ESPECIFICO” la cual
pertenece a la sección que se encuentra bajo la
dirección del ing. José Pachas, profesor del curso de física II de la facultad de ingeniería Mecánica Con este experimento se pretende que el estudiante de ingeniería observe el “CALOR ESPECIFICO” y a partir de ello identifique las principales
magnitudes que intervienen, y visualice los valores que éstas toman en distintos casos, así como las variaciones que experimentan en diversos instantes y posiciones. También es una nueva oportunidad que tenemos los alumnos pertenecientes al grupo, para poder dar un aporte que sea útil a nuestros compañeros, con los cuales intercambiaremos información sobre el tema desarrollado, resultados, y así sacar conclusiones, con las cuales sacar recomendaciones para mejorar el experimento realizado. Queremos agradecer a la facultad de ciencia por el préstamo de su laboratorio, además al ing. José Pachas por el tiempo brindado hacia nosotros y por su conocimiento que nos transmite en cada experimento Por último esperamos que este trabajo sea de su agrado.
3
Objetivos Determinar la capacidad calorífica de un calorímetro. Determinar el calor específico de diferentes muestras solidas mediante el uso de un modelo dinámico sencillo. Estudiar el efecto de la transferencia de calor entre el calorímetro y la muestra a analizar. Verificar experimentalmente las distintas ecuaciones de cantidad de calor (Q). Aplicar la Ley de Equilibrio Térmico a sistemas termodinámicos. Aplicar la conservación de la energía en sistemas con transferencia de calor. Reconocer el calor como una forma de energía.
4
Fundamento Teo rico CALOR ESPECÍFICO El calor específico es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). En general, el valor del calor específico depende de dicha temperatura inicial. Se la representa con la letra
(minúscula).
En forma análoga, se define la capacidad calorífica como la cantidad de calor que hay que suministrar a toda la extensión de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). Se la representa con la letra
(mayúscula).
Por lo tanto, el calor específico es la capacidad calorífica específica, esto es
.
El calor específico es una propiedad intensiva de la materia, por lo que es representativo de cada sustancia; por el contrario, la capacidad calorífica es una propiedad extensiva representativa de cada cuerpo o sistema particular. Cuanto mayor es el calor específico de las sustancias, más energía calorífica se necesita para incrementar la temperatura. Por ejemplo, se requiere ocho veces más energía para incrementar la temperatura de un lingote de magnesio que para un lingote de plomo de la misma masa. El término "calor específico" tiene su origen en el trabajo del físico Joseph Black, quien realizó variadas medidas calorimétricas y usó la frase “capacidad para el calor”. En esa época la mecánica y la termodinámica se consideraban ciencias independientes, por lo que actualmente el término podría parecer inapropiado; tal vez un mejor nombre podría ser transferencia de energía calorífica específica, pero el término está demasiado arraigado para
ser reemplazado. El calor específico medio ( ) correspondiente a un cierto intervalo de temperaturas
se
define en la forma:
Donde
es la transferencia de energía en forma calorífica entre el sistema y su entorno u
otro sistema, molar) y
es la masa del sistema (se usa una n cuando se trata del calor específico es el incremento de temperatura que experimenta el sistema. El calor específico
( ) correspondiente a una temperatura dada
se define como:
5
El calor específico ( ) es una función de la temperatura del sistema; esto es,
. Esta
función es creciente para la mayoría de las sustancias (excepto para los gases monoatómicos y diatómicos). Esto se debe a efectos cuánticos que hacen que los modos de vibración estén cuantizados y sólo estén accesibles a medida que aumenta la temperatura. Conocida la función , la cantidad de calor asociada con un cambio de temperatura del sistema desde la temperatura inicial T i a la final T f se calcula mediante la integral siguiente:
En un intervalo donde la capacidad calorífica sea aproximadamente constante la fórmula anterior puede escribirse simplemente como:
Cantidad de sustancia Cuando se mide el calor específico en ciencia e ingeniería, la cantidad de sustancia es a menudo de masa, ya sea en gramos o en kilogramos, ambos del SI. Especialmente en química, sin embargo, conviene que la unidad de la cantidad de sustancia sea el mol al medir el calor específico, el cual es un cierto número de moléculas o átomos de la sustancia. Cuando la unidad de la cantidad de sustancia es el mol, el término calor específico molar se puede usar para referirse de manera explícita a la medida; o bien usar el término calor específico másico , para indicar que se usa una unidad de masa.
