CALOR ESPECÍFICO DE LOS SÓLIDOS José Julián Salazar Neira
[email protected] Ing. Carlos Alberto Martínez Briones
[email protected] Guayaquil-2009-07-21 Paralelo 8 Escuela Superior Politécnica del Litoral
Objetivos Determinar el calor específico de un cuerpo desconocido mediante el método de las mezclas.
Resumen En esta práctica realizamos un proceso lento pero seguro, con la finalidad de hallar el calor específico de una muestra desconocida. Conociendo la masa del agua, calorímetro junto con la sustancia, y los calores específicos de los dos primeros logramos establecer una ecuación. Los pasos se basaron en calentar la muestra y luego vaciarla en el agua, para que éstas posean una temperatura de equilibrio. Con la ayuda de los termómetros establecimos esas temperaturas. En sí el calor específico es una propiedad intrínseca de los cuerpos que no se ve influenciada con factores externos, lo que significa que no importa con cuanta masa hubiésemos trabajado, el calor específico es una constante.
Introducción Concepto de temperatura
La temperatura es la sensación física que nos produce un cuerpo cuando entramos en contacto con él. Observamos cambios en los cuerpos cuando cambian su temperatura, por ejemplo, la dilatación que experimenta un cuerpo cuando incrementa su temperatura. Esta propiedad se usa para medir la temperatura de un sistema. Pensemos en los termómetros que consisten en un pequeño depósito de mercurio que asciende por un capilar a medida que se incrementa la temperatura.
Concepto de calor Cuando dos cuerpos A y B que tienen diferentes temperaturas se ponen en contacto térmico, después de un cierto tiempo, alcanzan la condición de equilibrio en la que ambos cuerpos están a la misma temperatura. Un fenómeno físico análogo son los vasos comunicantes. Supongamos que la temperatura del cuerpo A es mayor que la del cuerpo B, T A>T B. Observaremos que la temperatura de B se eleva hasta que se hace casi igual a la de A. En el proceso inverso, si el objeto B tiene una temperatura T B>T A, el baño A eleva un poco su temperatura hasta que ambas se igualan.
Cuando un sistema de masa grande se pone en contacto con un sistema de masa pequeña que está a diferente temperatura, la temperatura de equilibrio resultante está próxima a la del sistema grande. Q
se transfiere desde el sistema de mayor temperatura al
sistema de menor temperatura. T .
La constante de proporcionalidad C se denomina capacidad calorífica del sistema.
Q=C· T
Si los cuerpos A y B son los dos componentes de un sistema aislado, el cuerpo que está a mayor temperatura transfiere calor al cuerpo que está a menos temperatura hasta que ambas se igualan Si T A>T B
El cuerpo B recibe ca Q A
B
Q A=C A·(T-T A QB=C B·(T-T B),
Q A<0 QB>0
=0
La temperatura de equilibrio, se obtiene mediante la media ponderada
La capacidad calorífica de la unidad de masa se denomina calor específico c . C=mc La fórmula para la transferencia de calor entre los cuerpos se expresa en términos de la masa m, del calor específico c y del cambio de temperatura. Q=m·c·(T f -T i)
donde T f es la temperatura final y T i es la temperatura inicial. El calor específico es la cantidad de calor que hay que suministrar a un gramo de una sustancia para que eleve en un grado centígrado su temperatura. Joule demostró la equivalencia entre calor y trabajo 1cal=4.186 J. Por razones históricas la unidad de calor no es la misma que la de trabajo, el calor se suele expresar en calorías. El calor específico del agua es c =1 cal/(g ºC). Hay que suministrar una caloría para que un gramo de agua eleve su temperatura en un grado centígrado. La cantidad de calor recibido o cedido por un cuerpo se calcula mediante la siguiente fórmula Q=m·c·(T f-T i)
Donde m es la masa, c es el calor específico, T i es la temperatura inicial y T f la temperatura final
Si T i >T f el cuerpo cede calor Q<0 Si T i
0
La experiencia se realiza en un calorímetro consistente en un vaso (Dewar) o en su defecto, convenientemente aislado. El vaso se cierra con una tapa hecha de material aislante, con dos orificios por los que salen un termómetro y el agitador. Supongamos que el calorímetro está a la temperatura inicial T 0, y sea
mv es la masa del vaso del calorímetro y c v su calor específico. mt la masa de la parte sumergida del termómetro y c t su calor específico ma la masa de la parte sumergida del agitador y c a su calor específico M la masa de agua que contiene el vaso, su calor específico es la unidad
Tabla de valores de calor específico de diferentes sustancias
Sustancia
Calor específico (J/kg·K)
Acero
460
Aluminio
880
Cobre
390
Estaño
230
Hierro
450
Mercurio
138
Oro
130
Plata
235
Plomo
130
Sodio
1300
Procedimiento Experimental Masa (g) Calor específico (Cal/g 0C) Temperatura inicial ( 0C) Temperatura final (0C)
Materiales 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
sustancia
Calorímetro Termómetro Botella térmica Muestra sólida Receptor metálico Agua Agitador Generador de vapor Vaso metálico dewar
100 27 31
2. Cálculos 2.1 Cálculo del calor específico de la sustancia
Experimento
( ) ( )
1. Seleccionamos piezas homogéneas de hierro (ball pins) hasta completar un total de 100 gramos. 2. Se calienta en un receptáculo de metal los gránulos cerca del punto de ebullición del agua(superior a 80 0 C) 3. Los gránulos calientes son puestos rápidamente dentro de un calorímetro, que contiene una masa conocida de agua fresca. 4. A partir de las masas conocidas, y de la elevación de la temperatura del agua y de la mezcla, se puede calcular el calor específico del sólido.
