LABORATORIO N°6 CALOR ESPECÍFICO

[LABORATORIO Nº 6] 6]

FIMAAS

CALOR ESPECÍFICO 1. OBJETIVO:  

Determinar la capacidad calorífica de un calorímetro Determinar el calor específico de un cuerpo solido. Utilizando el método de mezclas

2. EQUIPOS Y MATERIALES: MATERIALES:      

Un (01) calorímetro con sus accesorios Una (01) cocina eléctrica Tres (03) (03) Cuerpos sólidos (de bronce, cobre y aluminio) Un (01) termómetro Un (01) recipiente con agua Una (01) extensión eléctrica

3. FUNDAMENTO TEORICO: La medición de las cantidades de calor intercambiadas, proceso que se conoce como calorimetría, se introdujo en la década de 1970.los químicos de ese tiempo encontraron que cuando un objeto caliente , por ejemplo, un bloque de latón era sumergido en agua el camb cambio io resu result ltan ante te en la temp temper erat atur uraa del del agua agua depe depend ndía ía de amba ambass masa masass y de la temperatura inicial del bloque .Observaciones ulteriores demostraron que cuando dos bloques bloques similares a la misma temperatura temperatura inicial eran sumergidos sumergidos en baños de agua idén idéntic ticos, os, el bloq bloque ue de masa masa mayo mayorr causab causabaa un camb cambio io mayo mayorr en la tempe temperat ratur uraa ;asimismo para dos bloques idénticos a temperatura diferentes, el bloque mas caliente originaba un cambio mayor en la temperatura del agua .Por ultimo, para bloques de la mism mismaa masa masa y tempe temperat ratur uraa inicia inicial, l, pero pero de comp compos osici ición ón difer diferen ente te,, en camb cambio io de temperatura era diferente para materiales diferentes. Podemo Podemoss sintetiz sintetizar ar estas estas observ observacio aciones nes describ describiend iendo o los objeti objetivos vos en término términoss de su capacidad calorífica , que es la cantidad de calor requerida de una misma sustancia para cambiar la temperatura de un objeto en 1ºC. Las cantidades de calor cedida o absorbida por masas de una misma sustancia son directamente proporcionales a la variación de la temperatura:

(1) También el calor cedido o absorbido por masas distintas de una misma sustancia, son directamente proporcionales a estas:

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(2) Entonces el calor específico (c) de un sistema se define como:

(3) Donde Donde dQ es la cantidad de calor intercambiada intercambiada entre el sistema y el medio que lo rodea; dT viene a representar la variación de temperatura experimentada por el sistema de masas. La capacidad calorífica o simplemente calor especifico , como suele llamarse, llamarse,

es el calor requerido por un material para elevar un grado de temperatura de una unidad de masa. Un material con calor específico elevado, como el agua, requiere mucho calor para cambiar su temperatura, mientras que un material con un calor especifico bajo, como la plata, requiere requiere poco poco calor calor específico para cambiar cambiar su temperatu temperatura. ra. La cantidad de calor Q necesaria para calentar un objeto de masa “m” elevando su temperatura ΔT, esta dada por:

Q = mcΔT

(4)

Donde “c” es el calor especifico del material a partir del cual se ah fabricado el objeto. Si este se enfría, entonces el cambio en la temperatura es negativo, y el calor Q se desprende del objeto. Las unidades del calor específico son:

cal/g*ºC, J/Kg.*ºC o BTU /lb*ºF. La cantidad de calor transferida o absorbida por el sistema depende de las condiciones en que se ejecuta el proceso. El calor latente de cambio de estado de una sustancia, es la cantidad de calor que hay que suministrar a su unidad de masa para que cambie de un estado de agregación a otro, lo que hace a temperatura constante. Así el calor latente de fusión es el correspondiente al cambio de estado sólido a líquido, que tiene el mismo valor que en el proceso inverso inverso de líquido a sólido. Una de las formas de determinar el calor latente de cambio de estado es por el método de las mezc mezclas las.. Cons Consist istee en mezcl mezclar ar dos dos susta sustanc ncias ias(o (o una una misma misma en dos dos estad estados os de agregación distintos) a diferentes temperaturas y presión constante, de manera que una de ellas ceda calor a la otra y la temperatura del equilibrio final es tal que una de ellas al alcanzarla, realiza un cambio de estado. Es una condición importante es que no haya

