UNIVERSIDAD DE LA COSTA
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS ÁREA DE LABORATORIO DE FÍSICA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PRUEBA DE CALORIMETRIA PARA HALLAR EL CALOR ESPECÍFICO DE UN SÓLIDO MEDIANTE EL USO DEL CALORÍMETRO Y DEL AGUA.
Luis Buelvas1, Oscar Barragán2 Fraid Palma2 Luis Rangel2 1Ingeniería Electrónica, 2Ingeniería
Civil
L aborato ratori o de F í sica Calo Calorr y Onda Ondas G r upo: upo: B D L
Resumen En la siguiente experiencia se utilizó un calorímetro con vaso interno metálico, termómetro, mechero, probeta de 100 ml y una balanza. En primer lugar se realiza la medición de d e la masa del vaso interior del calorímetro, se introduce el vaso en el calorímetro, se vierte en este 50 ml de agua a temperatura ambiente y se tapa el calorímetro. Luego, se procede a realizar la medición de la masa del sólido proporcionado para la realización de la experiencia, para de esta manera ser vertido en el calorímetro. Se deja pasar un minuto y utilizando un termómetro se mide la temperatura dentro del calorímetro; mientras se vierte en otro recipiente 150 ml de agua y lo calentamos a 70º aproximadamente. Y se vierte en el calorímetro. Se mide la temperatura dentro del calorímetro después de unos minutos y se puede observar de que esta disminuye hasta el punto en que encuentra un equilibrio, se toma el valor de este punto de equilibrio y se procede a comparar el valor obtenido en la experiencia del calor específico del sólido en cuestión, con el de una tabla de valores de calores específicos de algunos materiales, el cual arrojó como resultado que el material era ALUMINIO, cuyo calor específico es de 0,215cal/gºC. De esta manera se da por concluida la experiencia.
Palabras claves Calorimetría, equilibrio térmico, temperatura, calor específico de un sólido, calor. Abstract A calorimeter with internal metallic glass, thermometer, lighter, 100 ml graduated cylinder and scales used in the following experiment. First measuring the mass of the inner chamber of the calorimeter is performed, the glass is introduced into the calorimeter, this is poured into 50 ml of water at room temperature and cover the calorimeter. Then one proceeds to the measurement of the mass of the solid provided for performing experience, e xperience, to thereby be poured into the calorimeter. They T hey let a minute and a thermometer the temperature within the calorimeter is measured; while pouring into another vessel 150 ml of water and heated to approximately 70 °. Y is poured into the calorimeter. The temperature was measured in the calorimeter after a few minutes and you can see that this decreases to the point where it finds a balance, the value of this balance is taken, the value of this balance is taken as well and proceeds to compare the value obtained in the experience of the specific heat of solid matter, with a table of values of specific heats of some materials, the result of which was that the material was ALUMINUM, whose specific heat is 0,215cal / gºC. In that moment, the experience is successfully completed.
Keywords Calorimetry, thermal balance, temperature, specific heat of a solid, heat. calor en una reacción química o un cambio de estado que esta experimente usando un instrumento llamado calorímetro. El calorímetro fue inventado en 1760 por Pierre Simón de Laplace, es un instrumento que se emplea para la realización mediciones del calor específico de un material, muchas veces está hecho de latón ó hierro. Este aparato está dotado por un recipiente en su interior completamente aislado del entorno exterior, lo cual permite obtener una medición exacta del calor de un líquido por
1. Introducción La termodinámica es la disciplina que estudia la transferencia de calor de un material o cuerpo hacia el otro para encontrar ambos un equilibrio. Nicolas Léonard Sadi Carnot es considerado el padre de la termodinámica, pero es Otto von Guericke quien en 1650 crea la bomba de vacío, y con esto inicia la historia de la Termodinámica como disciplina científica. La calorimetría es una de las aplicaciones de la termodinámica, esta lo que busca es medir el
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medio de un Termómetro que es introducido por un agujero y es aislado y sellado por un corcho. Lo que se pretende con esta práctica es calcular el calor específico de algún material sólido empleando agua como sustancia conociendo de esta el calor especifico, además de emplear el calorímetro, del cual se conoce también su calor específico.
con frecuencia era agua. Las nociones iniciales de calor se basaron en un fluido llamado calórico que fluía de una sustancia a otra y causaba cambios en la temperatura. A partir del nombre de este fluido mítico salió una unidad de energía relacionada con los procesos térmicos, la caloría (cal), que se define como la cantidad de transferencia de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14.5°C a
2. Fundamentos Teóricos 2.1 Calorímetro
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.
