Informe de Laboratorio CALOR ESPECÍFICO DE SOLIDOS

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS

CALOR ESPECIFICO DE SOLIDOS

CURSO

:

Fisica I (CB 302 U )

PROFESOR :

San Bartolome Montero Jaime

INTEGRANTES

:

Baldera Alvarado Jhair Enrique 20120112e Lino Yupanqui Luis Hernan 20122046j Lopez Zamudio Lizeth Kendy 20124050d Gamarra Padilla Justo Isaac 20124060j

FECHA DE ENTREGA :

01-07-2013

Informe de Laboratorio Nº5

Facultad de ingeniería industrial y de sistemas CALOR ESPECÍFICO DE SÓLIDOS 1.- OBJETIVOS 

Determinar el calor específico de muestras muestras sólidas. sólidas.



Determinar la capacidad calorífica del calorímetro en forma experimental.

2.- FUNDAMENTO TEÓRICO

La Termodinámica es el campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de sistemas macroscópicos (conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable) de materia y energía. El estado de un sistema macroscópico en equilibrio puede describirse mediante variables termodinámicas, propiedades medibles como la temperatura, la presión o el volumen.

Es posible identificar y relacionar entre sí muchas otras variables (como la densidad, el calor específico, la compresibilidad o el coeficiente de expansión térmica), con lo que se obtiene una descripción más completa de un sistema y de su relación con el entorno. Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinámico.

La Termoquímica es parte de la termodinámica química que trata exclusivamente de la energía calorífica que acompaña a un proceso

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Facultad de ingeniería industrial y de sistemas químico es decir estudia las leyes y fenómenos térmicos en las combinaciones químicas.

CALORÍA Q = ce. m. (T f - Ti)

Es la cantidad de calor que debe entregarse o quitarse a un gramo de agua para variarle su temperatura en un grado Celsius. Matemáticamente podemos definirlo así. Donde: Q

: calor

m

: masa de la sustancia

ce

: calor específico de la sustancia

Tf

: Temperatura final

Ti

: temperatura inicial

CAPACIDAD CALORÍFICA DE UNA SUSTANCIA C c

Q 

T

f



T i 

Es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de cualquier sustancia en 1ºC ó 1K (J/K) Matemáticamente para nuestro interés define así: Cc

: capacidad calorífica.

Q

: calor

Tf

: Temperatura final

Ti

: temperatura inicial

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Facultad de ingeniería industrial y de sistemas CALORÍMETRO

Es un recipiente que se usa para calcular calores específicos. Éste recipiente está aislado convenientemente para evitar pérdida de calor.

•

Primera ley de la termodinámica: Ley de la conservación de la

energía:

│Q ganado ganado │ = │Q perdido│ perdido│ Equivalente a:

Q ganado + Q perdido = 0

Donde: Q ganado es (+) Q perdido es (-) En general se da para más de una sustancia que pierden y ganan calor.

CALOR Se designa con el nombre de calor (Q) a la energía en tránsito que fluye desde una parte de un sistema a otra o de un sistema a otro, en virtud únicamente de una diferencia de temperatura. Por convención se considera que Q es positivo cuando es absorbido por el sistema y negativo en caso contrario. El calor Q no es función de las variables termodinámicas sino que depende de la trayectoria. Es decir que el calor intercambiado en un proceso infinitesimal es un diferencial inexacto. Cuando un sistema absorbe (o cede) una determinada cantidad de calor puede ocurrir que: a) Experimente un un cambio en su temperatura. b) Experimente un cambio de fase a temperatura temperatura constante. constante.

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Facultad de ingeniería industrial y de sistemas



Caso en que el intercambio de calor ocasiona cambio de temperatura

Si durante la absorción de Q unidades de calor, un sistema experimenta un cambio de temperatura de ti a tf , se define como capaci capacida dad d calorí calorífi fica ca media del sistema a la razón :

Si tanto Q como tf - ti se hacen cada vez menores, esta razón tiende hacia la capacidad calorífica instantánea o, simplemente, capacidad calorífica:

Se denomina capacidad calorífica específica o calor específico de un sistema a su capacidad calorífica por unidad de masa o mol y se la designa con c, de modo que C = m c. El calor específico de una sustancia puede ser negativo, positivo, nulo o infinito, dependiendo del proceso que experimente el sistema durante la transferencia de calor. Sólo tiene un valor definido para un proceso determinado. Por lo tanto, la capacidad calorífica de un sistema depende tanto de la naturaleza del sistema, como del proceso particular que el sistema experimenta. La capacidad calorífica en un proceso durante el cual el sistema se somete a una presión hidrostática externa constante, se denomina capacidad calorífica a presión constante y se representa por Cp. El valor de Cp para un sistema determinado depende de la presión y de la temperatura. Si el sistema se mantiene a volumen constante mientras se