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perdidas perdidas caloríficas con el medio exterior. exterior. Esto lo conseguimos conseguimos ubicando ubicando la mezcla en el calorímetro, que hace prácticamente despreciable esta pérdida calorífica hacia el exterior. Obviamente se ah de tener en cuenta la cantidad de calor absorbida por el calorímetro. Supongamo Supongamoss que la mezcla esta constituida por una masa ma, a temperatura Ta y otra m* de otro cuerpo a temperatura T* que supondremos mayor que T a y llamaremos ca al calor especifico del agua y c* al calor especifico del otro cuerpo. La mezcla adquirirá una temperatura de equilibrio Tx, para lo cual la masa ma a absorbido (ganado) calor y la masa m* a cedido (perdido) calor; ósea:

Q cedido = Q absorbido m*c*(T*-Tx) = maca(Tx-Ta) + mccc (Tx-Tc)

(5)

(6)

Donde:

Tc = Tx; Tc es la temperatura del calorímetro. mc = masa del calorímetro. De donde podemos observar que si uno de los calores específicos es conocido además del calorimetro, entonces, el otro queda automáticamente determinado. Este es el fundamento del metodo de mezclas que conduce a la determinación del calor específico medido de un intervalo de temperatura de un rango amplio. De la ecucacion anterior podemos obtener el calor específico de un calorimetro cuyo valor no se conoce, a partir de otras muestras o sustancias conocidas:

Cc = m*c*(T*-Tx) - maca (Tx-Ta) mc(Tx-Tc)

El calorímetro es un recipiente construido de tal forma que impide la conducción de calor a su traves. En la mayoría de los casos suele tener dobles paredes entre las que se ah hecho el vacío o lleva un material aislante térmico, que impide o minimiza minimiza la conducción conducción de calor y por ello conserva muy bien la temperatura de los cuerpos que se encuentran dentro. En su tapadera llevan dos orificios, uno para introducir el termómetro y el otro para el agitador, agitador, fue fue diseñado diseñado para el estudio estudio de las las mediciones mediciones en intercamb intercambio io de calor. calor.

4. EQUIPOS Y MATERIALES: MATERIALES: 3


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- Calorímetro:

- Cocina eléctrica:

- Cuerpos sólidos: Aluminio

Plomo

Cobre Termómetro

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- Recipiente de agua

5. PROCEDIMIENTO: PROCEDIMIENTO: a) Determina Determinarr el calor especifico especifico de calorim calorimetro: etro: 1. Mida Mida la la masa masa del del calor caloríme ímetro tro.(m .(mc)

2. Verter Verter agua agua fría en el calorí calorímet metro ro a unos unos ¾ de su volum volumen. en. Dete Determin rminar ar las masa masa del agua fria (maf ) utilizada, por diferencia de masas en la balanza

3. Coloqu Coloquee el termometro termometro en el agua del calorim calorimetro etro,, espere unos unos segundos segundos que que la lectura del termometro sea constante y mida la temperatura de ambos (T af ). ).

4. Verter agua agua (de (de masa conocida) conocida) en el recipiente recipiente de de la cocina cocina electrica. electrica. Encender la cocina y calentar la masa de agua conocida (mac),cuando Este a una temperatura de 450C u otra indicada por el profesor mida la Temperatura del agua caliente(Ti-ac)

5. Vier Vierta ta el agua agua calie calient ntee en el calo calori rime metr tro o que que cont contie iene ne el agua agua fria fria y mida mida la temperatura de equilibrio (Tequi), para ello, agite el agua y espere unos segundos a que la lectura del termometro sea constante.

6.

Use Use la ecu ecuac ació ión n (7) (7) para para det deter ermi mina narr el cal calor or esp espec ecifi ifico co del del cal calor orím ímet etro ro

7.