( )
( )( ) ( )
( )( ) ( )
Resultados
1. Tablas de datos 3. Propagación de errores Tabla 1.1 Valores intrínsecos y externos de las sustancias utilizadas.
Masa (g) Calor específico (Cal/g 0C) Temperatura inicial ( 0C) Temperatura final (0C)
agua
calorímetro
50
200
1
0.2
27
27
83
31
3.1 Propagación del error del calor específico del sólido
( )( ) ( )
( )() ()
Desarrollando los términos respectivamente
()() ()()
()() ()()
3.2
Error relativo
3.3
Error porcentual | |
| |
4. Tabla de resultados ()() ()()
4.1 Tabla de resultados de la sustancia desconocida
()() ()()
Sustancia
Calor específico (Cal/g C)
Error porcentual
Hierro
0.121±0.044
7.08%
5. Gráficos 5.1 Calorímetro conjunto metálico de dewar
5.2
al
5.4
Vaporizador
5.5
Calorímetro y vaporizador
vaso
Vaporizador
Discusión 5.3
Equipo armado
Tablas de datos
La tabla de datos presenta constantes conocidas como son el calor específico (a excepción de la sustancia a analizar) y la cantidad de materia involucrada. Las cantidades en cursiva muestran las temperaturas obtenidas al calentar la muestra (810C) y el de equilibrio obtenido en conjunto con el agua y el calorímetro (310C); lo que demuestra el principio de la energía: la energía no se crea ni se destruye solo se transforma. Por lo que en nuestro caso específico, el calor que el cuerpo más caliente (sustancia) cede, es el mismo calor que el
cuerpo más frío gana (agua), hablando en términos de energía.
Cálculos
El cálculo del calor específico se da empleando la fórmula. Reemplazando correctamente sale un valor aceptable, considerando el error porcentual considerado a continuación. Por lo que la sustancia es hierro debido a la similitud del valor teórico del hierro en cuanto a su calor específico.
Propagación de errores
Debido a la complejidad de la fórmula se la dividió en 4 segmentos donde independientemente se hallaban sus errores aplicando la respectiva regla (derivación de un multiplicación, división, sumas) para luego ser reemplazados en la ecuación original y teniendo en cuenta la regla de la derivada de una división. Los errores de las unidades solo son estimados basados en la práctica, lo que igual nos dan un buen valor del error del calor específico. Como se lo había estipulado, el error es aceptable debido al valor de 7.08%. Lo que demuestra que la práctica se hizo con sumo cuidado, aunque hubiese sido preferible que el valor fuese más pequeño.
práctica. Por ejemplo el vaso metálico de dewar que era parte del calorímetro junto al vaporizador. También se observa el conjunto ya armado y sus respectivas ubicaciones, incluyendo el sistema de mangueras. Es allí que se nota el porqué el error no disminuyo: al abrir el calorímetro la materia no cayo completamente en el vaso por descuido.
Conclusiones El método de las mezclas hace enfoque en procesos de la termodinámica donde se explica la conservación de energía al indicar que la energía que un cuerpo cede es la misma que el otro cuerpo recibe. Éste método es muy útil porque se logró determinar bajo pocas condiciones como la cantidad de materia, etc. el calor específico de una sustancia. Por lo que puede ser aplicado a diferentes procesos y sustancias, esperando obtener valores cercanos entre sí, sin importar la cantidad, más solo los elementos que lo conforman.
Bibliografía
Gráficos
Las fotografías muestran a los elementos que ayudaron en la realización de esta
País
Vasco
http://www.sc.ehu.es/sbweb /fisica/estadistica/otros/ calorimetro/calorimetro.ht m
del
“Determinación del calor específico de un sólido”
Tabla de resultados
Esta representación muestra todo lo que respecta al calor específico que era la interrogante de esta práctica. Nótese que los datos guardan una estrecha relación entre sí.
Universidad
Koshkin N. I., Shirkévich M. G.. Manual de Física Elemental . Editorial Mir 1975, pág 74-75 ESPOL revisión 1 “ Guía de laboratorio de Física B” Experimento ocho: CALOR ESPECÍFICO DE LOS SÓLIDOS
