LABORATORIO DE FÍSICA II
INFORME 10 DE FISCA II PROFESOR:
MELCHOR
HORARIO:
SÁBADOS DE 2-4 pm
INTEGRANTES:
GUTIÉRREZ MEZA, KEVIN RODRIGO JUSTINO LÍMACO, MAYTE ANAÍ QUISPE CALDERÓN, LADDY CECILIA ROJAS ROMERO, LEO JOEL
12190065 12190068 12190136 12190166
FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA
Universidad Nacional Mayor De San Marcos Decana de América
CALORES ESPECÍFICOS OBJETIVO
Determinar el calor específico de objetos sólidos, mediante el método de mezclas.
EQUIPOS Y MATERIALES
1 equipo de calentamiento 1 soporte universal 1 calorímetro de mezclas 1 probeta graduada de 100 ml 1 balanza 1 clamp 1 varilla metálica 1 termómetro 1 vaso precipitado 500 ml Muestras metálicas Agua potable
FUNDAMENTO TEÓRICO La cantidad de calor Q disipado o absorbido por cuerpos de la misma sustancia es directamente proporcional a la variación de la temperatura T,
.
(1)
También, el calor cedido o absorbido por cuerpos distintos, pero de la misma sustancia, son directamente proporcionales a la masa m,
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(2)
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El calor específico (c) de un cuerpo se define como:
..
(3)
Donde dQ es el elemento de la cantidad de calor que intercambian los cuerpos con el medio que lo rodea, mientras que dT es el elemento de variación de temperatura que experimenta los cuerpos. La cantidad de calor transferida /absorbida por el cuerpo depende de las condiciones en que se ejecuta el proceso. En ña presente experiencia se utilizara el método de mezclas y el proceso de medida se realizara a presión constante.
Método de mezcla Cuando el intervalo de temperatura no es muy amplio se utiliza el método de mezclas, el cual conduce a al a determinación del calor especifico medio; aquí se hace uso del balance de energía. Sea una porción de agua de masa m a en un calorímetro de masa mcal , ambos a la temperatura Ta y otro cuerpo de masa mc a otra temperatura Tc ˃ Ta. Llamemos ca al calor especifico del agua ccal calor especifico del calorímetro y cc al calor especifico del cuerpo Después de un tiempo prudencial de haberse mezclado el agua con el cuerpo el sistema adquirirá una temperatura de equilibrio Te . Se encuentra la ecuación
( ) ( ) ( )
(4)
Conociendo el calor específico del agua y del calorímetro, el calor especifico del cuerpo queda automáticamente determinado.
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PROCEDIMIENTO 1. Monte el quipo como muestra el diseño experimental de la figura. 2. Coloque en el calorímetro una masa de 150 g de agua (para la medida del volumen utilice la probeta graduada). 3. Tome la temperatura en el calorímetro. 4. Mida la masa de la primera muestra cilíndrica y complete la tabla 1. 5. Deposite la muestra en el vaso de precipitados que contiene 500 ml de agua y sométala a la acción térmica, hasta que alcance la temperatura de ebullición. 6. Deje hervir la muestra de 7 a 10 minutos. 7. Retire la muestra del agua caliente e introdúzcala rápidamente en el calorímetro. Tápelo inmediatamente. Anote la temperatura en el momento que llega al equilibrio Te. 8. Realice la misma operación con muestras de sustancias diferentes. Coloque en el vaso con agua en hervor una muestra cada vez. 9. Complete la tabla 2 y determine el calor específico de las muestras. No olvide acompañar a cada valor su error experimental
M(agua)
Tabla 1 150 0.05
Ta
21°c 0.5
Mc
26,3 0.05
Tc
21°c 0.5
. Boque Ta (°C) Tc (°C) Te (°C) Mc (g) C(cal/g°C)
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Tabla 2 Muestra 1 (aluminio) 21 21 25,5 26,3
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EVALUACIÓN 1. A partir de los datos de la tabla 2 y de la ecuación (4) halle los calores específicos de los bloques en la experiencia. *Para nuestro caso cabe mencionar que solo se trabajó con una muestra (cilindro de aluminio) Despejando de la ecuación (4):
( ) ( )
( ) ( )
Muestra 1 (Al) Calores específicos
0.3491
2. Busque los valores teóricos de los calores específicos de los bloques trabajados en clase y halle el error porcentual con los valores que Ud. Hallo en el laboratorio. Si el error se sale mayor a 10% justifique ¿Por qué?
