Universidad Rafael Landivar Facultad de Ingeniería Ingeniería Química Industrial Laboratorio Fisicoquímica
PARTE B Práctica 3 “CALOR ESPECÍFICO”
Emilio Mendizábal Carné 1025006
Guatemala 23 de febrero 2012
ABSTRACT
En la presente práctica de laboratorio se determinó la constante calorimétrica del calorímetro empleado en el laboratorio en base a la ecuación (11), siedo este de 99.22 ± 6.45 J/K, este valor de la constante calorimétrica se utilizó como el valor teórico ya que no se tenia un valor de constante para este calorímetro. Posteriormente se obtuvieron los valores experimentales de la capacidad calorífica del hierro, del aluminio y del cobre, siendo estas de 156.71 ± 3.29 J/K-kg, 339.83 ± 5.78 J/K-kg y 367.53 ± 7.35 J/K-kg. Estas determinaciones se realizaron en base a la ecuación (10) presentada en este reporte en la parte A. Estos valores se calcularon en base a 2 corridas para cada determinación siendo los valores obtenidos los valores promedio. Comparando los resultados obtenidos experimentalmente con los valores teóricos se obtuvo un error porcentual de 64.38%, 62.24% y 4.54% respectivamente para cada uno de los metales estudiados. El sistema que se utilizó para las mediciones estaba conformado por un calorímetro de poliuretano con agua a temperatura ambiente, un termómetro Al finalizar la práctica se concluyo que el calorímetro empleando no era un calorímetro con condiciones ideales por lo cual el error obtenido en la práctica fue grande, pero este se tomó como aceptable para poder determinar los cambios de temperatura.
RESULTADOS RESULTADOS
Tabla 1. Resultados obtenidos en la práctica
Constante Calorimétrica Capacidad Calorífica del Hierro Capacidad Calorífica del Aluminio Capacidad Calorífica del Cobre
Capacidad Calorífica
Error absoluto
Error porcentual
99.22 ± 6.45 J/K
N/A
N/A
156.71 ± 5.78 J/K-kg
283.29
64.38%
339.83 ± 0.017 J/K-kg
560.17
62.24%
367.53 ± 7.35 J/K-kg
17.47
4.54%
OBSERVACIONES
Paso del procedimiento
Observación No se observó una variación muy Calculo de constante calorimétrica grande respecto a la temperatura inicial en el calorímetro. Luego de colocar el metal caliente en el calorímetro la temperatura Capacidad calorífica de los fue estable durante algún tiempo metales por lo cual fue relativamente fácil determinar la temperatura de equilibrio del sistema
DISCUSIÓN DE RESULTADOS De acuerdo a los objetivos planteados en la parte A del reporte de laboratorio que se realizó, se buscaba luego de la experimentación determinar el calor específico experimental del hierro, aluminio y cobre y verificar la variación respecto al valor teórico investigado previamente en la parte A. Para lograr el calculo del calor específico experimental utilizando la ecuación (10) presentada previamente, era necesario obtener el valor de la constante calorimétrica del calorímetro empleado en el laboratorio en base a la ecuación (9) de la parte A. Para realizar la determinación del valor de la constante calorimétrica se ensambló un sistema conformado por un calorímetro de poliuretano, el cual contenía agua a temperatura ambiente, un termómetro que permitió determinar el gradiente de temperatura que era fundamental para la determinación ya que la constante calorimétrica lo que indicaba era que tanta energía en forma de calor retenía el calorímetro antes de que el calor se trasladara al ambiente y el sistema buscara un nuevo equilibrio de temperatura que en este caso hubiera sido la temperatura ambiente. Al sistema de calorímetro mas agua a temperatura ambiente se le agregó agua a 50°C aproximadamente lo cual generó que el agua a temperatura ambiente incrementara y se alcanzara un nuevo equilibrio térmico en el sistema, lo cual indicó la cantidad de energía que era capaz de retener el sistema . Luego de realizar dos corridas se obtuvo un valor medio de la constante calorimétrica de 99.22 ± 6.45 J/K, esta constante no se trabajó en el análisis de error ya que el calorímetro empleando era experimental por lo cual el valor obtenido se asumió como un valor teórico y verídico en un 100% para efectos de la práctica. Así, al tener el valor de la constante calorimétrica se procedió a realizar el procedimiento del cálculo de la capacidad calorífica del hierro, aluminio y cobre, de manera similar a la forma en la cual se calculó la constante calorimétrica, pero para estas determinaciones se utilizó la ecuación (10) presenta en la parte A. El procedimiento empleado se caracterizó por la colocación del metal en un baño de agua el cual se llevo a ebullición y ya que el metal se