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Facultad de ingeniería industrial y de sistemas le suministra calor, la capacidad calorífica correspondiente se denomina capacidad calorífica a volumen constante y se representa por Cv. Debido a las grandes tensiones que se producen cuando se calienta un sólido o un líquido al que se le impide su expansión, las determinaciones experimentales de Cv en sólidos y líquidos son difíciles y por ello se mide generalmente la magnitud Cp. La cantidad total que fluye f luye en un sistema en cualquier proceso viene dado por:

Dentro de un intervalo de temperaturas en el cual C puede considerarse constante:

Cuanto mayor es la capacidad calorífica del sistema, menor es la variación de temperatura para un flujo determinado y, en realidad, haciendo la capacidad calorífica lo suficientemente grande, la variación de temperatura puede hacerse tan pequeña como se desee. Un sistema cuya capacidad calorífica es muy grande se denomina fuente térmi ca y se caracteriza por el hecho de que se le puede entregar o quitar cualquier cantidad de calor sin que se produzca en él una variación de temperatura apreciable. Una forma de obtener una fuente térmica es tomar una gran masa de sustancia (por ejemplo, el mar o un río pueden considerarse como tal).



Caso en que el intercambio de calor ocasiona un cambio de fase sin cambio de temperatura

Se han considerado anteriormente los cambios de fase correspondientes a sustancias puras; pero no se ha hecho hasta el momento, ninguna referencia al trabajo o calor que acompañan a dichos procesos.

-7-


Facultad de ingeniería industrial y de sistemas Considérese un tramo de la curva pV de un proceso isotérmico en la región sólido-líquido, en la líquido-vapor o en la sólido-vapor. Si se entrega calor al sistema, esta energía se utilizará en el cambio de fase, sin que el sistema experimente un cambio de temperatura. La razón entre el calor absorbido Q y la masa m del sistema que experimenta el cambio de fase se denomina calor latente de transformación l. Es decir que:

CALOR ESPECÍFICO El calor específico o más formalmente la capacidad calorífica específica de una sustancia es una magnitud física que indica la capacidad de un material para almacenar energía interna en forma de calor. Matemáticamente calor. Matemáticamente el calor específico es la razón entre la capacidad calorífica de un objeto y su masa. su masa. El calor específico se define de la siguiente forma:

Donde

es el calor que se entra o sale de la sustancia,

(se usa una n cuando la medición es molar) es molar),, sustancia, y

es la masa

es el calor específico de la

es el incremento de temperatura.

3.- EQUIPOS Y MATERIALES 

Un calorímetro de mezclas: El calorímetro es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor 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.

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 Un

termómetro.



Un mechero a gas.



Una olla para calentar calentar agua.

 Un

soporte universal.

-9-


Facultad de ingeniería industrial y de sistemas 

Un matraz de 200 ó 250 ml./ una probeta probeta

 Una



balanza.

3 piezas de materias sólido. sólido. Aluminio

Plomo

 Agua.

- 10 -

Hierro





4.-PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Determinar la capacidad calorífica calorífica (o equivalente equivalente en agua) agua) del calorímetro

-

Coloque dentro del calorímetro una cantidad de agua a temperatura menor que la temperatura del ambiente

-

Deje que se establezca el equilibrio y mida la temperatura en este instante (T 1)

-

Caliente el agua en la olla a una una temperatura (T2) y coloque una cantidad de esta agua en el calorímetro

-

Mida nuevamente la temperatura de equilibrio T

2. Calor específico de los sólidos

-

Coloque una una cantidad cantidad de agua en el calorímetro y deje que se se establezca el equilibrio. Mida la temperatura (T 1)

-

Sumergiendo en agua caliente, eleve la temperatura temperatura del sólido hasta una temperatura T 2

-

Sumerja el cuerpo a temperatura T2 dentro del agua a temperatura T1 y mida la temperatura de equilibrio T

5.- DATOS EXPERIMENTALES

- 11 -


Facultad de ingeniería industrial y de sistemas . A) Para la determinación de la capacidad capacidad calorífica del calorímetro Masa del calorímetro (Kg) Masa de agua (Kg) Temperatura de Equilibrio (Ta) ºK Masa de agua temperatura Tb Temperatura de equilibrio T Capacidad calorífica del calorímetro

0,446 Kg 0,160 Kg 293 K 0,160 Kg 320 K 35.5 cal

B) Para el cálculo de los calores específicos específicos de los sólidos.

Solido de metal Masa del sólido Masa del calorímetro Masa del calorímetro con agua Masa de agua Calor especifico del calorímetro (J/Kg°K) Temperatura inicial del solido (°K) Temperatura inicial del agua (°K) Temperatura inicial del calorímetro (°K)

hierro 0.1184Kg 0.446Kg 0.606Kg 0.160Kg 35.5 338 293 293

Plomo 0.0921Kg 0.446Kg 0.606Kg 0.160Kg 35.5 327 293 293

6.- ANÁLISIS DE DATOS A) Para el cálculo de los calores específicos específicos de los sólidos.

