PRACTICA N. 6: DETERMINACION DEL CALOR ESPECIFICO DE UN METAL. Elaborado por: 1Jairo Alexander guerrero 2
Arnol Smith García Barbosa
SEDE ORINOQUIA PROGRAMA ESPECIAL DE MOVILIDAD ACADÉMICA, PEAMA Resumen:
En el laboratorio se trabajaron dos conceptos relacionados con el calor, tales como capacidad calórica y calor especifico, todo esto con el fin de conocer la manera de calcular el calor específico de metales y capacidad calórica de un calorímetro de manera experimental. Primeramente se realizó una serie de mediciones de temperatura a una masa de agua fría y otra de agua caliente por separado y mezcladas, para determinar la capacidad calórica de un calorímetro y tenerlas en cuentas para posteriormente realizar los cálculos correspondientes en la segunda parte de la práctica. En la segunda parte de la práctica se tomó una serie de mediciones de temperatura, masa de agua y metales, para determinar el calor específico de 2 metales (aluminio y cobre). En esta práctica se determinó la capacidad calórica del implemento utilizado (calorímetro), y el calor especifico de 2 metales tales como el aluminio y el cobre, estos valores experimentales se compararon con valores ya establecidos, luego se les hizo un análisis estadístico para determinar su exactitud y precisión. Palabras clave:
Calorímetro Calor especifico Temperatura de equilibrio Capacidad calorífica
Introducción
La calorimetría es una rama de la termodinámica que se ocupa del estudio de la energía en forma de calor, generada en las reacciones químicas o en los cambios físicos que se presentan en la materia. Para la medición del calor se hace uso de un equipo llamado 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. Anónimo. (2011). El instrumento que utilizamos en la práctica consta de un recipiente aislado por una pared de corcho, en e n el cual se encuentran las sustancia que se trasfieren el calor entre sí. Además tiene una resistencia, y una 1
Estudiante de la Universidad Nacional de Colombia. Ing. Química.
[email protected] Estudiante de la Universidad Nacional de Colombia. Ing. Química.
[email protected]
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varilla para agitar la mezcla. En la parte superior se le añade un termómetro para medir el cambio de temperatura que se está dando al interior del calorímetro, que como dijimos anteriormente el calorímetro es un sistema adiabático. El calorímetro se muestra en la figura 1.
Partes del calorímetro
1. 2. 3. 4. 5.
Termómetro. Agitador. Resistencia. Material aislante. Cámara de reacción.
Figura 1 Calorímetro http://4.bp.blogspot.com/-MPc11TYY8nM/UPLFkG3BYI/AAAAAAAAAAc/V_-Z-jGxEtU/s1600/CALORIMETRO.JPG
El calorímetro es un instrumento altamente utilizado en los laboratorios para medir la transferencia de calor entre dos cuerpo es decir el calor específico. El calor específico es la cantidad de energía en forma de calor que hay que suministrarle a un gramo de sustancia para que aumente en un grado Celsius su temperatura. Flores, (2011). Sostiene que el calor específico es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de la unidad de masa de un elemento o compuesto en un grado. En el sistema internacional sus unidades serán por tanto J·kg -1·K -1. El calor específico del agua es de 4,186 julios/gramo °C. Ecuación general de la calorimetría.