Valor teórico Calor especifico (Al): 0.211 (cal/g°C)
Valor experimental Calor especifico exp.(Al): 0.3491 (cal/g°C)
*hallando el error porcentual:
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*como podemos notar el error obtenido sobrepasa el 10% ellos se debe a muchos factores, mencionaremos los principales:
Mala manipulación de los instrumentos No haber tomado bien los datos Una mala posición al momento de tomar los datos Condiciones ambientales perjudiciales (nuestro caso el clima frio).
3. ¿Qué es un calorímetro? Descríbalo y explique cómo funciona.
El calorímetro 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. 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 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.
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Funcionamiento básico
Muchos calorímetros utilizan el principio de carga dual, en el cual una absorbe mientras que la segunda actúa como temperatura de referencia mientras más aumenta el calor lo mismo pasa con la temperatura. 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 electromagnéticos. Siendo ésta una de las características distintivas de un calorímetro y es esencial para su alta precisión.
Uso
Para utilizar el calorímetro, un científico pondrá una cantidad precisa conocida de agua pura en la cámara de agua. La cantidad puede variar, pero 100 mililitros (ml) es lo típico. A continuación, lee y registra la temperatura del agua. Luego se dosifica la cantidad exacta de productos químicos que quiere estudiar, los pone en la cámara de reacción, y se cierra la tapa. Se observa el termómetro muy de cerca por los cambios en la temperatura. A medida que la reacción química progresa, la temperatura va a subir o bajar. Si sube, se alcanzará un valor máximo, luego disminuirá. Lo contrario también es válido si la temperatura baja. Es importante tener en cuenta la temperatura máxima o mínima.
Cálculo
Una vez que esta temperatura se encuentra, el científico determina la energía de la reacción de restar la temperatura inicial de la final, y luego multiplicar por la cantidad de agua utilizada, en este caso, 100 ml. Si la temperatura inicial es de 24ºC y la final es de 26ºC, se obtiene (26 - 24) x 100 = 200 calorías. Puesto que la temperatura subió, llamamos a esto una reacción exotérmica, desprendiendo calor. Si la temperatura bajó, se lo llamaría una reacción endotérmica, la absorción de calor.
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El Rol Del Agua
El agua es la clave para hacer el trabajo calorímetro. La definición de la caloría se establece como la cantidad de energía que eleva la temperatura de 1 ml de agua un grado Celsius. Que también se le llama capacidad calorífica específica del agua. Cuando el agua se congela en hielo o hierve en vapor, la capacidad calorífica específica cambia. Pero en la medida que estamos tratando con el agua líquida, podemos contar con la relación.
Ventajas: alta precisión estabilidad de calibración
Desventajas: baja velocidad de respuesta muy voluminosos
4. Investigue cuantos tipos de calorímetros hay en el mercado y cuáles son sus usos de cada uno de ellos.
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Tipos de calorímetros:
Estáticos No Estáticos Dryload Calorimeter Micro Calorímetro Calorímetro De Flujo
Otros tipos de calorímetros
Calorímetro adiabático Calorímetro de cambio de estado
DRY LOAD CALORIMETER En comparación con los instrumentos posteriores la precisión era muy modesta con una incertidumbre de 2% para la versión coaxial y uno a 2.5% para las versiones 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 perfomance e incertidumbres debajo de 0.5% para frecuencias arriba 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 esta 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 (dry load type)
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La carga donde la potencia es disipada. Línea de transmisión aislada isotérmicamente la cual conecta la entrada a la carga Sensor de temperatura
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Funcionamiento básico
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 2 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 electromagnéticos. Siendo esta una de las características distintivas de un calorimetro y es esencial para su alta precisión.
Efecto peltier
Consiste en que la circulación de corriente en un sentido produce un calentamiento y al circular en el otro sentido produce un enfriamiento
EL MICRO CALORÍMETRO Es el tipo de calorímetro más usado. Estrictamente hablando, no es un medidor de potencia pero es un instrumento para determinar la eficiencia efectiva de un montaje bolometrico. Fue originalmente inventado para la calibración de metal wire bolometers, pero termistores y películas bolometricas también pueden ser calibrados por este método.
Funcionamiento
Antes de comenzar la medición, el montaje bolometrico es insertado dentro del calorímetro, donde actúa como la carga, cuando la medición es completada el bolometro es removido y entonces puede ser usado como una referencia calibrada.
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Procedimiento de calibración
El puente suple una dc para mantener la resistencia del elemento bolometro a un valor especificado “r”. Antes de comenzar la medición rf la sensitividad g1 de la termopila es determinada (v/w) notando la subida en voltaje de salida de la termopila cuando la dc es aplicada. Cuando la potencia rf es aplicada, la potencia disipada en el elemento es mantenida constante por el puente, pero la potencia es disipada adicionalmente en las paredes y en cualquier otro lugar del montaje.