 Para el Hierro: Cambio de temperatura del agua

7°K

Cambio de temperatura del calorímetro 7°K Calor ganado por el agua

1.120Kcal

Calor ganado por el calorímetro

0.2485Kcal

Total de calor ganado

1.3685 Kcal

Calor perdido por el sólido

1.3685 Kcal

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alumino 0.0195Kg 0.446Kg 0.606Kg 0.160Kg 35.5 325 293 293


Facultad de ingeniería industrial y de sistemas Cambio de temperatura del solido

-38°K

Con los datos obtenidos, y aplicando la siguiente ecuación: Cc. (Tm-Taf ) + Vaf .(T .(Tm-Taf ) Ce =

maluminio(T2-Tm) El calor específico del hierro es:

Ce



0.098 Kcal/Kg°k

El error experimental es:

error

(valor real 



valor

exp exp er .)

valor real

*100%

( 0.1075 0.098 ) *100 



0.1075

 Para el Plomo: Cambio de temperatura del agua

4°K

Cambio de temperatura del calorímetro

4°K

Calor ganado por el agua

0.640Kcal


0.142Kcal


0.782 Kcal


0.782Kcal

Cambio de temperatura del solido

-26K

- 13 -



8%





Con los datos obtenidos, obtenidos, y aplicando la siguiente ecuación:

Cc. (Tm-Taf ) + Vaf .(T .(Tm-Taf ) Ce =

maluminio(T2-Tm)



El calor específico del Plomo es:

Ce



0.051kcal/kg°k


error

(valor real 



valor

exp exp er .)

valor real

*100%

( 0.024 0.051 ) *100 



0.024

 Para el Aluminio:

Cambio de temperatura del agua

2°K

Cambio de temperatura del calorímetro

2°K

Calor ganado por el agua

0.320Kcal


0.071Kcal


0.391 Kcal


0.391 Kcal

Cambio de temperatura del solido

-28°K

- 14 -



32%



Con los datos obtenidos, obtenidos, y aplicando la siguiente ecuación: ecuación:



Cc. (Tm-Taf ) + Vaf .(T .(Tm-Taf ) Ce =

maluminio(T2-Tm) El calor específico del aluminio es:



Ce

0.188Kcal/Kg °k




error

(valor real 



valor

exp exp er .)

valor real

*100%

( 0.214 0.188 ) *100 



0.214



12.14%

7. RECOMENDACIONES

-

Se debe debe usar usar una rejilla de asbesto al momento momento de calentar el agua agua para que el calor se distribuya uniformemente por toda la olla y no calculemos una temperatura caliente de los sólidos errónea.

-

Procurar que la llama del mechero mechero no sea muy fuerte; además debe mantenerse uniforme.

-

Para medir la temperatura, previamente hay que agitar bien el agua que contiene el recipiente.

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Facultad de ingeniería industrial y de sistemas -

El calorímetro debe estar calorifugado calorifugado (debe ser lo más

“adiabático” posible).

-

Para determinar la capacidad calorífica del calorímetro hay que medir primera el volumen de agua antes de calentarla y no al revés.

7.- CONCLUSIONES -

El incremento incremento de temperatura de los cuerpos cuando se calientan es aproximadamente proporcional a la energía suministrada.

-

Es demostrado demostrado que masas iguales de distinta distinta naturaleza y a igual temperatura, almacenan distinta cantidad de calor; para cuantificar este fenómeno hay que hacer uso del concepto de calor específico.

-

La temperatura final que se halla teóricamente varia varia un poco respecto a la que se obtiene por medio del sensor de temperatura (termómetro), pues en ocasiones la temperatura medida, varía un poco.

-

Demostramos que cuando se pone en contacto dos cuerpos a

distinta temperatura, se producirá una “pérdida de calor” del cuerpo a mayor temperatura (o más caliente) y una “ganancia de calor” del cuerpo a menor temperatura (o más frío); esto es lo que dice el principio de conservación de la energía. Si los dos cuerpos tienen la misma temperatura, no habrá pérdida ni ganancia de calor.

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BIBLIOGRAFÍA



SERWAY, BEICHNER." FÍSICA BEICHNER." FÍSICA PARA CIENCIAS PARA CIENCIAS E INGENIERÍA." INGENIERÍA."

-

Tomo II. Ed. Mc-Graw Hill, 5ta. Edición www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/termo/Termo.html

-

www.es.encarta.msn.com/encyclopedia_

-

761560839/Calorimetría.html www.uned.es/094258/contenido/

-

tecnicas/calorimetria/calorimetria.htm -

www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/ estadistica/otros/latente/laten estadistica/otros/latente/latente.htm te.htm

www.fis.puc.d/-jalfaro/fis1522/OndsyCalor/termo1/termo1/html

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Informe de Laboratorio CALOR ESPECÍFICO DE SOLIDOS

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