m: masa del cuerpo Δt: variación de temperatura
c: calor específico del cuerpo Q: cantidad de calor
Netto, (2007). Afirma que la Capacidad térmica o calórica de un cuerpo es la relación entre la cantidad de calor (Q) recibida por un cuerpo y la variación de temperatura (Δt) que [Escriba texto]
éste experimenta. Además, la capacidad térmica es una característica de cada cuerpo y representa su capacidad de recibir o ceder calor variando su energía térmica. C: capacidad térmica (en cal/°C) Ecuación de la capacidad calórica: C =QΔT El objetivo de esta práctica en el laboratorio fue observar la transferencia de calor que se lleva a cabo entre varias sustancias, determinar la capacidad calórica de un calorímetro y por ultimo determinar la capacidad calórica de algunos metales, hacer por triplicado cada experimento para evaluar la precisión, además como todo practica en el laboratorio lo que se pretende es que los conceptos o experimentos ya hecho sean reproducidos nuevamente por los estudiantes con el fin de que sus conocimientos se refuercen con cada práctica. Parte experimental Materiales, equipos y reactivos
Balanza analítica electrónica Ohaus Plancha de calentamiento 1 calorímetro
(± 0.001)
Reactivos
Agua destilada (H2O) Cobre(Cu) Aluminio(Al)
Procedimiento Calibración del calorímetro y determinación de su capacidad calórica. Se pesaron 100g de agua (M) y se colocó en el calorímetro y se midió su temperatura en el equilibrio térmico y se asignó el nombre de (T1). Se colocó y calentó en un vaso de precipitado100g de agua (m) hasta llegar a 50ºC y se registró su temperatura la cual se llamó (T2), a continuación se mezcló en agua fría con el agua caliente en el calorímetro y se tapó inmediatamente, se dejó hasta llegar a un equilibrio térmico y se tomó la temperatura la cual se llamó (T3).Se encontró la capacidad calorífica del calorímetro, teniendo en cuenta la ley de la conservación de la energía de la termodinámica. El procedimiento se hizo por triplicado, seguido de un análisis estadístico de los datos.
Determinación del calor específico de los metales Se colocó 100g de agua (M) en el calorímetro y se midió su temperatura en el equilibrio térmico, se registró este valor y se llamó (T1). Se pesaron en un vidrio de reloj aproximadamente 10g de metal, se registró y se le llamo (m), en un vaso de precipitado se adiciono 100g de agua y el trozo de metal amarrado con un hilo. Se calentó hasta lograr 70ºC de temperatura (T2), se sacó el metal rápidamente y se introdujo en el agua que contiene el calorímetro, se esperó hasta lograr el equilibrio térmico, se tomó y registro la temperatura y se le llamo (T3). Con los datos obtenidos se determinó el Cp del metal y se comparó con el teórico el procedimiento se hizo por triplicado, seguido de un análisis estadístico.
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Luego se determinó el calor específico para otro metal, siguiendo el anterior procedimiento.
Resultados y análisis Calibración del calorímetro y determinación de su capacidad calórica (K). Tabla 1. Datos para la determinación de la
capacidad calórica del calorímetro. Variables
Ensayo 1 Ensayo 2
Ensayo 3
M: H2O fría
100,004g 100,008g 100,004g
m: H2O caliente 100,044g 99,997g 100,035g T1
27 ºC
28 ºC
28 ºC
T2
50 ºC
50 ºC
50 ºC
T3
37,5 ºC
38 ºC
38,5 ºC
T3-T1
10,5 ºC
10 ºC
10,5 ºC
T3-T2
-12,5 ºC
-12 ºC
-12,5 ºC
Formula capacidad calórica mC (T3-T2) + K (T3-T1) + MC (T3-T1) = 0 M= masa de agua fría m= masa de agua caliente K= capacidad calórica del calorímetro C=calor especifico del agua (1 cal/g°C)
Determinación de capacidad calórica (K) del calorímetro. Ensayo 1.
(100.044 gH2Ocal )1 calgºC(-12.5ºC) (10.5ºC)(100.004gH2Ofría )(1 cal⁄gºC )(10.5ºC)=0 (-1250.55 cal) (10.5ºC)(1050.042 cal)=0 042 =19.096 = 1250.55 10.51050. º ºC Tabla 2. Capacidad calórica
Ensayo Capacidad calórica 1 2 3
19.096 º 19.988 º 19.050 º
Desviación estándar:
º
X promedio: 19.378
)+(.−.) = 0.53 √ (.−.)+(.−. −
=
Ya que la desviación estándar fue relativamente baja, esto nos indica que las mediciones de la capacidad calórica del calorímetro fueron altamente precisas, entendiendo que la desviación estándar es la medida de [Escriba texto]
dispersión de los datos. En este caso la desviación fue de 0.53, esto denota la variabilidad que tiene las mediciones entre sí por encima y por debajo. Coeficiente de varianza: CV =
= . 100 = 2,7% .