encontraba dentro del sistema se asumió que la temperatura del metal era igual a la temperatura del agua, posteriormente se introdujo en el sistema calorímetro – agua a temperatura ambiente y se realizó el mismo procedimiento para la determinación de la temperatura de equilibrio como se realizó para el cálculo de la constante calorimétrica. El procedimiento se realizó en duplicado para cada uno de los metales. De acuerdo a la literatura consultada previamente el poliuretano como coraza de un sistema permite que este se mantenga como un sistema adiabático y como la característica de un sistema adiabático es que este no intercambia energía con el ambiente, el sistema era adecuado para lograr los objetivos planteados previamente. Así pues, se realizó la determinación de la capacidad calorífica de los metales obteniendo que para el hierro esta fue de 156.71 ± 3.29 J/ K- kg, para el Aluminio 339.83 ± 5.78 J/K-kg y para el cobre de 367.53 ± 12.86 J/K-kg. Estos valores por si solos no generan ninguna conclusión por lo cual se evaluaron respecto a los valores teóricos de
capacidad calorífica para cada uno de los metales, lo cual arrojo valores de error porcentual de 64.38%, 62.24% y 4.54% para el hierro, aluminio y cobre respectivamente. El error obtenido es considerado alto para el hierro y el aluminio ya que el calorímetro empleado no trabaja de manera ideal ya que al momento de introducir los metales caliente dentro del calorímetro no era posible tomar la lectura de la temperatura en el termómetro ya este estaba en su mayoría dentro del calorímetro por lo que para realizar las lecturas era necesario abrir el calorímetro para realizar las mediciones. Por lo tanto el error porcentual que se obtuvo para cada uno de los metales pese a ser elevado es un error esperado ya que no se estaba en presencia de un sistema ideal como se menciono anteriormente. Otros errores en los cuales se pudo incurrir que generaron variaciones respecto al valor real fueron la lectura de la temperatura por error de vista así como de la escala del termómetro empleado en la práctica, la calibración de los instrumentos empleados pero pese a este fue posible cumplir con los objetivos de la práctica.
CONCLUSIONES 1. La constante calorimétrica (K) del calorímetro utilizado en el laboratorio fue de 99.22 ± 6.45 J/K.
2. El calor específico del cobre experimentalmente fue de 367.53 ± 7.35
J/ K-kg , obteniendo un error porcentual de 4.54% respecto al valor teórico.
3. El calor específico del hierro experimentalmente fue de 156.71 ± 3.29
J/K-kg, obteniendo un error porcentual de 64.38% respecto al valor teórico.
4. El calor específico del aluminio experimentalmente fue de 339.83 ±
5.78 J/K-kg, obteniendo un error porcentual de 62.24% respecto al valor teórico.
PREGUNTAS POSTLABORATORIO 1. Explique la primera ley de la termodinámica Debido a que los sistemas termodinámicos pueden tener una interacción ya sea de materia, trabajo o térmica; se entiende entonces que la primera ley de la termodinámica relaciona el intercambio de energía dentro un sistema adiabático cerrado. Esto quiere decir que se fundamenta en la ley de conservación de la energía la cual indica que en un sistema termodinámico cerrado la variación de energía entre el calor generado y el trabajo que el sistema intercambia con el entorno.
2. ¿Qué es un proceso adiabático y qué es un proceso isotérmico, cómo se diferencian? El proceso adiabático es el cual no presenta intercambio de calor con el entorno, mientras que un proceso isotérmico es un proceso en el cual no se tiene una variación de temperatura pero si se tiene un trabajo realizado por el sistema.
3. ¿Qué es una función de estado, qué términos de la primera ley de la termodinámica son funciones de estado? La función de estado es una función que representa una característica del estado que presenta un sistema en equilibrio termodinámico, sin hacer noción en como se logra llegar a dicho estado o como se llegará a estados posteriores, es decir no se toma en cuenta las etapas del proceso sino que únicamente se toman en cuenta las condiciones inicial y final del sistema. Para la primera ley de la termodinámica los términos que representan función de estado son: • •
Energía Interna Entalpía
BIBLIOGRAFÍA
LEVINE, I. N. (2004). FISICOQUÍMICA (Quinta Edición ed.). Madrid, España: McGraw Hill.
CROCKFORD, H., & KNIGHT, S. B. (1968). FUNDAMENTOS DE FISICOQUIMICA (2da. Edición ed.). D.F, MEXICO: COMPAÑIA EDITORIAL CONTINENTAL, S.A.
APÉNDICE DIAGRAMA DE EQUIPO
Figura 2. Sistema para determinación calor específico.
