QUÍMICA GENERAL II
LABORATORIO N° 2
QUIMICA GENERAL I : ING. JUANA MARIA MENDOZA ZANCHEZ
JOHN ALEXANDER ALEXANDER TAQUIO YANGALI YANGALI
A
SEGUNDO SEMESTRE
6 de octubre de 2011 Autor: John
DETERMINACIÓN DEL CALOR ESPECÍFICO DE UN CALORÍMETRO Página 1
Laboratorio N 1
06/10/2011 El
es un instrumento que sirve para medir las
cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Es decir, sirve para determinar el calor específico de un cuerpo, así como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos.
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DETERMINACIÓN DEL CALOR ESPECÍFICO DE UN CALORÍMETRO Laboratorio N° 1
Determinar el calor específico del calorímetro usando el agua como sustancia principal ya que cuyo valor de calor específico es conocido.
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El
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). De forma análoga, se define la capacidad calorífica como la cantidad de calor que hay que suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). Se la representa con la letra
(mayúscula).
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Por lo tanto, el calor específico es el cociente entre la capacidad calorífica específica y la masa, esto es
donde
es la masa de la sustancia.
El calor específico es una propiedad intensiva de la materia, por lo que es representativo de cada materia; 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
( ) correspondiente a un cierto intervalo de
temperaturas
Donde
se define en la forma:
es la transferencia de energía en forma calorífica en el 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
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experimenta el sistema. El dada
( ) correspondiente a una temperatura
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:
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
se puede usar para referirse de
manera explícita a la medida; o bien usar el término
, para
indicar que se usa una unidad de masa.
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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).7 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.
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
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temperatura de un gramo de agua destilada, en el intervalo de 14,5 °C a 15,5 °C .8 Es decir, tiene una definición basada en el 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; y 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, en aplicaciones no científicas, 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.
−
−
−
líquido (25 °C)
4,1813
75,327
sólido (0 °C)
2,114
38,09
−
−
−
74,53
1,938
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gas (100 °C)
2,080
37,47
gas
1,012
29,19
sólido
0,897
24,2
2,422
líquido
4,700
80,08
3,263
sólido
0,207
25,2
1,386
gas
0,5203
20,8
sólido
0,328
24,6
1,878
sólido
1,82
16,4
3,367
sólido
2,5
2,325
sólido
0,385
24,47
3,45
sólido
0,5091
líquido
2,44
gas
28,03
12,5
1,782
112
R = 29.1
1,925
R = 20.8
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gas
R = 20,8
R = 12,5
líquido
2,22
228
sólido
0,710
8,53
gas
5,1932
20,8
12,5
gas
28,82
20.4
1,534
sólido
0,450
25,1
3,537
sólido
3,58
24,8
1,912
sólido
1,02
24,9
1,773
líquido
0,1395
27,98
1,888
gas
1,0301
20,7862
12,4717
gas
1,040
29,12
20,8
sólido
0,1291
25,42
gas
0,918
29,4
sólido
0,129
26,4
1,44
sólido
0,703
42,2
1,547
2,492 21,1
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sólido
27,7
2,216
Estos datos son de utilidad al calcular los efectos del calor sobre los materiales que formen un edificio:
− −
sólido
0,92
sólido
0,84
sólido
0,88
sólido
0,84
sólido
0,67
sólido
0,503
sólido
0,876
sólido
0,790
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sólido
1,09
sólido
0,880
sólido
0,835
sólido
0,80
sólido
0,48
El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se
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conoce la capacidad calorífica del calorímetro (que también puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose según se va enfriando el objeto. El calor latente, que no está relacionado con un cambio de temperatura, es la energía térmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa. Cuando la fuente de calor es una reacción química, como sucede al quemar un combustible, las sustancias reactivas se colocan en un envase de acero pesado llamado bomba. Esta bomba se introduce en el calorímetro y la reacción se provoca por ignición, con ayuda de una chispa eléctrica. Los calorímetros suelen incluir su equivalente, para facilitar cálculos. El equivalente en agua del calorímetro es la masa de agua que se comportaría igual que el calorímetro y que perdería igual calor en las mismas circunstancias. De esta forma, sólo hay que sumar al agua la cantidad de equivalentes.
Un calorímetro idealmente puede ser insensible a la distribución espacial de las fuentes de calor dentro de él. Si este objetivo es alcanzado, entonces la potencia puede en principio ser medida a cualquier frecuencia por disipación en el dc que da la misma lectura calorímetro y determinar la correspondiente que la potencia no conocida. Por supuesto la tarea de diseñar un calorímetro que sea completamente insensible a la distribución de calor, no es posible y lo mejor que puede alcanzarse es construir un instrumento el cual tenga un factor de corrección conocido. Estos factores de corrección son evaluados por una combinación de mediciones y cálculos, tenemos la . La eficiencia efectiva ( e.e.) es un parámetro relativamente estable para más instrumentos y siendo adimensional es independiente del sistema de unidades usado. Para la mayor parte de los calorímetros la e.e. puede ser evaluada con una incertidumbre de 0,1% a 1 GHz, 0,2 % a 40 GHz y 0,5 % a 100 GHz.
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rf o Las correspondientes incertidumbres en los valores de la de microondas serán naturalmente un poco mayores que los dados, ya que dependen por ejemplo de los conectores.