Conceptos relacionados Hay dos condiciones notablemente distintas bajo las que se mide el calor específico y éstas se denotan con sufijos en la letra c. El calor específico de los gases normalmente se mide bajo condiciones de presión constante (Símbolo: c p). Las mediciones a presión constante producen valores mayores que aquellas que se realizan a volumen constante ( cv ), debido a que en el primer caso se realiza un trabajo de expansión. El cociente entre los calores específicos a presión constante y a volumen constante para una misma sustancia o sistema termodinámico se denomina coeficiente adiabático y se designa mediante la letra griega
(gamma). Este parámetro aparece en fórmulas físicas, como por
ejemplo la de la velocidad del sonido en un gas ideal. El calor específico de las sustancias distintas de los gases monoatómicos no está dado por constantes fijas y puede variar un poco dependiendo de la temperatura. Por lo tanto, debe especificarse con precisión la temperatura a la cual se hace la medición. Así, por ejemplo, el calor específico del agua exhibe un valor mínimo de 0,99795 cal/(g·K) para la temperatura de 34,5 °C, en tanto que vale 1,00738 cal/(g·K) a 0 °C. Por consiguiente, el calor específico del agua varía menos del 1% respecto de su valor de 1 cal/(g·K) a 15 °C, por lo que a menudo se le considera como constante.
6
La presión a la que se mide el calor específico es especialmente importante para gases y líquidos.
UNIDADES Un i dades de calor La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional es el joule (J). La caloría (cal) también se usa frecuentemente en las aplicaciones científicas y tecnológicas. La caloría se define como la cantidad de calor necesario para aumentar en 1 °C la temperatura de un gramo de agua destilada, en el intervalo de 14,5 °C a 15,5 °C. Es decir, tiene una definición basada en el calor específico.
Uni dades de calor especí f ico En el Sistema Internacional de Unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramo -1
-1
y por kelvin (J·kg ·K ); otra unidad, no perteneciente al SI, es la caloría por gramo y por kelvin -1
-1
(cal·g ·K ). Así, el calor específico del agua es aproximadamente 1 cal/(g·K) en un amplio -1
-1
intervalo de temperaturas, a la presión atmosférica; exactamente 1 cal·g ·K en el intervalo de 14,5 °C a 15,5 °C (por la definición de la unidad caloría). En los Estados Unidos, y en otros pocos países donde se sigue utilizando el Sistema Anglosajón de Unidades, el calor específico se suele medir en BTU (unidad de calor) por libra (unidad de masa) y grado Fahrenheit (unidad de temperatura). La BTU se define como la cantidad de calor que se requiere para elevar un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua en condiciones atmosféricas normales.
FACTORES QUE AFECTAN EL CALOR ESPECÍFICO Las moléculas tienen una estructura interna porque están compuestas de átomos que tienen diferentes formas de moverse en las moléculas. La energía cinética almacenada en estos grados de libertad internos no contribuye a la temperatura de la sustancia sino a su calor
específico.
7
Materiales Un calorímetro de mezclas Un termómetro. Una olla para calentar agua. Un soporte universal. Una fuente de gas. Un matraz de 200 ó 250 ml. Un fósforo o un encendedor . Un mechero de Bunsen. 3 piezas de material sólido. Una balanza.
8
Procedimiento experimental I .DETERMI NACION DE LA CAPACIDAD CALORI FI CA DEL CALORIMETRO
Se coloca dentro del calorímetro una cantidad de masa de agua a una temperatura menor que la del medio ambiente.
Se deja que se establezca el equilibrio y medimos la temperatura de equilibrio
Medir una cierto volumen de agua y calentarlo en la ollita a una temperatura y se coloca una cantidad de esta agua en el calorímetro.
II.
CAL OR ESPECÍF I CO DE L OS SOL I DOS
Se coloca una cantidad de masa de agua en el calorímetro y se deja que se establezca el equilibrio.
Se mide la temperatura de equilibrio .
El sólido se sumerge en agua caliente.
Se eleva la temperatura del sólido hasta una temperatura
Luego se sumerge el cuerpo a temperatura dentro del agua que está contenida en el calorímetro a temperatura
Se mide la temperatura de equilibrio T.
9
Calculos y resultados PARTE I PROB L EM A N ° 1 Con los datos experimentales determinaremos la capacidad calorífica del calorímetro. SOLUCION:
Teniendo en cuenta el fundamento teórico Calor ganado por un cuerpo = calor perdido por el otro
Por definición:
Dónde:
: Calor ganado por el agua a 23.8 . : Calor ganado por el calorímetro. : Calor perdido por el agua a 87. C : Capacidad calorífica. Para el agua se sabe que:
()() ( )() ()()
PARTE II PROB L EM A N ° 2 Determinar el calor específico de la masa 1.
10
SOLUCION:
Dónde:
: Calor ganado por el agua a 23.8 . : Calor ganado por el calorímetro. : Calor perdido por la masa 1 a 83. Para el agua se sabe que: En el problema N°1 se calculó la capacidad calorífic a del calorímetro
()() () ( )()
PROB L EM A N ° 3 Determinar el calor específico de la masa 2. SOLUCION:
Dónde:
: Calor ganado por el agua a 23.8 : Calor ganado por el calorímetro : Calor perdido por la masa 2 a 82 . Para el agua se sabe que: En el problema N°1 se calculó la capacidad calorífic a del calorímetro
11
()() () ( )()
PROB L EM A N ° 4 Determinar el calor específico de la masa 3. SOLUCION:
Dónde:
: Calor ganado por el agua a23.8 . : Calor ganado por el calorímetro. : Calor perdido por la masa 3 a 85. Para el agua se sabe que: En el problema N°1 se calculó la capacidad calorífic a del calorímetro
()() () ( )()
12
Observaciones Es importante distinguir entre capacidad calorífica y calor específico, el primer término
alude al objeto y el segundo al material del cual está hecho.