15.5°C.1 (La “Caloría”, escrita con C
mayúscula y que se usa para describir el contenido energético de los alimentos, es en realidad una kilocaloría.) La unidad de energía en el sistema estadounidense es la unidad térmica británica (Btu), que es la cantidad de transferencia de energía que se requiere para elevar la temperatura de 1 lb de agua de 63°F a 64°F.
2.2 Calorimetría Una técnica para medir calor específico involucra el calentamiento de una muestra en alguna temperatura conocida Tx, al colocarla en un recipiente que contenga agua de masa conocida y temperatura Tw < Tx, y medir la temperatura del agua después de que se logra el equilibrio. Esta técnica se llama calorimetría, y los dispositivos donde se presenta esta transferencia de energía se llaman calorímetros. Si el sistema de la muestra y el agua está aislado, el principio de conservación de energía requiere que la cantidad de energía que sale de la muestra (de calor específico desconocido) sea igual a la cantidad de energía que entra al agua. La conservación de energía permite escribir la representación Matemática e este enunciado energético como Q frío= -Q caliente
2.4 Calor especifico
Se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de la unidad de masa de un elemento o compuesto en un grado. Cuando se le agrega energía a un sistema y no hay cambio en las energías cinética o potencial del sistema, por lo general la temperatura del sistema aumenta. (Una excepción a esta afirmación sucede cuando un sistema se somete a un cambio de estado, también llamado transición de fase, como se explica en la siguiente sección.) Si el sistema consiste en una muestra de una sustancia, se encuentra que la cantidad de energía requerida para elevar la temperatura de una masa determinada de la sustancia a cierta cantidad varía de una sustancia a otra. Por ejemplo, la cantidad de energía requerida para elevar la temperatura de 1 kg de agua en 1°C es 4 186 J, pero la cantidad de energía requerida para elevar la temperatura de 1 kg de cobre en 1°C
2.3 Unidades de calor
Los primeros estudios acerca del calor se enfocaron en el resultante aumento en temperatura de una sustancia, que
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sólo es de 387 J. En la explicación que sigue se usará el calor como ejemplo de transferencia de energía, pero tenga en mente que la temperatura del sistema podría cambiar mediante cualquier método de transferencia de energía. La capacidad térmica C de una muestra particular se define como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura. El calor específico c de una sustancia es la capacidad térmica por unidad de masa. Por lo tanto, si a una muestra de una sustancia con masa m se le
3. Desarrollo experimental Se realizó el montaje experimental del equipo para determinar medir el calor específico del calorímetro utilizando las siguientes herramientas.
Figura 1. Calorímetro.
transfiere energía Q y la temperatura de la muestra cambia con respecto al tiempo T, a continuación se muestra una tabla de calor específico de los materiales
Utilizado para la especifico.
El calor específico es en esencia una medida de qué tan insensible térmicamente es una sustancia a la adición de energía. Mientras mayor sea el calor específico de un material, más energía se debe agregar a una masa determinada del material para causar un cambio particular de temperatura.
calculación del calor
Figura 2. Mechero de Bunsen Utilizado para calentar el agua
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= 92 − 20 = 72
MASA DEL AGUA CALIENTE. = º − = 207,4 − 66,1 = 141,3
Figura 3. Termómetro Utiliza para medir la temperatura en el experimento.
