CALORIMETRÍA Y CALOR ESPECÍFICO
RESUMEN: En el siguiente informe se presentan los resultados y análisis de la práctica realizada, la cual consistía en la determinación de algunas constantes de un calorímetro artesanal, un calorímetro de Lavoisier (elaborado artesanalmente), de la constante de reacción de un calorímetro digital, además del calor latente de fusión del hielo y de la capacidad calorífica de un metal de 5g, el cual era un trozo de cobre
PALABRAS CLAVE: calor, e!uilibrio t"rmico, temperatura, fusión, metal, calorímetro follo$ing ing report report present presents s the results results and analys analysis is of carried carried out ABSTRA ABSTRACT CT:: #he follo$ practice, $hich consisted in the determination of some artisanal calorimeter constants, a calorimeter of Lavoisier (handcrafted), of the reaction of a digital calorimeter constant, as $ell as the latent heat of fusion of ice and heat capacity of a metal of 5 g, $hich $as a piece of copper
KEYWORDS: heat, termal e!uilibrium, temperature, melting, metal, calorimeter ITRODUCCION CALOR DE FUSIÓN %l enfriar, a presión constante, un lí!uido puro e&perimenta un decrecimiento en la ener energí gía a de tras trasla laci ción ón prome promedi dio o de sus sus mol" mol"cu cula las, s, y de a!uí a!uí !ue su temp tempera eratu tura ra desciende hasta alcanzar el punto de congelamiento, en el cual las fuerzas de atracción vencen a la energía de traslación y las mol"culas se ven obligadas a acomodarse en una configuración geom"trica característica de cada sustancia %l calentar un sólido puro, incrementa su energía de vibración, hasta !ue en el punto de fusión algunas partículas vibran con suficiente energía para vencer las fuerzas de confinamiento, y entonces el sólido funde 'e deno denomi mina na calo calorr de fusi fusión ón a la cant cantid idad ad absor absorbi bida da nece necesar saria ia para para reali realizar zar la transición de un mol de estado sólido al lí!uido
CAPACIDAD CAPACIDAD CALORÍFICA Es la cantidad de calor re!uerida para producir un ascenso de temperatura de un grado, donde d! es una cantidad de calor muy pe!uea, y d# es el ascenso de temperatura producido
C =
dT dq
* + es así la capacidad calorífica del sistema En t"rminos más simples C =
Q =c∙ m ∆ T
ónde -C es la capacidad calorífica del cuerpo o sistema -c es el calor específico o capacidad calorífica específica -m la masa de sustancia considerada
PROCESOS ISOTÉRMICOS Y ADIABÁTICOS Las relaciones de energía y el estado de cual!uier sistema durante un proceso dependen no solamente de la manera en !ue el traba.o se ha efectuado, sino tambi"n de ciertas condiciones e&perimentales impuestas sobre el sistema como un todo os restricciones de importancia involucran procesos efectuados ba.o condiciones isot"rmicas o adiabáticas /n proceso isoté!i"o es cual!uiera realizado de manera !ue la temperatura permanece constante durante toda la operación /n proceso #$i#%&ti"o es a!uel en el !ue no hay absorción ni desprendimiento de calor por parte del sistema
MEDICIÓN DE LOS CAMBIOS TÉRMICOS 0ara determinar directamente la variación de calor comprendida en una reacción, se usa el calorímetro, !ue consiste en un recipiente asilado lleno de agua en la cual se sumerge la cámara de reacción +uando la reacción es e&ot"rmica el calor producido se transfiere al agua cuyo ascenso de temperatura se lee con precisión mediante un termómetro sumergido en ella +onociendo la cantidad de agua, su calor específico y la variación de temperatura se calcula el calor de reacción despu"s de tener en cuenta la velocidad de enfriamiento del calorímetro, aumento de temperatura etc Estas correcciones se evitan al determinar la capacidad calorífica del calorímetro por combustión de cierta cantidad conocida de sustancia, cuyo calor de combustión se ha determinado con determinado con precisión 1
1 143-144