El coeficiente de varianza (CV) determina el porcentaje de variabilidad de las mediciones, y se usa para hacer un paralelo entra los datos y determinar la precisión de los resultados. Como el coeficiente de varianza nos arrojó un valor bajo (2.7%) se considera que las mediciones fueron muy precisas, por lo general se consideran precisas por debajo del 20%. Datos Aluminio Tabla 2 Datos para la determinación del calor especifico del aluminio. Formula calor específico Variables
Ensayo 1
Ensayo 2
Ensayo 3
M
100,015g
100,837g
100,128g
m
6,816g
6,816g
6,816g
T1
30 ºC
27 ºC
27,2 ºC
T2
70 ºC
70 ºC
70 ºC
T3
30,2 ºC
28 ºC
28 ºC
T3-T1
0,2 ºC
1 ºC
0,8 ºC
T3-T2
-39,8 ºC
-42 ºC
-42 ºC
mC2 (T3-T2) + K (T3-T1) + MC1 (T3-T1) = 0
K= capacidad calórica del calorímetro C1=calor especifico del agua (1 cal/g°C) C2 = calor especifico del cobre M = masa del agua m = masa del metal
19.3º78 (0.2º) (100.015)(0.2º)(1/º) (39.8º)(6.816) Ensayo 1 2 3
[Escriba texto]
Calor especifico 0.086 cal/g .ºC 6.8 cal/g .ºC 0.33 cal/g .ºC
=0.086 cal/g .ºC
X promedio: 2.40 cal/g .ºC Valor real calor especifico del cobre: 0.022 cal/g .ºC
Desviación estándar:
=
−2.40 )+(0.33−2.40 ) = 3.9 √ (0.086−2.40 )+(6.8−
La desviación estándar fue en este caso fue alta, indica que las medidas de temperatura de datos para la determinación del calor especifico del cobre fueron muy imprecisos, la desviación estándar de los datos fue de 3.9. Coeficiente de varianza: CV =
*100 =163%
El coeficiente de varianza (CV) determina el porcentaje de variabilidad de las mediciones, y se usa para hacer un paralelo entra los datos y determinar la precisión de los resultados. Como el coeficiente de varianza nos arrojó un valor alto (163%) se considera que las mediciones fueron imprecisas, por lo general se consideran imprecisas por encima del 20%. Error relativo promedio:
− 100
.−. ∗100=10.809 % .
10.809
El error relativo denota un valor demasiado alto ( %), y se entiende con esto que los datos no son exactos, se debe a que el material utilizo no era 100% aluminio si no una aleación de metales además estaba sucio, estos factores influyen en la exactitud del resultado. Tabla 2 Datos para la determinación del calor especifico del cobre. Variables
Ensayo 1
Ensayo 2
Ensayo 3
M
100,011g
100,048g
100,054g
m
13,625g
13,625g
13,625g
T1
28 ºC
27 ºC
27,8 ºC
T2
70 ºC
70 ºC
70 ºC
T3
28,1 ºC
27,8 ºC
28,1 ºC
T3-T1
0,1 ºC
0,8 ºC
0,3 ºC
T3-T2
-41,9 ºC
-42,2 ºC
-41,9 ºC
Ensayo 1 2 3
[Escriba texto]
Calor especifico 0.017 cal/g .ºC 0.16 cal/g .ºC 0.055 cal/g .ºC
X promedio: 0.232 cal/g .ºC Valor real calor especifico del cobre: 0.092 cal/g .ºC
Desviación estándar:
=
−0.232 )+(0.055−0.232 ) = 0.20 √ (0.017 −0.232 )+(0.16 −
Ya que la desviación estándar fue relativamente baja, esto se debe a que las mediciones para la determinación del calor específico del cobre fueron precisas, entendiendo que la desviación estándar es la medida de dispersión de los datos. En este caso la desviación fue de 0.20, esto denota que tan cerca o que tan lejos están los valores entre si. Coeficiente de varianza: CV =
*100 = . = 86% .