Registr istree todos sus datos en la tabl abla N0 1

Observación: el calorímetro nunca se pondrá en la cocina: Tabla Nº1: medida experimental y tratamientos de datos para el calorímetro

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ESTADO INICIAL

ELEMENTO

MASA (g)

TEMPERATURA (ºC)

CALORIMETRO

155g

25ºC

AGUA FRIA

179,5g

25ºC

AGUA CALEINTE

92,07g

90ºC

ESTADO FINAL TEMPERATURA TEMPERATURA DE EQUILIBRIO TERMICO CALOR ESPECIFICO DEL CALORIMETRO

b)

44ºC 44ºC

Determinar el calor especifico de los sólidos:

8. Repit Repitaa los los pas pasos os del del 1 al 3. 3.

9. Verter Verter agua agua en el recipien recipiente te de la cocina electric electricaa e introdu introducir cir muestra muestrass sólidas sólidas de masa conocida (ms) a usar (bronce, cobre y aluminio) Encender la cocina y calentar el agua hasta la temperatura de ebullición (1000C) registre la temperatura temperatura del agua caliente que será la misma temperatura inicial para las muestras solidas (Ti-ac = Ti-s)

10. 10. Lleve Lleve una muestra muestra sólida caliente caliente dentro dentro del agua agua fria del calorime calorimetro tro y mídala mídala temperatura temperatura de equilibrio equilibrio (Tequi), para ello, agite agite el agua y espere unos unos segundos segundos a que la lectura del termometro sea constante.

11. Use la ecuación (5) de calor calor específico para hallar el calor específico específico de la muestra sólida. 12. Repita Repita los pasos 9 y 10 para para las otras muestra muestrass sólidas sólidas (no se olvide olvide medir medir las temperaturas iníciales del agua fría respectivamente) 6


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13. registre todos todos sus datos datos en la tabla tabla Nº 2.

Observaciones: tenga mucho cuidado con el agua caliente. TABLA Nº2 medidas experimentales y tratamiento de datos para los sólidos.

SOLIDOS

DETALLES

MASA M(G) R U T I-AF T A R A E T I_S P M E T T EQUI

S1

S2

S3

146G CU

181,5PB

46,4AL

92ºC

92ºC

92ºC

38ºC

30ºC

39ºC

38ºC

30ºC

39ºC

Observaciones: considere para su s cálculos que el calor especifico del agua ;c =1 cal/gºC. Que esta determinado con un error absoluto de +- 0.1cal/g ºC.

DETE DETER RMINAC NACIÓN IÓN CALORIMETRO.

PARA

HALLAR LLAR EL

CALO CALOR R

ESPEC PECÍFIC ÍFICO O

DEL

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magua fria = 118.4g

mcal = 52,5g

Ceagua = 1cal/gºC

Cecal = ¿?

To = 20ºC

To = 20ºC

ΔT = Tequi - To ΔT = 58 – 20 = 38ºC

Tequi=58ºC mR+agua= 424.7g

;

mR =228.3g =228.3g

magua caliente = 196.4g Ceagua = 1cal/gºC T1= 80ºC ΔT1= - 22ºC

Qganado + Q perdido = 0 magua fria. Ceagua. ΔT + mcal. Cecal. ΔT+ magua caliente. Ceagua. ΔT1=0 (118.4)(1)(35)+(52,5)Cecal(38)+(196.4)(1)(-22)=0 Cecal= 0.09 cal/gºC DETERMINACIÓN PARA HALLAR EL CALOR ESPECÍFICO EN LOS SÓLIDOS: magua fria=250.5 g

;

mcal = 52,5g

Ceagua = 1cal/gºC

Aluminio: 8


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mAl= 46g Tagua fria= 23ºC

;

Tequi= 25ºC

Tagua caliente= 80ºC ΔT= 5ºC ΔT1= -55ºC

Aplic Aplican ando do las las ecua ecuaci ción ón anter anterio ior: r:

CeAl =0.21 cal/gº /gºC

Respuesta

Plomo: mAl= 181.5g Tagua fria= 28ºC

;

Tequi= 30ºC


Aplicando la ecuación anterior :

CePb=0.034 cal/gºC

Respuesta

Cobre: mAg= 104.3g Tagua fria= 27ºC

;

Tequi= 30ºC


Apli Apliccando la la ec ecuació ación n ant anter erio iorr:

Ce Cu=0.10 cal/gºC

Respuesta

LUEGO ADJUNTAMOS EL CUADRO DE MARGENES DE ERROR PARA LOS METALES RESPECTIVOS.