La tapa del calorímetro no es muy hermética, por lo que el medio influye en cierto modo en la temperatura de equilibrio.
La probeta tiene un margen de error en la medición, así que la cantidad de agua en equilibrio no es exacta.
Las piezas metálicas calentadas no llegaban a variar considerablemente la temperatura del agua.
Notamos que el c e del aluminio es mayor que el c e del hierro y este a su vez mayor que el ce del plomo.
Se observa que cada vez que transvasamos el agua, se pierde aproximadamente 1g de agua.
No llegamos a utilizar el dato de la temperatura del medio ambiente, a menos que sea para cerciorase que la temperatura agua es menor a la temperatura del medio ambiente.
Estamos incurriendo a un error en los cálculos, pues no consideramos la pérdida de la temperatura del metal en el momento que se retira del sistema que le entrega calor para después sumergirlo en el sistema de prueba.
Se observó que luego de calentar el agua y apagar el mechero, la medida que se observaba en el termómetro disminuía rápidamente en aproximadamente 5 a 10 °C, luego seguía disminuyendo pero más despacio ( de manera casi imperceptible).
En nuestros cálculos no hemos incluido el calor que absorbe el metal del termómetro.
13
Conclusiones: En el cálculo del calor especifico de las muestras sólidas (fierro, aluminio, plomo) se
encontró que nuestros valores hallados distan considerablemente de los valoras promedio encontrados en los textos de física. Pese a esto se guarda una correcta proporción en los resultados.
El calor es energía que es transferida de un sistema a otro, debido a que se encuentran a diferentes niveles de temperatura. Por esta razón, al poner los dos cuerpos en contacto, el que se encuentra a mayor temperatura transfiere calor al otro hasta que se logra el equilibrio térmico.
Distintas sustancias tienen diferentes capacidades para almacenar energía interna al igual que para absorber energía y una buena parte de la energía hace aumentar la intensidad de las vibración de las redes atómicas 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.
Se concluye que los tres tipos de materiales tienen diferentes valores, de acuerdo a sus propiedades físicas.
14
Recomendaciones:
Se recomienda el uso de guantes aislantes del calor, para prevenir cualquier accidente de quemadura, ya que se trabaja a temperaturas mayores a 50°C.
Se recomienda que la experiencia se realice con mucho cuidado y rapidez para que al momento de vaciar el agua al termo no se disipe mucho calor al medio exterior. Se recomienda hacer el experimento tres veces para así trabajar con mayor precisión y que el resultado se aproxime más al real. Para la primera parte de la experiencia, se recomienda humectar la ollita antes de vaciar el contenido de la probeta a fin de compensar las pérdidas de masa de agua. Se recomienda calentar el agua de manera moderada y de preferencia menos de 100°C.
15
Bibliografía
FÍSICA UNIVERSITARIA VOLUMEN I, Sears, Zemansky, Young, Fredman, Pearson. Resnik Halliday Krane (2002). Física Volumen 1.
ANEXO: Tabla de Calor Material
Específico (Ce) Kcal/kg.°C
kJ/kg.K
Fusión (lf ) kJ/kg
Vaporización (lv) kJ/kg
16
Aceite de Oliva Acero Agua Alcohol Alpaca Aluminio Antimonio Azufre Bronce Cadmio Carbón Mineral Carbón Vegetal Cinc Cobalto Cobre Cromo Estaño Éter etílico Fenol Glicerina Hierro Ladrillo Refractario Latón Manganeso Mercurio Mica Naftalina Níquel Oro Parafina Plata Platino Plomo Potasio Tolueno Vidrio
0,400 0,110 1,000 0,600 0,095
0,217 0,050 0,179 0,086 0,056 0,310 0,201 0,093 0,104 0,093 0,108 0,060 0,540 0,580
0,113 0,210 0,094 0,110 0,033 0,210 0,110 0,031 0,778 0,056 0,031
0,031 0,019 0,380 0,200
1,675 0,460 4,183 2,513 0,398 0,909 0,210 0,750 0,360 0,234 1,300 0,840 0,389 0,435 0,389 0,452 0,250 2,261 2,430 0,473 0,880 0,394 0,460 0,138 0,880 0,461 0,130 3,260 0,235 0,130 0,130 0,080 1,590 0,838
205 335 377 164 38 46 117 243 172 59 113 113 109 176 168 155 11,7 151 234 67 147 109 113 23 59 -
2250 880 281 365 -
Equivalencias: 1 kJ/kg.K = 0,2388 kcal/kg.°C
17
