UNIVERSIDAD DE LA COSTA CUC DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BASICAS FACULTAD DE INGENIERIA
LABORATORIO DE FÍSICA CALOR Y ONDAS
EQUIVALENTE EN H2O DE UN CALORIMETRO CALOR ESPECÍFICO DE UN SOLIDO
MILTON BOLIVAR HERNANDEZ
GRUPO AD2
UNIVERSIDAD DE LA COSTA 2012
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Contenido LABORATORIO DE FÍSICA CALOR Y ONDAS ......................................................................... 1 Introducción: ...................................................................................................................................... 3 Introduction: ................................................................................................................................... 3 Objetivos: ........................................................................................................................................... 4 General: ......................................................................................................................................... 4 Específicos: ................................................................................................................................... 4 Marco teórico: ................................................................................................................................... 4 Procedimiento y montaje: ................................................................................................................ 6 Cálculos ............................................................................................................................................. 7 Calor especifico del plomo ......................................................................................................... 7 Analisis ............................................................................................................................................... 8 Conclusión: ........................................................................................................................................ 8 Bibliografía: ........................................................................................................................................ 9
UNIVERSIDAD DE LA COSTA CUC DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BASICAS FACULTAD DE INGENIERIA transferencia de calor para llegar al Introducción: equilibrio térmico. Previo a esto, se Uno podrá preguntarse, ¿por qué las define equivalente en agua como la leyes de la termodinámica comienzan a masa de agua cuyo comportamiento contarse desde el cero? La respuesta es térmico es igual al del calorímetro que se muy sencilla aunque no es obvia. La va a usar. termodinámica, como ya se dijo, nació por el aporte de varios investigadores con sus trabajos experimentales y luego se fue creando el modelo teórico para interpretar los resultados de dichas investigaciones (este es el motivo por el cual se dice: “la termodinámica es el triunfo del empirismo”). Al ir creando el modelo teórico, los investigadores se dieron cuenta, hacia 1930, que hacía falta una ley previa a la primera ley. Para no cambiarles el número a las otras, que ya eran ampliamente conocidas, decidieron ponerle el número cero. La ley cero de la termodinámica establece la transitividad del equilibrio térmico siendo su enunciado:”si un cuerpo A, está en equilibrio térmico con uno B y este B lo está con otro C, entonces A y C están en equilibrio térmico”. De manera más sencilla se sabe que si se ponen en contacto dos cuerpos con diferentes temperaturas, pasado un tiempo estos alcanzan la misma temperatura y este momento es conocido como equilibrio térmico, en el que ya no se intercambia más calor. Al igual, al llegar un tercer cuerpo este buscara un equilibrio térmico con la temperatura de los otros dos cuerpos y así sucesivamente. Te preguntaras; ¿por qué se explico esta ley? Pues porque al emplear un calorímetro en la experiencia se busca es comprobar dicha ley. Lo cual se aprecia al mezclar dos cantidades de líquidos a distinta temperatura y generar una
Introduction: You might ask why laws of thermodynamics start counting from zero. The answer is very simple but not obvious. Thermodynamics, as noted, was born by the contribution of several researchers with their experimental work, and then was creating a theoretical model to interpret the results of the investigation (this is the reason why it is said: "Thermodynamics is the triumph of empiricism "). The process of creating the theoretical model, the researchers realized, by 1930, a law was needed before the first law. To not change the number to the others, which were already widely known, decided to put the number zero. The zero law of thermodynamics states the transitivity of thermal equilibrium is phrased: "If a body A is in thermal equilibrium with a B and the B it is with another C, then A and C are in thermal equilibrium." More easily know that putting together two bodies with different temperatures, after some time they reach the same temperature and this moment is known as thermal equilibrium, in which no more heat is exchanged. Like, the arrival of a third body is looking for a thermal equilibrium with the temperature of the other two bodies and so on. You may wonder, why was this law explained?