CALORÍMETRO DE FLUJO La potencia es medida a través del calor de un fluido que fluye a traves de la carga. Una indicacion de la potencia es dada por la subida en la temperatura del fluido pasando del orificio de entrada al de salida.
Características
Las versiones de guías de ondas utilizan como fluido de trabajo agua. Mientras que el coaxial utiliza aceite y es construido para bajas frecuencias. Aire también puede ser usado, pero el uso de gases crea un problema adicional a causa del calor debido a la compresibilidad Los calorímetros de flujo pueden manejar mayores potencias que los tipos estáticos. Su principal aplicación es para potencias de muchos watts. Para medir las subidas de temperatura en un calorímetro usualmente se emplean termopilas, termómetros de resistencia y algunas veces termistores
CALORÍMETRO DE CAMBIO DE ESTADO Este tipo de calorímetro no es muy usado. El calor a ser medido funde una cantidad de sólido o hierve una cantidad de líquido. El medio está en equilibrio térmico y por eso todo el calor entrante es usado para producir el cambio de estado, la potencia p está dada por:
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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. Existen tres formas para alcanzar este objetivo: 1. Cuando la generación de calor es tan rápida, ninguna cantidad apreciable de calor puede entrar o salir de la celda durante el período en que se lleva a cabo la medida. 2. En el caso de separar la celda de los alrededores con una resistencia térmica RT infinitamente grande, de tal forma que el sistema de medida esté lo más aislado posible. 3. Por medio de controles externos que hacen que la temperatura de los alrededores sea siempre lo más semejante posible a la de la celda.
Para cumplir con las condiciones anteriores, la celda se rodea de un aislamiento que puede estar constituido por un recipiente empacado al vacío, como es el caso de los vasos Dewar, por escudos metálicos que impidan la transferencia de calor, por materiales plásticos de baja conductividad térmica o por la combinación entre varios de estos. Durante la experiencia calorimétrica cualquier calor generado o consumido en la celda lleva a un cambio en la temperatura. En los calorímetros adiabáticos se presenta un control estricto en la temperatura de los alrededores, lo que hace necesario el uso de adecuados controles electrónicos que mantengan constante el gradiente de temperatura entre la celda y los alrededores de tal forma que el intercambio de calor entre estos sea lo más pequeña posible, en teoría nula.
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. 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.
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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 electromagnéticos. Siendo ésta una de las características distintivas de un calorímetro y es esencial para su alta precisión.
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. Existe una resistencia térmica RT, de magnitud definida entre los alrededores y la celda donde se realiza la medida, de tal forma que el intercambio de calor depende de la diferencia de temperatura entre estos (AT es igual a la temperatura de los alrededores y CT igual a la temperatura de la celda y sistema de medida); como AT es constante entonces el flujo de calor es una función de TC. Si la generación de calor dentro de la celda se termina, la temperatura TC se aproxima a la temperatura de los alrededores TA. La siguiente figura muestra un esquema de la disposición de este tipo de calorímetros.
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CONCLUSIONES
Ya que la energía se transforma, esta en forma de calor al ser ganada por un cuerpo esta ha tenido que ser perdida por otro. Concluimos que si un cuerpo pierde o libera calor existe otro cuerpo que absorbe o gana esa cantidad de calor, existe un balance de energía. Entendemos por el experimento que el calor especifico esta definido como la cantidad de calor que hay que suministrar a un cuerpo para elevar su temperatura. El calorimetro es un instrumento muy util a la hora de hallar los calores específicos de elementos, el utilizado en laboratorio no es de alta presicion sin embargo nos da un valor muy aproximado.
Encontramos una relación entre el calor ganado o absorbido por un cuerpo y la masa de este, ya que a mas masa sera necesario inducir mayor calor para poder aumentar su temperatura.
RECOMENDACIONES
Realizar el experimento en áreas donde la humedad sea mínima y realizar la experiencia con una temperatura de ambiente constante. Sumergir por completo el cuerpo así este aumentará su temperatura homogéneamente. Introducir el cuerpo lo más rápido posible y procurando a la vez no variar la temperatura, para así obtener su calo especifico a un valor aproximado
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BIBLIOGRAFIA
Wikipedia – La enciclopedia Libre www-wikipedia.org
Física 6ta edición – Tipler, Mosca
Física General – A. Navarro, F. Taipe
Manual de Laboratorio Fisica II
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