1.INTRODUCCIÓN El presente informe de laboratorio de física, que tiene por título “CALOR ESPECIFICO” la cual pertenece a la sección que que se encuentra 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 nueva oportunidad oportunidad que tenemos tenemos los alumnos pertenecientes 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 pré stamo 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.
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2.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.
Afianzaremos los conceptos de calor, temperatura, calor específico, capacidad calorífica.
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3.FUNDAMENTO TEÓRICO 3.1. 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:
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Donde
es la transferencia de energía en forma calorífica entre el sistema y
su entorno u otro sistema,
es la masa del sistema (se usa una n cuando se
trata del calor específico molar) y
es el incremento de temperatura que
experimenta el sistema. El calor específico ( ) correspondiente a una temperatura dada
se define como:
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.
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3.2. 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 ( c v ), 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. La presión a la que se mide el calor específico es especialmente importante para gases y líquidos.
3.3. UNIDADES Unidades 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.
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3.3.1.
Unidades de calor específico
En el Sistema Internacional de Unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramo y por kelvin (J·kg-1·K-1); otra unidad, no perteneciente al SI, es la caloría por gramo y por kelvin (cal·g -1·K-1). Así, el calor específico del agua es aproximadamente 1 cal/(g·K) en un amplio intervalo de temperaturas, a la presión atmosférica; exactamente 1 cal·g -1·K-1 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.
4.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.
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5.MATERIALES Y METODOS Se usaron los siguientes materiales:
MATERIALES 50 g de bronce 50g de plomo Soporte universal pinzas Hilo de zinc calorimetro agua
INSTRUMENTOS
PRECISION
±0.001 ±1°
Balanza analítica Termómetro
Tabla 1.
6.PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Poner a hervir en un vaso de precipitación 500 mL de agua Vertimos dentro del calorímetro una cantidad de agua de 16g y medimos su temperatura y anotamos en la tabla 2.
Medimos la masa del primer solido (fue una masa de 50 g de bronce). Anotamos en la tabla 2
De acuerdo a la figura 1. Sujetamos la muestra solida con el hilo de zinc e introducimos en el agua hirviendo. Esperamos un momento hasta que el sólido alcance la temperatura de equilibrio térmico con el agua. Luego mida la temperatura del sistema, que será la temperatura alcanzada por el sólido, Ts. Y anotamos en la tabla 2.
Figura 1.
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Repetimos el proceso 5 veces.
Se repite el procedimiento para el bronce y el plomo.
Se coloca una cantidad de masa de agua en el calorímetro.
Se mide la temperatura de equilibrio La temperatura de equilibrio fue: T a = 23°C
Comenzamos usando la masa 1, cuyo masa fue de:
m1 = 50g
Sumergiéndolo en agua caliente, caliente un cuerpo sólido hasta una temperatura T b
Se eleva la temperatura del sólido hasta una temperatura T b La temperatura fue de: T b = 96°C
Luego se sumerge el cuerpo a temperatura T b dentro del agua que está contenida en el calorímetro a temperatura .
Se mide la temperatura de equilibrio y se anota en la tabla 2.
N°
masa del
temperatura masa del
temperatura temperatura
agua(g)
ambiente (c)
del solido(c)
solido(g)
de equilibrio(c)
1
16
20
50
96
31
2
16
20
50
96
31.5
3
16
20
50
96
30
4
16
20
50
96
30
5
16
20
50
96
30
promedio
16
20
50
96
30.5
TABLA 2. Datos experimentales correspondientes a muestras de plomo
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N°
masa del
temperatura masa del
temperatura temperatura
agua(g)
ambiente (c)
del solido(c)
solido(g)
de equilibrio(c)
1
16
20
50
96
39
2
16
20
50
96
39
3
16
20
50
96
39
4
16
20
50
96
39.5
5
16
20
50
96
40
TABLA 3. Datos experimentales correspondientes a muestras de bronce.