/n aparato análogo sirve tambi"n para las reacciones endot"rmicas pero en este caso se medirán descensos de temperatura en lugar de aumentos
CALOR DE REACCIÓN A VOL'MEN O PRESIÓN CONSTANTE 2ay dos condiciones generales ba.o las cuales se efect3an las mediciones termo!uímicas, una es a volumen constante y otra a presión constante En la primera se mantiene constante el volumen del sistema cuyo cambio t"rmico se busca durante todo el curso de medición En cambio al operar a presión constante, se mantiene el sistema bien sea abierto a la atmósfera, o confinado dentro de una vasi.a sobre la cual se e.erce una presión constante En estas condiciones puede tener lugar cual!uier cambio de volumen y el sistema es capaz de a.ustarse a la presión e&terna constante Las magnitudes de los cambios t"rmicos obtenidos en estas dos condiciones difieren en general % volumen constante cual!uier cambio t"rmico !ue tiene lugar se debe 3nicamente a la diferencia entre la suma de las energías internas de los productos y la correspondiente a los reactivos % presión constante, sin embargo, no sólo hay variación de energía interna, sino además un traba.o !ue modifica la proporción de calor observada en el calorímetro a volumen constante El significado e&acto de ambos tipos de medición, se obtiene me.or, al aplicar la primera ley termodinámica a la variación t"rmica !ue ocurre dentro del calorímetro e acuerdo a ella, caul!uier valor ! agregado irá a incrementar la energía interna de "ste, y a realizar un traba.o e&terno +uando hay volumen constante no se realiza traba.o, es decir, cual!uier cambio t"rmico !ue ocurre en el calorímetro a vol3men constante debe ser una variación en la energía interna debida a la reacción o transformación física o !uímica 0or lo !ue
(q ) P= ∆ E + P ∆ V e acuerdo con la ecuación anterior el cambio t"rmico observado en el calorímetro a presión constante comprende no sólo una variación de la energía interna sino tambi"n el traba.o de cual!uier e&pansión o contracción del sistema % volumen constante, el efecto t"rmico mide el cambio de energía interna, da a presión constante la variación de entalpía de los productos y reactivos El calor de reacción a volumen constante es igual a la cantidad termodinámica ∆ E %nálogamente el calor de reacción a presión constante es igual a ∆ H = ∆ E + P ∆ V
∆ H
la reacción entre ambas es
/n valor positivo de
∆ H
ó
∆ E muestra !ue el calor es absorbido durante el
proceso, mientras !ue uno negativo ensea !ue se cede calor
LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA Establece !ue al tener dos sistemas o más en contacto t"rmico, el sistema alcanzará el e!uilibrio t"rmico si las paredes entre ellos es conductora 'i se tienen tres sistemas %, 4, y + se encuentran en contacto t"rmico % con 4 y 4 con +, pero % y + no están en contacto, llegará un momento en el !ue los tres sistemas alcanzarán el e!uilibrio t"rmico 6 Esto sucede por !ue el % y 4 alcanzan el e!uilibrio, por otro lado 4 y + alcanzan tambi"n el e!uilibrio, por lo !ue se puede establecer !ue % y + tambi"n alcanzan el e!uilibrio t"rmico
CALOR ESPECÍFICO El calor específico, es una magnitud física !ue se define como la cantidad de calor !ue hay !ue suministrar a una sustancia para elevar su temperatura en una unidad En general, el valor del calor específico depende del valor de la temperatura inicial 7 'e le representa con la letra c La capacidad calorífica es la cantidad de calor !ue se debe suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (8elvin o grado +elsius) 'e la representa con la letra C 0or lo tanto, la el calor específico es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa, esto es c=
C m
onde m es la masa de la sustancia #ambi"n se puede e&presar Q=mc ∆ t
2 http://fsicoquimica.wikidot.com/4-ley-cero-de-la-termodinamica 3 Resnik, alliday ! "rane #2$$2%. &'sica (olumen 1. )ecsa.
