CALORIMETRIA LABORATORIO N°6
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INTEGRANTES: Kelly Simbala Carlos Lidia Villanueva Romero Julio Medina Luy Luy Alfredo Farje FACUL ACULTAD TAD DE INGENERIA INGENERI A Y DE SISTEMAS SIS TEMAS UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERU
CURVAS DEE
PRÁCTICA N° 6 CALORIMETRÍA
Introducción El calor es una forma de energía. La temperatura de un sistema es una propiedad del mismo que determina si que-dará o no en equilibrio térmico cuando se pone en contacto con cualquier otro sistema. Supóngase que el sistema A, a temperatura superior a la de B, es puesto en contacto con este. Una vez alcanzado el equilibrio térmico, se encuentra que A ha experimentado una disminución y B un aumento de temperatura. De esta manera decimos que entre dos cuerpos que se encuentran en estas condiciones existe un flujo de energía, a la que llamamos calor. Entonces tenemos que el calor es la energía trasferida entre dos sistemas y que está exclusivamente relacionada con la diferencia de temperatura existente entre ellos .Esta práctica trata de la calorimetría, por eso debemos saber que es calorimetría. Una definición sencilla dice que la calorimetría se encarga de medir el calor en una reacción química o un cambio físico usando un calorímetro. La calorimetría indirecta calcula el calor que los organismos vivos producen a partir de la producción de dióxido de carbono y de nitrógeno (urea en organismos terrestres), y del consumo de oxígeno. El calor específico es una propiedad intensiva de la materia, por lo que es representativo de cada sustancia; por el contra-rio, 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
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CALORIMETRÍA
I.
OBJETIVOS: - Determinar las propiedades de absorción de energía de los sólidos. - Determinar el calor específico y peso Atómico de una muestra de
elemento metálico.
II.
PRINCIPIOS TEÓRICOS:
La calorimetría se encarga de medir elcalor en unareacción químicao un cambio físico usando un calorímetro. La calorimetría indirecta calcula el calor que los organismosvivos producen a partir de la producción de dióxido de carbono y de nitrógeno (urea enorganismos terrestres), y del consumo de oxígeno Temperatura y Energia Interna A cualquier temperatura sobre el cero absoluto, los átomos poseen distintas cantidadesde energía cinética por la vibración. Ya que los átomos vecinos colisionan entre sí, estaenergía se transfiere. Aunque la energía de los átomos individuales puede variar comoresultado de estas colisiones, una serie de átomos aislados del mundo exterior tiene unacantidad de energía que no cambia porque va pasando de átomo a átomo.Conceptualmente, la energía promedio por átomo puede calcularse dividiendo la energíatotal por el número de átomos.Aunque no conocemos la energía total de los átomos de un objeto, podemos medir elefecto de esa energía cinética promedio - se trata de la temperatura del objeto. Unaumento en la energía cinética promedio de los átomos del objeto se manifiesta comoun aumento de temperatura y viceversa.Si un objeto se aisla del resto del universo, su temperatura se mantendrá constante. Si laenergía entra o sale, la temperatura deberá cambiar. La energía moviéndose de un lugar a otro se llama calor y la calorimetría usa las mediciones de los cambios de temperatura para registrar el movimiento de calor. UTP | Laboratorio de Química
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Calor. El calor es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico. El calor puede ser transferido por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado.
Capacidad calorífica. La capacidad calorífica de define como la cantidad de calor que hay que suministrar a toda la extensión de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). Se la representa con la letra C (mayúscula).Para medir la capacidad calorífica bajo unas determinadas condiciones es necesario comparar el calor absorbido por una sustancia (o un sistema) con el incremento de tempera-tura resultante. La capacidad calorífica viene dada por:
Donde: · C es la capacidad calorífica, que en general será función de las variables de estado. · Q es el calor absorbido por el sistema. ·ΔT la variación de temperatura. Se mide en unidades del SI julios/K (o también en cal/ºC).La capacidad calorífica (C) de un sistema físico depende dela cantidad de sustancia o masa de dicho sistema. Para un sistema formado por una sola sustancia homogénea se define además el calor específico o capacidad calorífica específica c a partir de la relación:
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CALORIMETRÍA Donde: · c es el calor específico o capacidad calorífica específica ·m la masa de sustancia considerada
Calor específico. El calor específico 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 c (minúscula). Por lo tanto el calor específico es la capacidad calorífica específica y se expresa de la siguiente manera:
El calor específico es una propiedad intensiva de la materia, por lo que es representativo de cada sustancia; 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 más. 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 UTP | Laboratorio de Química
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específica, pero el término está demasiado arraigado para ser reemplazado.
Cantidad de calor. La experiencia pone de manifiesto que la cantidad de calor tomada (o cedida) por un cuerpo es directamente proporcional a su masa y al aumento (o disminución) de temperatura que experimenta. La expresión matemática de esta relación es la ecuación calorimétrica.
