PRACTICA No. 3.
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD CALORÍFICA DE LÍQUIDOS Y SÓLIDOS LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA DE MATERIALES
1. OBJETIVOS
Aprender a utilizar un calorímetro a presión constante. constante. Determinar la capacidad calórica del calorímetro. Determinar la capacidad capacidad calorífica de líquidos en estudio con el método de paso de corriente. Determinar la capacidad calorífica de sólidos en estudio.
2. INTRODUCCIÓN Si se transmite calor a un sistema; este se convierte en energía del sistema y se manifiesta por un aumento de temperatura temperatur a del mismo. A mayor cantidad de calor transferido, mayor será el aumento aumento de la temperatur temperatura, a, pero si se cambia el sistema, sistema, una misma cantidad cantidad de calor transferida transferida produce cambios cambios de temperaturas diferentes, la relación entre la cantidad de calor transferido y el cambio en la temperatura es una propiedad intrínseca del sistema. si stema. Para una transformación a presión constante, la variación en la presión es cero cero (dp=0) y para el sistema se tiene que se cumple la siguiente ecuación: dQ p
H T
dT p
Esta ecuación relaciona el calor calor transferido transferido desde el entorno con el aumento de de temperatura del del sistema. La razón dQ/dT es C p , la capacidad calorífica del del sistema a presión constante. Por lo cual se obtiene que: C p
dQ p
H
dT
T
p
Para cualquier transformación transformación a presión constante, como dp=0, la ecuación se reduce a: dH C p dT Para un cambio finito de estado de T 1 a T 2, y si C p es constante en el intervalo de temperatura de interés, la ecuación se convierte en H C p T Las ecuaciones presentadas son muy generales y aplicables a cualquier transformación a presión constante para cualquier cualquier sistema de masa masa fija, siempre y cuando no se produzcan produzcan cambios de fase o reacciones químicas. Para rangos de temperatura amplios, la capacidad calorífica varia con la temperatura Cp= ƒ (temp.) . La energía suministrada por una fuente de potencia es igual a V.I.t donde:
V=voltaje, I=corriente y t=tiempo Sí un liquido se calienta por un conductor por el que fluye una corriente, basta medir el tiempo de calentamiento para calcular la energía suministrada al liquido. Sí el proceso es totalmente adiabático, de acuerdo con la primera ley de la Termodinámica, la energía disipada en la resistencia es ganada por el conjunto (liquido + Calorímetro). C alorímetro). El balance de energía es el siguiente:
VIt
C L
C C T
Cons tan te
Donde
C L
C L m ; Donde C L es el calor específico del líquido y m la masa. Una grafica de Tiempo Vs ´
´
temperatura muestra una línea recta. A partir de la pendiente se calcula la capacidad calorífica del líquido.
3. MATERIALES Y EQUIPOS Equipos
1 Calorímetro a presión constante con resistencia. 1 Voltímetro. 1 Conexiones. 1 Vaso de 250 ml. 1 Termómetro digital. 1 Probeta de 100 ml. 1 Horno. 1 Fuente de poder. 1 Cronometro.
Reactivos y materiales
-Agua destilada. -Etanol. -NaCl. -Laminas de metales (Aluminio, Cobre, Latón) (suministradas
por el estudiante)
4. PROCEDIMIENTO A continuación se describen los procedimientos a seguir para determinar la capacidad calórica del calorímetro:
Determinación de la CAPACIDAD CALORÍFICA DEL CALORÍMETRO.
Método de la mezcla de volúmenes de agua: 1. Mida 50 ml de agua a temperatura ambiente y viértala dentro del calorímetro. 2. En la estufa, caliente 50 ml de agua hasta 80°C aproximadamente. Tómele la temperatura y viértala en el calorímetro para producir la mezcla. 3. Registre rápidamente la temperatura máxima que alcanza la mezcla. Un balance de energía nos indica que la energía cedida por el agua a mayor temperatura es ganada por el agua a menor temperatura y el calorímetro. El balance se puede escribir como:
m2 H O C H O 2
2
Cc T m
T 2
m1 H O C H O T m T 1 2
T1= temperatura del agua caliente T2= temperatura del agua fría (ambiente) Tm= temperatura máxima alcanzada Cc=la capacidad calorífica del calorímetro
2
m1=la masa del agua a temperatura T 1 m2=la temperatura del agua a la temperatura de T2. (En la literatura se puede hallar el calor específico del agua a T 1 y T2)
Método de paso de corriente: La capacidad calorífica del calorímetro se halla calentando un volumen de agua en el calorímetro mediante el paso de corriente por la resistencia. La energía en forma de calor que se disipa en la resistencia mediante el paso de una corriente es: I 2 RT , esta energía es ganada por el agua y el calorímetro. El balance es:
I 2 R dT
m H O C H O 2
2
C C
T
dT En forma diferencial y organizando los términos se tiene: dt
I 2 R m C H O C C 2
Una grafica de Temperatura Vs Tiempo muestra una línea recta; con la pendiente de esta la línea se obtiene el valor de de Cc (capacidad calorífica del calorímetro).
Determinación de la CAPACIDAD CALORÍFICA DE LÍQUIDOS EN ESTUDIO
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Paso de corriente Preparar el equipo (ver figura 1). Colocar dentro del calorímetro, 100 ml del líquido en estudio. Graduar la fuente de poder para una corriente de 2A. (o menos). Tomar la temperatura del liquido cada minuto durante 5 minutos (liquido a temperatura ambiente). Encender la fuente de poder y registrar la temperatura cada 20 segundos. tomar datos de temperatura hasta un incremento máxima de 10°C.
Figura 1. Esquema de la práctica
Determinación de la CAPACIDAD CALORÍFICA DE SÓLIDOS EN ESTUDIO.
1. Añada al calorímetro ~200 ml de agua a temperatura ambiente. 2. Mida con precisión la temperatura del agua y regístrela como T1. 3. Pese separadamente una cantidad del sólido en estudio seco. 4. Caliente en el horno la muestra metálica hasta una temperatura de 100°C aprox. (T2). 5. Transfiera el metal caliente al recipiente con agua lo suficientemente rápido para que no se enfríe. 6. Asegúrese de mezclar los contenidos del calorímetro para obtener una temperatura uniforme. Espere hasta que la temperatura llegue a un valor estacionario y registre esta temperatura como T3. 7. Repita el último procedimiento para otros metales. Repita este procedimiento tres veces. Calcule el calor específico del metal usando la ecuación:
Donde K, es la capacidad calorífica del calorímetro. C1, calor especifico del agua. C2 calor especifico del metal en estudio. m1 masa del agua fría. m2 masa del agua caliente.
5. ANALISIS DE RESULTADOS a) Realizar una grafica de Temperatura Vs Tiempo y a partir de la pendiente calcular la capacidad calorífica b) c) d) e)
del líquido en estudio. Para el método del paso de corriente. Calcular la capacidad calorífica de los líquidos y sólidos empleados Comparar con los valores reportados en la literatura. Que le pasa a un liquido o a un sólido cuando se calienta a volumen constante? Explique cómo se calcula una capacidad calorífica media, muestre graficas para varias sustancias de sus capacidades caloríficas medias en función de la temperatura.