MATERIALES Y METODOS MATERIALES • • • • • • • • • • • • •
6 vasos de icopor #erm9metro 4ea8er 6:: mL #ripode ;alla de asbesto ;echero +uchara de combustion 4lo!ues metalicos 0robeta de 1:: mL /n vaso aislado t"rmicamente (vaso de icopor) 4ea8er de <:: mL 4ea8er de 1::: mL 0robeta 65: mL
METODOS #( D)t)!i*#"io* $) +# "o*st#*t) $)+ "#+oi!)to: inicialmente se midieron y pesaron 1:: mL de agua, los cuales se introdu.eron en el recipiente calorimetrico pesado con anticipacion con su respectiva tapa +on especial cuidado se perfor9 la tapa del calorimetro para lograr introducir el term9metro y tomar la temperatura del agua +on ayuda de un be8er se calentaron 5: mL de agua hasta alcanzar una temperatura cercana a los =:>+ , cuando dicha temperatura se ha alcanzado el agua se tranfirieron rapidamente al calorimetro el cual se tapo rapidamente y luego de agitar cuidadosamente se tom9 de nuevo la temperatura, esta vez cuando el logr9 el e!uilibrio termico %( D)t)!i*#"i,* $) +# "#-#"i$#$ "#+o./i"# $) 0* !)t#+: para determinar la capacidad calorífica de un trozo de un metal el primer paso fue poner a ebullición 1:: mL de agua, con el fin de introducir en ella el trozo de metal previamente pesado durante 6 minutos tiempo durante el cual se tom9 un vaso de icopor al cual se le adicionaron 1:: mL de agua y verifico su teperatura espues de trancurrido el tiempo oportuno se transfirio el metal al vaso de icopor !ue contenia el agua fria y se tapo rapidamente por ultimo se espero entre <: y 5: segundos, y se tomo la temperatura cuando se habia alcanzado el e!uilibrio termino +on dichos datos y como se mostrar? mas adelante se logra determinar la capacidad calorifica del metal "( D)t)!i*#"i,* $)+ "#+o +#t)*t) $) /0si,* $)+ 1i)+o: en un bea8er se introdu.o una pe!uea cantidad de hielo al !ue se le agrego agua destilada hasta alcanzar una temperatura de @<>+ en otro bea8er se calentaron 5: mL de agua hasta
alcanzar una temperatura de 5:>+ !ue se introdu.eron en el calorímetro tomando su temperatura despu"s de unos segundos 0or 3ltimo, se tomaron apro&imadamente 5: g del hielo mencionado en la primera parte, agitando se logró !ue se fundiera totalmente y luego se tomó la temperatura de e!uilibrio $( D)t)!i*#"i,* $)+ "#+o )s-)"i/i"o $)+ "#+o.!)to: se tomaron 5: mL de agua destilada y se aadieron al recipiente calorimetrico previamente pesado (con tapa y termomAtro) se tom9 la temperatura del agua, abriendo un pe!ueo orificio en la parte superior de la tapa del recipiente 'e midieron 1:: mL de agua (determinar masa) y con ayuda de una placa de calentamiento se aumento su temperatura hasta apr&imadamente 5:>+ y luego se pasaron rapidamente al calorimetro tapandose rapidamente, por ultimo se determino la temperatura a la cual se logr9 el e!uilibrio termico )( D)t)!i*#"i,* $) +# "o*st#*t) $)+ "#+o $) )#""i,* Bnicialmente se pesó , 1Cg de carbón con el cual se realizó una pastilla !ue posteriormente fue introducida en un recipiente (parte del calorímetro), al cual se le colocó un hilo con el fin de !ue este al !uemarse, hiciera !uemar al carbón Dinalmente se insertó en la má!uina y se cerró espu"s de unos minutos, el calorímetro nos proporcionó un valor de 2 y unas temperaturas con estos valores fue posible determinar la constante