ALUMINIO COBRE PLOMO

Ce TEORICO cal/gºC 0.214 0.092 0.031

Ce PRACTICO cal/gºC 0.21 0.10 0.034

ERROR RELATIVO ((0.21 -0.214)/ 0.214)x100= -1.86% ((0.10 -0.092)/ 0.092)x100= 8.69% ((0.034-0.031)/ 0.031)x100=9.67% 9


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CUESTIONARIO: 1. Defina la caloría, el calor especifico de una sustancia y la capacidad

calorífica de un cuerpo. La calor aloría ía (sím (símb bolo cal) cal) es una una unida nidad d de energía no pertene pertenecien ciente te al Sistema Internacional Internacional de Unidades Unidades basada en el calor específico del agua. Aunque Aunque debe ser sustituida sustituida por el julio el julio del Sistema Internacional, Internacional, la caloría permanece en uso debido a su utilización generalizada para expresar el pode el poderr energético energético de los alimentos. Se define la caloría como la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar un grado centígrado la temperatura de un gramo de agua pura, agua pura, desde 14,5 14,5 °C a 15,5 °C, a una una presión presión estándar estándar de una atmósfera. atmósfera. La kilo kiloca calo lorí ríaa (sím (símbo bolo lo Kcal Kcal)) es igua iguall a 1000 000 cal. cal. Una Una calo calorí ríaa es equivalente a 4,1868 J. El calor específico es la energía necesaria para elevar 1 ºC la temperatura de una masa determinada de una sustancia. El concepto de capacidad calorífica es análogo al anterior pero para para una masa de un mol mol de sustancia sustancia (en este caso es es necesario necesario conocer conocer la estructura estructura química de la misma). El calor específico es un parámetro que depende del material y relaciona el calor que se proporciona proporciona a una masa masa determinada determinada de de una sustancia con con el incremen incremento to de temperatu temperatura: ra:

Donde: • • • •

Q es el calor aportado al sistema. m es la masa del sistema. c es el calor específico del sistema. ΔT es el incremento de temperatura que experimenta el sistema.

Las unidades más habituales de calor específico son:

[c] = [c] =

capacidad calorífica calorífica de un cuer La capacidad cuerpo po es el coci cocien ente te entr entree la cant cantid idad ad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. En una forma menos formal es la energía necesaria para aumentar 1 K la temperatura de una determinada cantidad de una sustancia, (usando el SI). SI).1 Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar 10


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cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica.. térmica..

2. ¿Cuál de los materiales posee mayor calor especifico (c)? Explique

CeAl=0.210 cal/gºC Por tener menor cantidad de masa

3. ¿Tiene sentido hablar de la capacidad calorífica de una sustancia?

La capacidad calorífica de una sustancia es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar experimentar cambios de temperatura temperatura bajo el suministro de calor.

4.

¿Por qué es usual expresar la capacidad calorífica de un calorímetro en “gramos agua”? Por que la temperatura es directamente proporcional a la cantidad de agua en gramos.

Describa como 5. Describa

utilizaría utilizaría un calorímetro calorímetro de agua para determinar determinar el calo calorr espe especí cífi fico co de una una sust sustan anci ciaa soli solida da.. Escr Escrib ibaa las las ecua ecuaci cion ones es correspondientes. Primer medimos medimos la masa del recipiente recipiente solo y luego luego con agua de ahí retiramos retiramos la masa del agua fría.

