I.E.S.T.P. “Manuel Seoane Corrales”
Química Industrial I U.D. Ensayos Físicos y Organolépticos Informe N° 08: “Determinación de la Capacidad Calorífica de un Calorímetro y Calores Específicos de Líquidos”
E
l calor es una forma de energía. La temperatura de un sistema es una propiedad del mismo que determina si quedará 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.
E
sta práctica trata de la calorimetría, por eso debemos saber que es. Una definición sencilla dice que la calorimetría se encarga de medir el calor en una reacción química o un cambio físico usando un calorímetro.
Los Objetivos de esta práctica son: Determinar
la
Capacidad
Calorífica
del
calorímetro
usado. Determinar el Calor Específico de un líquido (Etanol).
1.1. 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. 1.2. 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. En nuestra práctica usaremos un calorímetro como muestra el grafico siguiente:
1.3. Cantidad de calor: Al mezclar dos cantidades de líquidos a distinta temperatura se genera una transferencia de energía en forma de calor desde el más caliente al más frio. Dicho tránsito de energía se mantiene hasta que se igualan las temperaturas, es decir hasta que haya alcanzado el equilibrio térmico. La cantidad de calor (Q) que se transfiere desde el líquido caliente, o la que absorbe el líquido frio, responde a la expresión: Q = mCe∆T
Dónde: m Ce ∆T
: masa del liquido : calor especifico del líquido : variación de temperatura
1.4. Capacidad calorífica del calorímetro 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). Sus unidades son J/°C. Las transferencias de calor se miden en un calorímetro a través de variaciones de temperatura. Previo a toda experiencia es necesario calibrarlo, esto es determinar su capacidad calorífica. Para realizar el calibrado, se
mezclan cierta cantidad de agua fría con agua caliente y se mide la temperatura de equilibrio. Durante este proceso una parte de la energía cedida por el agua caliente es absorbida por el recipiente interior metálico del calorímetro que eleva su temperatura desde T 2 a Tє. Este proceso, en términos matemáticos se puede expresar de la siguiente manera:
Calor que gana el fluido frio + calor que gana el vaso del calorímetro = calor que pierde el fluido caliente Es decir: m2 Ce (Tє – T2) + Ck (Tє – T2)= – m1 Ce (Tє – T1)
… (1)
Esta ecuación también se puede expresar así: m1 Ce (Tє – T1) + Ck (Tє – T2) + m2 Ce (Tє – T2) = 0
… (2)
Lo cual significa que, como en el calorímetro no producen perdidas de energía hacia el exterior, variación de energía del conjunto formado por calorímetro y las cantidades de agua es nula.
se la el
Dónde:
Ck: Capacidad calorífica del calorímetro, esto es, cuanto calor absorbe por grado de aumento en la temperatura. T1: es la temperatura del agua caliente T2: es la temperatura del agua en el vaso del calorímetro Tє: es la temperatura de equilibrio. Ce: se ha tomado el calor específico del agua del agua como 1, es decir Ce = 1 cal/gr. °C De la ecuación (1) despejando C k (para hallar la Capacidad calorífica del calorímetro), tenemos: Ck = – m1 Ce (Tє – T1)- m2 Ce (Tє – T2) (Tє – T2)
… (3)
1.5. Determinación del Calor Específico El calor específico (Ce) de una sustancia es la cantidad de calor que se requiere para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de la sustancia. Sus unidades son J/gr.°C. De la ecuación (1) despejando C e (para específico del Etanol), tenemos:
hallar
el
calor
Ce =
- Ck (Tє – T2) m1 (Tє – T1)+ m2 (Tє – T2)
02 Vasos precipitados (250 ml) Bagueta Calorímetro Cocinilla eléctrica Pisceta Termómetro
… (4)
Agua caliente (40°C) Agua fría (a temperatura ambiente) Etanol
La figura ilustra el montaje que debe disponerse para realizar esta práctica.
1er PASO: Calibración del Calorímetro: calibrar el calorímetro significa determinar su capacidad calorífica (Ck.
Pesar 150 gr de agua destilada en un vaso precipitado de 250 ml (m2), luego añadirlo al calorímetro, taparlo y con el termómetro insertado, des pues de cierto tiempo prudente (4 min) medir la temperatura
(°T2)
que
será
la
temperatura
del
vaso
del
calorímetro.
Por otra parte, pesar 200 gr de agua destilada en un vaso precipitado de 250 ml (m 1). Se calienta esta agua hasta alcanzar
unos 40 °C (°T1), y a continuación se vierte en el calorímetro, procurando anotar su temperatura justo antes de introducirse en el mismo.
Una vez que ambas porciones de agua se encuentren en el calorímetro, se agita literalmente y se lee la temperatura de equilibrio (
) al cabo de un minuto (o el tiempo requerido para
є
que la lectura del termómetro se mantenga estable).