RESULTADOS Y DISCUSI2N 3(
DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DEL CALORÍMETRO
T#%+# *43( datos y resultados en determinación del calor específico del calorímetro de icopor:
D#to
V#+o
!#50#"#+i)*t) #" 678 !#50#/.# 968 T) T "#+i)*t) T /.# C#+o )s-)"i/i"o $)+ #50# ;T C#+o )s-)"i/i"o $)+
1::g 5:g <6+ 5:+ 65+ 1 calFg+ @65+ :,6 calFg+ 7G,67g 67,7:g
Qganado =−Q cedido mT CpT ( T eq −T a.fría ) + m K Cp K ( T eq −T a.fría ) + m a.fría Cpaguafría ( T eq −T a.fría )
¿−magua Cpagua ( T eq −T a.caliente )
( T eq−T a.fría ) ( mT ∗CpT +m K ¿ Cp K + ma.fría ¿ Cpaguafría ) =−magua∗Cpagua ( T eq −T a. caliente ) ( mT ¿ CpT +m K ∗Cp K +ma.fría∗Cpaguafría ) =
m K Cp K =
Cp K =
−magua Cpagua ( T eq −T a.caliente )− mT CpT −ma.fría Cpaguafría ( T eq −T a.fría )
(
( T eq −T a.fría )∗m K
(
)(
)(
cal cal cal ∗( 42− 50 ) ℃ − 23,30 g∗0,2 − 50 g∗1,0 g℃ g℃ g℃
)
( 42 ℃ −25 ℃ )∗37,23 g ( 800 cal )−
Cp K =
(
4,66
cal ℃
)(
− 50
cal ℃
)
( 17 ℃ )∗37,23 g ( 800 cal )−
Cp K =
Cp K =
)
−m agua ¿ Cpagua∗ T eq − T a. caliente −m T ∗CpT − ma.fría∗Cp aguafría
−100 g∗1,0
Cp K =
−magua ¿ Cpagua∗( T eq− T a. caliente) ( T eq− T a. fría)
(
4,66
cal ℃
)(
− 50
cal ℃
)
( 17 ℃ )∗37,23 g 745,34 cal 632,91 g ℃
Cp K =1,177
cal g℃
9( DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD CALORÍFICA DE UN METAL: T#%+# *49( datos de la determinación de la capacidad calorífica de un metal. D#to V#+o !!)t#+ 5g 5:g !#50#/.# 968
T)
6C+ H:+
T "#+i)*t) Qganado =−Q cedido
mT CpT ( T eq −T a.fría ) + m K Cp K ( T eq −T a.fría ) + m a.fría Cpaguafría ( T eq −T a.fría )
¿−mmetal Cpmetal ( T eq−T a.caliente )
Cpmetal =
( T eq −T a.fría ) ( mT ∗CpT + m K ¿ Cp K + ma.fría ¿ Cp aguafría ) −m metal∗( T eq−T a.caliente )
((
( 42−25 ) ℃∗ Cp metal =
23,30 g∗ 0,2
)(
)(
cal cal cal + 37,23 g∗1,117 + 50 g∗1,0 g℃ g℃ g℃
−5 g∗(28 −90 ) ℃
((
17 ℃∗ 4,66
Cpmetal =
cal ℃
)( +
41,69
cal ℃
)( +
50
cal ℃
))
−5 g∗(−62 ℃ )
(
17 ℃∗ 96,35
Cpmetal =
Cpmetal =5,26
cal ℃
)
310 g ℃
cal g℃
=( DETERMINACIÓN DEL CALOR LATENTE DE FUSIÓN DEL >IELO T#%+# *4=( datos de la determinación del calor latente de fusión del hielo. D#to V#+o M1i)+o 67,=::g 5:g M"#+i)*t) 1:+ T) T "#+i)*t) <<+
))
[
mhielo∗∆ H fusión + m hielo∗Cpagua∗( T eq −0 ) ℃ =− m T ∗CpT ∗( T eq −T cal. ) + maguacal. ∗Cpagua∗( T eq −T cal. ) + m K ∗Cp K ∗ ( T e −
∆ H fusión =
( T eq−T cal. ) (−mT ∗CpT − maguacal .∗Cp agua−m K ∗Cp K ) −mhielo∗Cpagua∗( T eq −0 ℃ ) m hielo
[(
−( 10− 44 ) ℃ − 23,30 g∗0,2
∆ H fusión =
[(
∆ H fusión =
cal ℃
)(
− 50
cal ℃
)(
− 41,58
cal ℃
)]
−236 cal
23,600 g
[
−34 ℃ −96,24 ∆ H fusión=
∆ H fusión =
)] (
)(
23,600 g
−34 ℃ − 4,66
∆ H fusión =
)(
cal cal cal cal − 50 g∗1,0 − 37,23 g∗1,117 − 23,600 g∗1,0 g℃ g℃ g℃ g℃
cal ℃
]−
236 cal
23,600 g 3272,16 cal −236 cal 23,600 g 3036,16 cal 23,600 g
∆ H fusión=128,6 cal / g
?( DETERMINACIÓN DEL CALOR ESPECIFICO DEL CALORÍMETRO DE LAVOISIER( T#%+# *4?( datos de la determinación del calor específico del calorímetro de Lavoisier.