DATOS CONOCIDOS. Ccalorimetro = 0,22 cal/gºC Cagua = 1,0 cal/gºC Ti’ = 70ºC
Después de haber realizado las mediciones experimentales, paso a paso, como se observó en la parte experimental para obtener los datos necesarios, y haciendo uso de la ecuación del equilibrio térmico, se pudo hallar el calor específico del sólido en cuestión, como se muestra a continuación:
Figura 4. Tuerca Se utilizó para hallar cuál es su material por medio de su calor específico
ó ( − ) + [ ( − ) + ( − ′)] = ( − )
4. Datos obtenidos del laboratorio. Mb
Mc
M1
M2
Ti
11,7
46
46
141,3 22°
70° 52º
6,4
43,6
47,9
207,5 22°
70° 50º
15,9
45
45,7
144,3 22°
70° 52º
32
46,4
109
232,9
23°
70° 52º
25,6
45
48,7
212,5 24°
70° 50º
Ti’
Tf
Que partiendo de los datos obtenidos, se puede reemplazar en la anterior ecuación, y de esa manera obtener un resultado a comparar con la tabla de calores específicos de algunos materiales: ó 46(52º − 22º )0,22 1,0 + [72(52º − 22º) + 141,3(52º − 70º)] º º = 11,7(22º − 52º)
Tabla 1. Datos de masas y temperatura.
ó 46(30º)0,22 1,0 + [72(30º) + 141,3(−18º)] º º = 11,7(−30º)
4. Cálculos y análisis de resultados
ó
Primero, se procedió a obtener los valores de las masas del agua fría y del agua caliente.
1,0 303,6 + º [2160º−2543,4º)] = −351º
MASA DEL AGUA FRÍA. = −
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Análisis de Resultados:
1,0 303,6 + º [−383,4º] ó = −351º
ó =
1. ¿Por qué la temperatura final de equilibrio no quedó muy cerca de la temperatura del agua? Explique su respuesta.
303,6 − 383,4 −351º
ó =
La temperatura final de equilibrio no quedará cerca de la temperatura del agua, puesto que esta es el resultado una temperatura de equilibrio térmico, entre el agua a temperatura ambiente y el agua caliente que se aísla en el vaso interno del calorímetro, por ende el equilibrio térmico no se manifestará mucho de un lado, y menos del otro, más bien trata de estar en equilibrio.
, º
Al compararse el valor obtenido del calor específico de este sólido con la tabla del calor específico de los distintos materiales, se pudo identificar que el material es el ALUMINIO: =
, º
Ahora, se procede a calcular el error porcentual entre el valor teórico y el experimental obtenido en esta experiencia. % =
2. ¿Por qué en el experimento se tiene que tomar en cuenta el vaso interior y no así el vaso exterior del calorímetro que es también de aluminio?
| − | × %
El vaso externo es un buen aislante del calor, es por esto que se procede a realizar la experiencia en el vaso interno, para no alterar los resultados, teniendo en cuenta las condiciones del ambiente.
, , | − | º º % = × % , º % = , %
5. Conclusiones Por medio del colorímetro y del agua, se pudo determinar el valor del calor específico de un material sólido desconocido. De esta manera se logró identificar el material del que estaba hecho el sólido en cuestión. La experiencia nos indicó que un líquido que este a cierta temperatura y otro a diferente temperatura, buscan encontrar un equilibrio entre ellos. Ahora bien, gracias a esta experiencia, se pudo determinar el material del sólido dado, en este caso era una tuerca, y de acuerdo a lo experimentado y a los valores comparados en la tabla, el material es ALUMINIO y su calor específico es de 0,215cal/gºC.
De la misma manera se procede con los 4 grupos restantes de datos que extrajimos de los demás grupos. Estos fueron los resultados:
GRUPO 1
CALOR ESPECÍFICO cal/gºC 0,22
2
15,6
3
1,94
4
0,79
5
4,09
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Bibliografía [1] Reyman A. Serway, Jhon W. Jewett, Jr, Física para ciencias e ingenierías, volumen 1, sexta edición, Thomson.BENSON, Harris. Física universitaria. Volumen. Primera edición. Ed. Cecsia [2]Sears, Zemansky, Young, Freedman, Física universitaria con física moderna, vol. 1, undécima edición, Pearson educación, México, 2005. ISBN 970 – 26 – 0672 – 1.
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