7.ANALISIS DE DATOS 7.1. DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD CALORÍFICA DEL CALORÍMETRO PARA EL PLOMO
VALORES DEL CALOR ESPECIFICO PARA EL PLOMO
N
ΔT 0(°C)
1 2 3 4 5
ΔT 1(°C)
11.0 11.5 10.0 10.0 10.0 PROMEDIO TABLA 4.
plomo c(cal/g.°C) 0.0541 0.0570 0.0484 0.0484 0.0484 0.05126
65.0 64.5 66.0 66.0 66.0
c(J/Kg.°K) 226.50588 238.6476 202.64112 202.64112 202.64112 214.615368
Con las tablas 3 y N calcular el calor ganado por el agua y el calor perdió por el bronce. N
Qa(J)
QS(J)
1 2 3 4 5
550 575 500 500 500
736.1441 769.6356 668.7156 668.7156 668.7156
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ΔQ=│ Qa - QS │(J) EXPERIMENTAL 186.1441 194.6356 168.7141 168.7141 168.7141
IDEAL 124.078 124.078 124.078 157.159 160.240
DISCREPANCIA RELATIVA PORCENTUAL ENTRE LOS VALORES PROMEDIO DEL CALOR ESPECÍFICO .
│
− 128 − 214.615368 │ × 100 = │ │ × 100 = −67.66% 128
7.2. DETERMINACION DE LA CAPACIDAD CALORIFICA PARA EL BRONCE
VALORES DEL CALOR ESPECÍFICO PARA EL BRONCE. N 1 2 3 4 5
ΔT 0(°C)
ΔT 1(°C)
19.0 19.0 19.0 19.5 20.0 PROMEDIO
57.0 57.0 57.0 56.5 56.0
Bronce c(cal/g.°C) 0.133 0.133 0.133 0.138 0.143 0.136
c(J/Kg.°K) 556.844 556.844 556.844 577.778 598.712 569.404
Partiendo de esta fórmula: = . .
¿CÓMO SE SABE QUE UN CUERPO HA RECIBIDO O CEDIDO CALOR?
Se sabe que cuando un cuerpo recibe calor este es positivo al reemplazar en la ecuación donde la diferencia de temperatura va de menos a más y por el otro lado se sabe que pierde o cede calor cuando al resolver la ecuación nos resulta negativa ya que va de una temperatura mayor a una menor.
Con las tablas 3 y N calcular el calor ganado por el agua y el calor perdió por el bronce. N
Qa(J)
QS(J)
1 2 3 4 5
1271.328 1271.328 1271.328 1304.784 1338.240
1586.994 1586.994 1586.994 1632.229 1676.388
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ΔQ=│ Qa - QS │(J) EXPERIMENTAL 315.666 315.666 315.666 327.445 338.148
IDEAL 174.078 174.078 174.078 217.159 260.240
5.5 ii) Bronce
│
− 360 − 569.404 │ × 100 = │ │ × 100 = 58.168% 360
8.RESULTADOS Magnitud
C(J/Kg.K)
Discrepancia relativa porcentual
Plomo
214.615368
-67.66%
Bronce
569.404
58.168%
Material
9.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.
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
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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.
10.
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.
11.
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
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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 temper atura 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.
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12.
BIBLIOGRAFÍA
FÍSICA UNIVERSITARIA VOLUMEN I, Sears, Zemansky, Young, Fredman, Pearson.
FÍSICA VOLUMEN I, Tipler, Mosca, Reverté.
FÍSICA GENERAL, Burbano.
FÍSICA II, Leyva Naveros, Moshera.
Resnik Halliday Krane (2002). Física Volumen 1.
Serway Jewet (2003). Física 1. Thomson.
http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/tb01_calor.php
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13.
APÉNDICE
Tabla de Calor
Material 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
Específico (C e)
Fusión (lf ) Vaporización (lv)
Kcal/kg.°C 0,400 0,110 1,000 0,600 0,095
kJ/kg 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 -
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
kJ/kg.K 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
Equivalencias:
1 kJ/kg.K = 0,2388 kcal/kg.°C
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kJ/kg 2250 880 281 365 -
14.
ANEXOS
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17