Aunque el principio de medición de potencia por medio de sus efectos caloríficos es uno de los viejos métodos, los calorímetros actuales tienen sus orígenes en los desarrollos de los años 40 y 50.
alta precisión. estabilidad de calibración.
baja velocidad de respuesta. muy voluminosos.
estáticos. no estáticos. permanentes. pretérmicos.
dry load calorimeter. microcalorímetro. calorímetro de flujo. calorímetro adiabático. calorímetro de cambio de estado.
En comparación con los instrumentos posteriores la precisión era muy modesta con una incertidumbre de 2% para la versión coaxial y 1 a 2,5% para las versiones
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de guía de ondas. No obstante, estos diseños establecieron la dirección general para los siguientes instrumentos. Nueva precisión en cargas y conectores desarrollados en los años 60 llevaron a una nueva generación de calorímetros coaxiales con mejor rendimiento e incertidumbre debajo de 0,5% para frecuencias mayores de los 8 GHz. Los calorímetros operan a niveles de potencia entre 100 mW y 10 W respectivamente. La carga de un calorímetro es un elemento crítico. Es deseable que ésta pueda ser acoplada eléctricamente y que tenga un muy pequeño error de equivalencia, que es igual a la rf disipada y a la potencia dc que pueden producir la misma lectura de temperatura. Componentes esenciales:
la carga donde la potencia es disipada. línea de transmisión aislada isotérmicamente la cual conecta la entrada a la carga. un sensor de temperatura.
Muchos calorímetros utilizan el principio de carga dual, en el cual una absorbe mientras que la segunda actúa como temperatura de referencia. El sensor de temperatura registra la diferencia entre las temperaturas de las dos cargas. En teoría los efectos de las fluctuaciones de la temperatura externa se cancelan debido a la simetría, sin embargo si los alrededores no tienen una temperatura uniforme el gradiente de temperatura puede causar error. El elemento de absorción de la carga es usualmente un thin film resistor, aunque dieléctricos de bajas pérdidas son usados para las versiones de guías de ondas. El sensor de temperatura es montado en el lado de afuera de la carga en una posición donde no es influenciado directamente por los campos
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electromagnéticos. Siendo ésta una de las características distintivas de un calorímetro y es esencial para su alta precisión.
Consiste en que la circulación de corriente en un sentido produce un calentamiento y al circular en el otro sentido produce un enfriamiento.
01 probeta de 50 mL 02 vasos de 250 mL 01 calorímetro 01termometro 01 tubo de ensayo 01 cronometro 01 pinza metálica 01 Kg de cubos de hielo
Colocar exactamente 50 mL de agua en el calorímetro a temperatura ambiente (T1, °C). Inmediatamente agregar 50 mL de agua helada, a una temperatura de 8 °C (T2, °C). Esto se logra poniendo el vaso con 50 mL de agua dentro de un recipiente con hielo. Cerrar herméticamente el calorímetro con el tapón que lleva incorporado un termómetro. Agita unos instantes para homogenizar la mezcla y registrar la temperatura de equilibrio (Tm, °C).
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PRIMERA MUESTRA: Agua ambiente Temperatura 17 °C Masa 50 g
SEGUNDA MUESTRA: Agua fría Temperatura: 8 °C Masa 50 g
MEZCLA DE MUESTRAS Temperatura 13 °C Masa 100g
Q perdido = Q ganado Q H2O
Tº ambiente + Q calorímetro = Q H2O fría
m1 CeH2O (Tf-Ti) + Ce calorímetro (Tf 3-Ti1) = m2 CeH2O (Tf 3-Ti2) (50g) (1cal/gºC) (13-17) + Ce calorímetro (13-17) = (50g) (1cal/gºC) (13 -8) 200 + 4 (Ce
calorímetro)=250
Ce calorímetro = 12,5 cal/ºC
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Se identificó que los que pierden calor es el agua a temperatura de 17ºC y el calorímetro, mientras que el agua fría de 8ºC gana calor. Durante el proceso de hallar el calor especifico del calorímetro nos dimos cuenta que en realidad estábamos hallando al capacidad calorífica, ya que no se tomó en cuenta la masa del instrumento de medición. Así obtuvimos que su capacidad calorífica sea de 12,5 cal/ºC.
El principal logro de este proyecto fue que este grupo logro construir un calorímetro casero también en este laboratorio que es “Determinación del calor especifico de un calorímetro” Se logró determinar el calor específico de un calorímetro casero, usando la temperatura del agua ambiente que es de 17 °C y el agua a temperatura normal que es de 8°C.
Manual de Laboratorio de Química General II. (laboratorio 1). Colección de la ciencia al día: QUIMICA 1 - átomos, moléculas y reacciones. Severiano Herrera V.; Aura Barreto C.; Ignacio Torres D.; Esperanza R. del Clavijo. WHITTEN-DAVIS-PECK, ” Química General”
CHANG, Raymond: “Química”
Mencionar otros tipos de calorímetros
Tipos de calorímetros: Estáticos o
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o o
No estáticos Permanente
Calorímetros comúnmente usados Dry load calorimeter El microcalorímetro Calorímetro de flujo o o o
Otros tipos de calorímetros Calorímetro adiabático Calorímetro de cambio de estado o o
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