UNIVERSIDAD DE LA COSTA CUC DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BASICAS FACULTAD DE INGENIERIA Because when using a calorimeter in the 4186 J (kg o K).4 Además se debe search experience we need to check the conocer el calorímetro, como instrumento law. Which is appreciated by mixing two para hallar el calor especifico. Este está quantities of liquids at different compuesto por un vaso (Dewar) o en su temperatures and generate a heat defecto, convenientemente aislado. El transfer to reach thermal equilibrium? vaso se cierra con una tapa hecha de Prior to this, water equivalent is defined material aislante, con dos orificios por los as the mass of water which is equal to que salen un termómetro y el agitador. the thermal behavior of the calorimeter to be used.
Objetivos: General: Determinar la capacidad calorífica de un calorímetro y el equilibrio térmico de un líquido en un sistema adiabático.
Específicos: • Encontrar el equivalente en agua de un calorímetro. • Identificar el calor específico de un sólido.
Ilustración 1.1 calorímetro.
• Analizar la influencia del recipiente en los intercambios caloríficos entre cuerpos contenidos en el calorímetro.
http://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/dep artamentos/basicas/archivos/apuntes/equ ivalenteenaguacalorimetro.pd f
Marco teórico:
Los métodos calorimétricos se fundan en:
La temperatura es la sensación física que nos produce un cuerpo cuando entramos en contacto con él. 3 Ante esta interviene el calor conceptualizado como la transferencia de energía. Construyendo el concepto de calor especifico o capacidad calorífica especifica, c, con respecto a lo anterior, este se define como la cantidad de calor que hay que proporcionar a un gramo de sustancia para que eleve su temperatura en un grado centígrado. En el caso particular del agua c vale 1 cal/ (g o C) o
Principio de conservación de la energía: “Cuando dos cuerpos se ponen en contacto en un sistema aislado del exterior (proceso adiabático), la cantidad de calor que pierde uno es igual a la cantidad de calor que gana el otro”. La Ley cero de la termodinámica nos dice que si tenemos dos cuerpos llamados A y B, con diferente temperatura uno de otro,
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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BASICAS FACULTAD DE INGENIERIA y los ponemos en contacto, en un La unidad de calor especifico en MKS es tiempo determinado t, estos cal/ (g o C) sin embargo, debemos de ir alcanzaran la misma temperatura, acostumbrándonos a usar el Sistema es decir, tendrán ambos la misma Internacional, y expresar el calor temperatura. Si luego un tercer especifico en J/ (kg・K). cuerpo, que llamaremos C se pone en contacto con A y B, también alcanzara la misma temperatura y, por lo tanto, A, B y C tendrán la misma temperatura mientras estén en contacto. Primera ley de la termodinámica: Se refiere al concepto de energía interna, trabajo y calor. Nos dice que si sobre un sistema cerrado adiabático con una determinada energía interna, se realiza un trabajo mediante un proceso, la energía interna del sistema variara. A la diferencia de la energía interna del sistema y a la cantidad de trabajo le denominamos calor. El calor es la energía transferida al sistema por medios no mecánicos. Pensemos que nuestro sistema es un recipiente metálico con agua; podemos elevar la temperatura del agua por fricción con una cuchara o por calentamiento Tabla 1.2 directo en un mechero; en el primer caso, estamos haciendo http://www.fis.puc.cl/jalfaro/fis1522/gif012 un trabajo sobre el sistema y en .gi f el segundo le transmitimos calor. Cabe aclarar que la energía La cantidad de calor recibido o cedido interna de un sistema, e l trabajo por un cuerpo se calcula mediante la y el calor no son más que siguiente formula diferentes manifestaciones de Q=m·c·(Tf-Ti) energía. Es por eso que la energía no se crea ni se destruye, sino que, durante un proceso solamente se transforma en sus diversas manifestaciones.
Donde m es la masa, c es el calor especifico, Ti es la temperatura inicial y Tf la temperatura final.