Fuente: Manual del laboratorio de fisicoquímica URL 2012
No fue posible hacer las determinaciones con el calorímetro completamente cerrado ya que la temperatura no cambiaba mucho y no se podían hacer las lecturas correctas si se tenia el calorímetro completamente cerrado.
DATOS ORIGINALES
Tabla 2. Datos originales determinación de la constante del calorímetro
Temperatura fría (°C) Temperatura caliente (°C) Temperatura equilibrio (°C) Masa agua a T caliente (g) Masa agua a T fría (g)
Corrida 1
Corrida 2
24 ± 0.5
24 ± 0.5
51 ± 0.5
52 ± 0.5
39 ± 0.5
40 ± 0.5
60 ± 0.5
60 ± 0.5
40 ± 0.5
40 ± 0.5
Tabla 3. Datos originales calor específico del hierro
Masa del metal (g) Masa de agua inicial (g) Temperatura fría (°C) Temperatura caliente (°C) Temperatura equilibrio (°C)
Corrida 1
Corrida 2
55.8 ± 0.05
55.8 ± 0.05
100 ± 0.5
100 ± 0.5
24 ± 0.5
24 ± 0.5
92 ± 0.5
92 ± 0.5
29 ± 0.5
30 ± 0.5
Tabla 4. Datos originales calor específico del aluminio
Masa del metal (g) Masa de agua inicial (g) Temperatura fría (°C) Temperatura caliente (°C) Temperatura equilibrio (°C)
Corrida 1
Corrida 2
15.4 ± 0.05
15.4 ± 0.05
100 ± 0.5
100 ± 0.5
25 ± 0.5
25 ± 0.5
95 ± 0.5
95 ± 0.5
29 ± 0.5
28 ± 0.5
Tabla 5. Datos originales calor específico del cobre
Masa del metal (g) Masa de agua inicial (g) Temperatura fría (°C) Temperatura caliente (°C) Temperatura equilibrio (°C)
Corrida 1
Corrida 2
12.1 ± 0.05
12.1 ± 0.05
100 ± 0.5
100 ± 0.5
25 ± 0.5
25 ± 0.5
95 ± 0.5
95 ± 0.5
28 ± 0.5
28 ± 0.5
DATOS CALCULADOS
Tabla 6. Constante del calorímetro
Constante del calorímetro (cal/°C) 8 ± 0.113 5 ± 0.113 6.5 ± 0.065
Corrida 1 Corrida 2 Promedio
Constante del calorímetro (J/K) 122.12 ± 13.80 76.33 ± 8.63 99.22 ± 6.45
Tabla 7. Calor específico de los metales
CALOR ESPECÍFICO ( J/ kg K) Hierro Aluminio Cobre 141.26 ± 5.51 390.87 ± 12.51 367.53 ± 12.86 172.25 ± 6.72 288.78 ± 9.24 367.53 ± 12.86 156.71 ± 3.29 339.83 ± 5.78 367.53 ± 7.35
Corrida 1 Corrida 2 Promedio
MUESTRA DE CÁLCULO
Tabla 8. Muestra de cálculo Nombre
Constante calorímetro
Calor específico
Propagación de error
Formula
=
( − ) !
!
−
! =
−
!
+ =
Descripción
!
( − ) !
!
−
!
!
+
!
!
Ejemplo
k = constante calorimétrica m= masa agua a T M= masa inicial calorímetro Te= Temperatura equilibrio. T= Temperatura caliente To= Temperatura inicial calorímetro C=capacidad colorífica k = constante calorimétrica m= masa agua a T M= masa inicial calorímetro Te= Temperatura equilibrio. T= Temperatura caliente To= Temperatura inicial calorímetro S= desviación estándar y=valor obtenido de la operación Sa=Desviación estándar a A=valor medido Sb=Desviación estándar a b=valor medido
60 51
− 39 − 40 39 − 24
=
=
=
8
℃
(302.15 − 297.15)
0.1 + 99.22
0.0558 365.15
141.26
=
=
141.26
0.075
!
99.3
− 302.15
=
5.51
+
0.195
5
!
Error absoluto Error porcentual
%
=
!
−
∆ ∗
=
100
Xi = valor medido X = valor real Δx=error
absoluto X= valor real
=
367.53
=
− 385
17.47
17 47
%
,
=
385
∗
100
=
4.54%
ANÁLISIS DE ERROR
Para la presente práctica se tomo en cuenta un análisis de error para la capacidad calorífica promedio obtenida para cada uno de los metales. Para efectos de la práctica el valor promedio obtenido fue el valor utilizado como el valor practico para la realización del análisis de error.
Tabla 7. Análisis de error
Hierro Aluminio Cobre
Error absoluto 283.29 560.17 17.47
Error porcentual 64.38% 62.24% 4.54%