Debido a que coeficiente de varianza nos arrojó un valor alto (86%) se considera que las mediciones fueron poco precisas, por lo general se consideran poco precisas por encima del 20%. Esto se debe a inconsistencia a la hora de realizar la practica, al pasar el metal del agua caliente al agua del calorímetro este pudo haber presentado perdida de energía lo cual alteraría el resultado final, además que el calorímetro tenia ciertas transferencias de energía, en algunos casos se sobre paso la temperatura del metal, irrumpiendo con lo que decía la metodología.
Error relativo promedio:
.−. ∗100= 152% .
− 100
El error relativo en esta practica nos arroja un valor muy alto (152%), esto nos indica que lo datos como en la anterior medición son inexactos ya que se presentaron los mismos inconvenientes, además este metal iba acompañado de un hilo, no metálico que pudo haber influido también en el valor final.
PREGUNTAS DE APLICACIÓN a)Si un metal x tiene un Cp=0,01cal/g°C y otro Cp=0.1 cal/g°C ¿Cuál será mejor conductor?
Rta: Entendiéndose que la pregunta se refiere a la conductividad térmica, el metal cuyo Cp es 0,01cal/g°C es el mejor conductor ya que la conductividad y el calor especifico son inversamente proporcionales, es decir, entre menor sea el calor especifico mayor conductor de calor será, puesto que hay que suministrar poca energía en relación con el otro metal para que aumente en un grado Celsius la temperatura. b)¿Cuál es la definición de caloría? Rta: la definición de caloría dice que es la unidad de energía térmica, su símbolo es cal, y este equivale a la cantidad necesaria de calor para aumentar 1ºC la temperatura de 1g de agua; y esta equivale a 4.184 J c)¿Qué diferencia existe entre calor y temperatura?
Rta: la diferencia es que el calor es la energía generada por la vibración o agitación molecular de una sustancia, mientras tanto la temperatura es la medida de la energía molecular, el calor depende del tamaño, numero, velocidad y tipo de partículas. La temperatura no depende de los factores anteriores.
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d) Considere dos metales A y B, cada uno con una masa de 100g y ambos a una temperatura inicial de 20ºC. El calor específico de A es mayor que el de B. En las mismas condiciones de calentamiento, ¿Cuál metal requiere más tiempo para alcanzar una temperatura de 21ºC?
Rta: El metal A para poder aumentar en un grado Celsius su temperatura, hay que proporcionarle
más energía, debido a que su Cp es mayor. La unidades del Cp son: cal/g°C. El metal B alcanzara en menos tiempo los 21 ºC.
Conclusiones
En conclusión la primera parte de la practica, los resultados obtenidos fueron acorde a lo que se esperaba, se considera que el trabajo realizado fue optimo. En la parte del calor específico de los metales, al parecer se cometieron muchas inconsistencias a la hora de realizar práctica, como ya lo mencionamos anteriormente. Las mediciones fueron muy imprecisas e inexactas. Para mejorar el trabajo en el laboratorio se recomienda seguir paso a paso con la metodología planteada por el profesor. Como podemos observar cualquier pequeño error cometido durante la practica en le laboratorio puede repercutir manifestándose en los resultados.
Referencias bibliográficas
Ripoll, E. (2005). Termoquímica: Calorimetría. Mira. Recuperado de http://recursostic.educacion.es/ Anónimo. (2011). Equipos y Laboratorio de Colombia. Medellín, Colombia. Recuperado de http://www.equiposylaboratorio.com/ Flores, Ramón. (2011). Física y Química Bachillerato. IES Sánchez Lastra. Mieres, Asturias. Recuperado de http://fisicayquimicaenflash.es/ Netto, R. (2007). Física Net. La Gaceta. Recuperado el día 22 de octubre de 2014 de http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/ap10_calorimetria.php
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