El calor específico medio (Ḉ) correspondiente a un cierto intervalo de temperaturas ∆T se define en la forma:
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CALORIMETRÍA Donde Q es la transferencia de energía en forma calorífica entre el sistema y su entorno u otro sistema, m es la masa del sistema (se usa una n cuando se trata del calor específico molar) y ∆T es el incremento de temperatura que experimenta el sistema.
EQUILIBRIO TERMICO
Se dice que los cuerpos en contacto térmico se encuentran en equilibrio térmico cuando no existe flujo de calor de uno hacia el otro. Esta definición requiere además que las propiedades físicas del sistema, que varían con la temperatura, no cambien con el tiempo. Algunas propiedades físicas que varían con la temperatura son el volumen, la densidad y la presión. El parámetro termodinámico que caracteriza el equilibrio térmico es la temperatura. Cuando dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico, entonces estos cuerpos tienen la misma temperatura. Dos sistemas (entiéndase por sistema a una parte del universo físico) que están en contacto mecánico directo o separados mediante una superficie que permite la transferencia de calor (también llamada superficie diatérmica), se dice que están en contacto térmico. Consideremos entonces dos sistemas en contacto térmico, dispuestos de tal forma que no puedan mezclarse o reaccionar químicamente. Consideremos además que estos sistemas están colocados en el interior de un recinto donde no es posible que intercambien calor con el exterior ni existan acciones desde el exterior capaces de ejercer trabajo sobre ellos. La experiencia indica que al cabo de un tiempo estos sistemas alcanzan un estado de equilibrio termodinámico que se denominará estado de equilibrio térmico recíproco o simplemente de equilibrio térmico. El concepto de equilibrio térmico puede extenderse para hablar de un sistema o cuerpo en equilibrio térmico. Cuando dos porciones UTP | Laboratorio de Química
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cualesquiera de un sistema se encuentran en equilibrio térmico se dice que el sistema mismo está en equilibrio térmico o que es térmicamente homogéneo. Experimentalmente se encuentra que, en un sistema en equilibrio térmico, la temperatura en cualquier punto del cuerpo es la misma.
Ley Cero de la Termodinámica El concepto de equilibrio térmico es la base de la llamada Ley Cero de la Termodinámica. Esta ley proposición fue enunciada por R. H. Fowler en 1931. La ley cero de la termodinámica se enuncia diciendo:
La experiencia indica que si dos sistemas A y B se encuentran, cada uno por separado, en equilibrio térmico con un tercer sistema, que llamaremos C, entonces A y B se encuentran en equilibrio térmico entre sí.
III.
PARTE EXPERIMENTAL a) Materiales - Vasos de precipitado UTP | Laboratorio de Química
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CALORIMETRÍA -
Sensor de temperatura Vernier Calorímetro con agitador Probeta Tubo de ensayo
b) Reactivos: - Muestra de un elemento metálico - Agua destilada - Agua caliente
c) Procedimiento:
Antes de realizar la experiencia deberá ingresar a la computadora y abrir el Logger Pro, debe asegurarse que el sensor de temperatura esté funcionando adecuadamente. 1.
Determinación de la Capacidad Calorífica del Calorímetro ♦
♦
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En un calorímetro poner exactamente 50 mL de agua destilada fría. Realice la lectura con el sensor de temperatura y anótela como t 1. En un vaso de precipitado calentar hasta ebullición aproximadamente 55 mL de agua potable. Medir y anotar su temperatura como t 2. Enfríe el sensor de temperatura con chorros de agua de caño y colocarlo en el calorímetro. ♦
♦
Rápidamente agregue el agua caliente (t 2 ) al agua fría (t 1 ) y agite cuidadosamente con el sensor de temperatura. Anote la temperatura máxima de mezcla como t m.
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Nota.- Para conocer el volumen exacto del agua hervida a t 2, restar 50 mL al volumen total de agua del calorímetro. Considere la densidad del agua igual a 1g/mL
Q1 = calor perdido por el agua caliente Q1 = w * Ce (t m – t 2 ) = V 2 * Ce (t m – t 2 )
Q2 = calor ganado por el agua fría Q2 = w * Ce (t m – t 1 ) = V 1 * Ce (t m – t 1 )
Q3 = calor ganado por el calorímetro Q3 = Cc (t m – t 1 ) Cc = Capacidad calorífica del calorímetro
Q 1(Caliente)
23.6)
=
Q 2(fria)
+
Q3(calorimetro) CemH2o(TH2O – Teq.)= CemH2o(Teq – TH2O)+ Ce calorimetro(Teq – TH 2O) (1)(50)(58.3 – 40.5) = (1)(50)(40.5 – 23.6) + C e(40.5 – 890=845 + 16.9 Ce
Ce= 2.7 cal/°C
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CALORIMETRÍA
CURVA DE CALOR ESPECIFICO DEL CALORIMETRO 2.
Calor Específico de un Metal: ♦
Colocar 50 mL de agua potable en el calorímetro seco y limpio. Use el sensor de temperatura y registre el valor como t 1.