D#to M1i)+o M"#+i)*t) T) T "#+i)*t)
V#+o 7:g 5:g <>+ 5:+
=
mhieloderretido maguacal. ∗∆ T
=
Cpagua ∆ H fusión
cal g℃ = cal 128,6 g 1,0
−3
−1
=7,77∗10 ℃
6( DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DEL CALOR DE REACCIÓN TABLA N86( Datos obtenidos del calorímetro. T I*i"i#+ 6=,1G>+ C =
T Fi*#+
15:G1KFg
6<,HH>+
H ∆ T
15071
C =
>
! g
(26,17 −24,99 ) ℃
C =12772,03 ! ℃ / g
DISCUSIÓN DE RESULTADOS 'e encuentra principalmente !ue el calor específico del calorímetro corresponde a 1,177
cal g℃
este valor comparado con el del agua es ligeramente mayor (+ agua I 1calF
g+) mientras !ue la capacidad calorífica del metal, en nuestro caso, cobre, fue mucho mayor
5,26
cal g ℃ Esto nos indica !ue la energía !ue debe suministrársele al material
para elevar su temperatura en un grado, se comporta de la siguiente manera seg3n lo observado +obre J +alorímetro J %gua 'in embargo se observa en la bibliografía !ue el calor específico del cobre es menor al del agua, presentando un valor de
0.092
cal g ℃ lo !ue nos permite afirmar !ue el cobre re!uiere de menos energía para
aumentar su temperatura 'e sabe !ue el calor latente de fusión es la energía necesaria para !ue una cantidad de sustancia pase de estado sólido a estado lí!uido, se encontró e&perimentalmente !ue este valor para el agua es de 128,6 cal / g , sin embargo este valor es casi el doble al !ue se encuentra en los libros sugeridos, en ellos el calor latente de fusión corresponde a 79 cal / g Esto nos permite afirmar !ue el calorímetro !ue empleamos no aislaba adecuadamente t"rmicamente el sistema del entorno, por lo !ue re!uirió de una mayor energía para pasar de sólido a lí!uido En la determinación de la capacidad calorífica del calorímetro de Lavoisier, en los cálculos no se tuvo en cuenta la masa del termómetro ni su masa, por esta razón, las unidades varían de −3
−1
7,77 ∗10 ℃
cal @1 g ℃ % +
El valor encontrado e&perimentalmente
fue mayor al esperado de manera teórica :,:165>+ @1 Lo !ue permite
indicar !ue el calorímetro realizado por Lavoisier tenía una mayor capacidad para aislar el sistema de su entorno, reduciendo la cantidad de energía !ue entraba a "l El calor de reacción de la masa de carbón fue de
12772,03 ! ℃ / g
, es decir, esta fue
la energía !ue absorbió el calorímetro y !ue se generó al !uemar el carbón
CONCLUSIONES 1 La ley cero de la termodinámica, la cual habla de !ue, si dos o más cuerpos !ue se encuentran a diferente temperatura son puestos en contacto, pasado un tiempo, estos alcanzarán la misma temperatura Due posible comprobar esta ley cuando se adicionaba agua caliente o hielo en el calorímetro .unto con agua a temperatura ambiente y el sistema, despu"s de un tiempo, alcanzaba una temperatura estable 6 os especies de igual masa, pero de diferente naturaleza y a igual temperatura, almacenan diferente cantidad de energía (calor), esto se pudo comprender a partir del concepto de calor específico 7 'i se somete agua y cobre a una misma fuente de energía, el agua tendrá una menor temperatura debido a su mayor valor de calor específico < El calor de reacción nos permite conocer la energía absorbida por un sistema cuando los productos de una reacción se llevan a la misma temperatura de los reactantes
BIBLIO@RAFÍA •
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