Luego masamos el calorimetro, medimos la temperatura del agua fría ; introducimos la masa masa del sólido sólido al agua agua caliente caliente y medimo medimoss la temperatu temperatura. ra. Finalizand Finalizando o hacemo hacemoss la mezcla de agua caliente y agua fria, medimos la temperatura de equilibrio.

Aplicamos la ecuación de :

Qganado + Q perdido = 0 magua fria. Ceagua. ΔT + mcal. Cecal. ΔT+ msolido.Cesolido. ΔT1=0

Compare los resultados obtenido para el calor específico de las muestras muestras solidas solidas con su valor real. real. Estudie las las posibles posibles causas de la diferencia existente 6.

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CeAl =0.21 cal/gºC

;

CeAl =0.21cal/gºC

REAL

CeAg=0.057 cal/gºC

;

CeAg=0.06 cal/gºC

REAL

CeCu=0.10 cal/gºC

;

CeCu=0.09 cal/gºC

REAL

7. Explique cómo utilizaría el “método de las mezclas” para determinar

el calor latente de vaporización del agua y escriba las ecuaciones correspondientes Una de las formas de determinar el calor latente de cambio de estado es por el método de las mezcl mezclas. as. Consi Consiste ste en mezc mezclar lar dos dos susta sustanci ncias as (o una una misma misma en dos dos estad estados os de agregación distintos) a diferentes temperaturas y presión constante, de manera que una de ellas ceda calor a la otra y la temperatura del equilibrio final es tal que una de ellas al alcanzarla, realiza un cambio de estado. Es una condición importante es que no haya perdidas perdidas caloríficas con el medio exterior. exterior. Esto lo conseguimos conseguimos ubicando ubicando la mezcla en el calorímetro, que hace prácticamente despreciable esta pérdida calorífica hacia el exterior. Obviamente se ha de tener en cuenta la cantidad de calor absorbida por el calorímetro.

Qganado = Q perdido m*c*(T*-Tx) = maca(Tx-Ta) + mc cc (Tx-Tc)

8 .Un pequeño bloque de metal (de 74 g de masa) se calienta en un

horno a 900C .Al sacarlo del horno inmediatamente se coloca en un calorímetro. El calorímetro contiene 300g de agua a 100C .La capacidad calorífica del aparato es mínima y la temperatura final es 140C cuál es el material del bloque? Si las muestras posibles son: Aluminio, hierro, plata o zinc msolido= 74g Tagua caliente= 90 ºC Tagua fria=10 ºC ;

Tequi= 14 ºC

ΔT= 4 ºC

ΔT1= 76 ºC 12


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magua fria. Ceagua. ΔT + mcal. Cecal. ΔT+ msolido.Cesolido. ΔT1=0

Cesolido= 0.24 cal/g ºC

;

CeAl =0.21cal/gºC

REAL

Cuál cree que han sid sido las posibles fue fuentes tes de error en su experimento? 9.

Medir con exactitud la temperatura de equilibrio para todos los casos. La inexactitud de la masa de los cuerpos mediante la balanza

10. Como aplicaría este tema en su carrera profesional? En la combustión de un motor que nace de una chispa que explosiona y emite calor que luego se convierte en energía mecánica.

OBSERVACIONES: Registramos los datos exactos de su experimento ya que que si no el margen margen de error puede ser mayor al 10%.

CONCLUSIONES: El calor específico a una misma temperatura no es igual para todos los materiales. Distintas sustancias tienen diferentes capacidades para almacenar energía interna al igual que para absorber energía ya que una parte de la energía hace aumentar la rapidez de traslación de las moléculas 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.

RECOMENDACIONES: 13

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No intente intente hacer hacer esto en casa casa Tener buen criterio al desarrollar este laboratorio

BIBLIGRAFIA: http://es.wikipedia.org/wiki/Calor_especifico SERWAY, Raymond A. Física, Cuarta Edición. Editorial McGraw-Hill, 1996. LEA Y BURQUE, " physics: The Nature of Things", Brooks/ Cole 1997. Practica de laboratorio # 2. Realizada por Luis A Rodríguez Física. Elementos de Física. Sexta edición. Edelvives. Editorial Luis Vives S.A. Barcelona ( España); 1933

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