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♦
♦
♦
♦
Pesar y colocar aproximadamente 25 gramos de la muestra del metal en un tubo de ensayo. Poner el tubo con el metal, dentro de un vaso con agua potable y calentar hasta ebullición (en baño maría). Dejar el tubo en el agua hirviendo (5 minutos) hasta que el metal haya alcanzado la temperatura del agua. Mida y anote esta temperatura como t 2. Sin dejar de calentar, retire el sensor y enfríelo con agua de caño. Transferir rápidamente el metal caliente al calorímetro. Agite suavemente con el sensor y anote la temperatura máxima de mezcla como t m. UTP | Laboratorio de Química
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Q1 = calor perdido por el metal caliente Q1 = w * Ce (t m – t 2 )
Ce = Calor específico del metal
Q2 = calor ganado por el agua en el calorímetro Q2 = V 1 * Ce (t m – t 1 )
Ce = Calor específico del agua
Q3 = calor ganado por el calorímetro Q3 = Cc (tm – t1)
Q1 = Q2 + Q3 w * Ce (t m – t 2 )= V 1 * Ce (t m – t 1 ) + Cc (t m – t 1 ) (20)Ce(68.3 – 28.5))=(50)(1)(28.5 – 25) + (2.7)( 28.5 – 25) 796Ce=175 + 9.45
Ce=0.23cal/g°C
CURVA DE CALOR ESPECIFICO DE UN METAL IV.
TABLAS DE RESULTADOS: Reporte los resultados de su experiencia en las siguientes tablas:
Capacidad Calorífica del calorímetro:
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CALORIMETRÍA Volumen (mL) V 1
V 2
50 ml
50 ml
Temperatura (°C)
V total 100 ml
Calor (cal)
Cc (cal/ºC)
t 1
t 2
t m
Q1
Q2
Q3
23.6 °C
58.3 °C
40.5 °C
89 0
84 5
45, 2,7cal/° 6 C
Calor Específico de un metal:
a Mas V 1 r t (mL s a e ) u del mmet
Temperatura (°C)
Calor
Ce
Ce
(cal)
cal/gºC
cal/gº C
Práctico
al (g)
Teóri co t 1
C u
20g
50 ml
t 2
25° 6.3 C °C
t m
Q1
Q2
Q3
28,5 °C
183 .1
17 5
9.4 0.23cal/ 5 g°C
6.04
%ERROR=|6.04 -0.23|/6.04(100%)=96% CUESTIONARIO
V. 1.
Un calorímetro de cobre de 154 g contiene 210 g de agua a 12oC; se calientan 54 g de municiones a 98 oC y se echan en el calorímetro adquiriendo la mezcla una temperatura de 12,6oC. ¿Cuál es el calor específico de las municiones?
Q perdido= Qganada (54g)(98°C-12.6°C)Cemuniciones=(154g)(12.6°C-12°C)(0.093cal/g°C)+(210g) (12.6°C-12°C)(1cal/g°C) 4611.Ce municiones =8.59 +126
Ce municiones= 0.029 cal/g °C
Describa brevemente los tipos de calorímetro existentes. UTP | Laboratorio de Química
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CALORÍMETRO ADIABÁTICO Los calorímetros adiabáticos, se construyen de tal forma que no permiten intercambio de calor entre la celda y los alrededores, por lo tanto se emplean materiales aislantes para mantener aislado el sistema y relacionar el calor generado con la diferencia de temperatura que produce. CALORÍMETRO ISOPERIBÓLICO Un calorímetro isoperibólico mantiene constante la temperatura de los alrededores mediante el uso de un termostato, mientras que la temperatura del sistema de medida puede variar con el tiempo. CALORÍMETRO DOUBLE DRY 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. 2.
¿Por qué es recomendable mantener el sensor de temperatura dentro del calorímetro durante toda la práctica?
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CALORIMETRÍA Para la toma de datos en el Logger Pro, y ver las temperaturas en el grafico generado cuando el agua esta fría, caliente y su temperatura en equilibrio.
4. Se sabe que el vidrio es un mal conductor del calor, por lo tanto, cualquier vaso de precipitado se puede usar como calorímetro sin cubrirlo con papel platinado. ¿Es correcta esta apreciación? Incorrecta, pues el vaso de precipitados intercambia temperaturas con el exterior fácilmente y dificulta la toma de datos de su temperatura.
OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES
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Al medir la temperatura del calorímetro es necesario sumergir todo el
termómetro de manera que este mida la temperatura del agua y no la del vapor. •
El margen de error se debe a la temperatura absorbida por el medio
ambiente al pasar el agua caliente al calorímetro; también siempre quedan residuos en las pipetas, y tampoco medimos la cantidad de agua que se evapora. •
El termómetro ingresa con una temperatura diferente a la del sistema,
por eso altera la temperatura del sistema pero de manera ínfima. •
El margen de error tan alto se también se debe posiblemente que el
cobre no se encontraba totalmente seco en el tubo de ensayo sino con residuos de agua.
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