Se propone realizar dos experiencias semejantes utilizando en cada una de ellas diferentes cantidades de agua caliente y frí a
Efectuando los cálculos que se derivan de la ecuación (1), se determina el valor de la capacidad calorífica Ck. La capacidad calorífica del calorímetro se asigna al valor medio de los dos valores encontrados.
Expresar los resultados en calorías y en unidades del sistema internacional, sabiendo que 1cal = 4,185 J. 2do PASO: Determinación del Calor Específico del Etanol:
Se procede de la misma manera que para la determinación de la capacidad calorífica del calorímetro, pero teniendo en cuenta que en este caso lo que hay que determinar es el calor específico (Ce) del etanol a partir de la ecuación (1) con el dato de la capacidad calorífica (Ck) del calorímetro.
Se propone realizar dos experiencias semejantes utilizando en cada una de ellas diferentes cantidades de etanol.
Efectuando los cálculos que se derivan de la ecuación (1), se determina el valor del calor específico Ce de cada ensayo.
Promediar los dos valores para hallar el calor específico del etanol.
Los datos de ambas experiencias se trasladan a la tabla siguiente:
є
La capacidad calorífica del calorímetro se calcula mediante la ecuación (3). Ck = – m1 Ce (Tє – T1)- m2 Ce (Tє – T2) (Tє – T2) Reemplazando datos:
Primer ensayo - 200 gr
Ck =
1cal gr.°C
(30°C-40°C) – 150 gr
1cal gr.°C
(30°C-20°C)
1cal gr.°C
(33°C-20°C)
= 50 cal/°C
(30°C-20°C)
Segundo ensayo - 250 gr
Ck =
1cal gr.°C
(33°C-40°C) – 100 gr
(33°C-20°C)
Promedio de capacidad calorífica:
Ck =
50 cal/°C + 34.6 cal/°C
= 42.3 cal/°C
= 34.6 cal/°C
2 Expresando en Unidades del sistema internacional: 42.3 cal °C
x
4,185 J 1 cal
= 177.0255 J/°C
el calor específico del etanol se calcula mediante la ecuación (4). Ce =
- Ck (Tє – T2) m1 (Tє – T1)+ m2 (Tє – T2)
Reemplazando datos:
Primer ensayo -42.3 cal
Ce =
(31°C-20°C)
°C
= 0.846 cal/gr.°C
200 gr. (31°C-40°C)+ 150 gr (31°C-20°C)
Segundo ensayo -42.3 cal
Ce =
(32°C-20°C)
°C
= 0.6345 cal/gr.°C
250 gr. (32°C-40°C)+ 100 gr (32°C-20°C)
Promedio de calor especifico del Etanol:
Ce =
0.846 cal/gr.°C + 0.6345 cal/gr.°C
= 0.74025 cal/gr.°C
2
Expresando en Unidades del sistema internacional: 0.74025
cal gr.°C
x 4,185 J = 3.098 J/gr.°C 1 cal
La ecuación calorimétrica sirve para determinar cantidades de calor si se conoce la masa del cuerpo, su calor específico y la diferencia de temperatura, pero además permite definir la caloría como unidad de calor. Aun cuando no sea posible determinar el contenido total de energía calorífica de un cuerpo, puede medirse la cantidad que se toma o se cede al ponerlo en contacto con otro a diferente temperatura. Esta cantidad de energía en tránsito de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura es precisamente lo que se entiende en física por calor. Una caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado centígrado (1 °C) la temperatura de un gramo de agua. Esta definición, que tiene su origen en la época en
la que la teoría del calórico estaba en plena vigencia, se puede hacer más precisa si se considera el hecho de que el calor específico del agua varía con la temperatura Si por convenio se toma el agua líquida como sustancia de referencia asignando a su calor específico un valor unidad, la caloría resulta de hacer uno el resto de las variables que intervienen en dicha ecuación.
Secar adecuadamente los materiales al momento de realizar el experimento. Manipularlos de la manera más eficaz posible. Tratar que los valores a medir sean los más precisos, ya que, si no es así llevará a cometer errores muy altos.
Para la creación de este trabajo se tuvo como base la teoría encontrada en los siguientes libros y sitios web: Química – 10ma edición Raymond Chang Química General Moderna Joseph A. Babor / José Ibarz Aznarez México D. F. / Editora Nacional “Edinal”
Química Humberto Mayor Mandujano Lima-Perú/Editorial Escuela Nueva Química, Curso teórico practico Alfonso Añaños S. C. Lima-Perú/Editorial Colegio Militar Leoncio Prado www.wikipedia.com (Enciclopedia Libre) Enciclopedia Microsoft Encarta 2009