UNIVERSIDAD DE LA COSTA CUC DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BASICAS FACULTAD DE INGENIERIA Si Ti>Tf el cuerpo cede calor Q<0 Si Ti0 En esta fórmula tenemos una cantidad Supongamos que el calorímetro esta a la desconocida k, que debemos determinar temperatura inicial T0, y sea experimentalmente.
mv es la masa del vaso del calorimetro y ctv. su calor especifico. mt la masa de la parte sumergida del termómetro y ct su calor especifico ma la masa de la parte sumergida del agitador y ca su calor especifico M la masa de agua que contiene el vaso, su calor especifico es la unidad
Por otra parte: Sean m y c las masa y el calor específico del cuerpo problema a la temperatura inicial T. En el equilibrio a la temperatura Te se tendrá la siguiente relación. (M+mv·cv+mt·ct+ma·ca)(Te-T0)+m·c(TeT)=0 La capacidad calorífica del calorimetro es: k=mv·cv+mt·ct+ma·ca Se le denomina equivalente en agua del calorimetro, y se expresa en gramos de agua. Por tanto, representa la cantidad de agua que tiene la misma capacidad calorífica que el vaso del calorimetro, parte sumergida del agitador y del termómetro y es una constante para cada calorimetro. El calor especifico desconocido del será por tanto
Procedimiento y montaje:
Ilustración 2.1
Materiales: • • • • • • • • •
Calorimetro Termómetro Probeta graduada Becker Agitador Balanza Agua Mechero Bunsen Material solido (puede ser un metal)
Determinación del equivalente en agua del calorimetro: 1. Se toma una masa m1 en una probeta y se pasa al Becker para pesarla en la balanza. 2. Se vierte en el calorimetro la masa m1 de agua, se deja estabilizar y luego se mide la temperatura t1.
UNIVERSIDAD DE LA COSTA CUC DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BASICAS FACULTAD DE INGENIERIA 3. Se toma una masa m2 en una probeta pone la pieza en agua casi hirviendo a la y se pasa al Becker para pesarla en la temperatura T. balanza. 6. Se toman M gramos de agua y se 4. Se calienta en el Becker masa m2 con pesan en la balanza el mechero bunsen y se le mide su 7. Se ponen los M gramos de agua en el temperatura t2. A continuación se vierte calorimetro, se agita y después de poco rápidamente esta masa de agua caliente de tiempo, se mide su temperatura T0. en el calorimetro, tapando este inmediatamente. 8. Se deposita rápidamente la pieza 5. (Mkg)(Te-T0)+m(Te-T)=0
Ilustración 2.2
solida en el calorimetro. Se agita, y después de un cierto tiempo se alcanza la temperatura de equilibrio Te. Se apuntan los datos y se despeja c de la formula que hemos deducido en el primer apartado:
Cálculos
Ejemplo:
Sea M=150 g, T0=18oC Sea m=70 g, y T=80oC La temperatura de equilibrio es Te=34oC
El equivalente en agua del calorimetro será
Determinación del calor especifico del solido:
Peso del Becker= 193,5 gr Material = Plomo (Pb) Masa del plomo = 85,2 gr Temperatura ambiente (70 gr H2O) = 22°C Temperatura máxima (35 gr gr H2O) = 78°C Temperatura de equilibrio (70 gr + 35 gr gr H2O)= 38°C ( (
5. Se pesa con una balanza una pieza de material solido de calor específico c desconocido, resultando m su masa. Se
) )
Calor especifico del plomo
Agua: M=170 g, T0=24ºC
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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BASICAS FACULTAD DE INGENIERIA aluminio, m=85,2 g, Conclusión:
Sólido: y T=78ºC La temperatura final de equilibrio es Te=24ºC
(
)(
)
( (
) )(
(
) )
Analisis Al principio se midió una temperatura del agua en el calorímetro, pero luego medimos la temperatura del solido sumergido en agua en el generador de vapor, al hacerlo el termómetro se calentó, luego al meterlo nuevamente en el agua del calorímetro transfirió un poco de calor a este, cuando llegan al equilibrio térmico, esa es la temperatura tomada como inicial para el agua allí contenida, la temperatura inicial del sólido fue la registrada al introducir el termómetro en el generador de vapor. En este parte notamos que los valores experimentales obtenidos de capacidad calorífica son muy distintos en cada material, podemos observar que aquellos materiales con mayor capacidad calorífica son capaces de transferirle mayor calor al agua, aumentando en un mayor grado su temperatura, en otras palabras son mejores conductores térmicos.
En estas experiencias se logro encontrar el equivalente en agua de un calorimetro el cual corresponde a la cantidad de agua absorbida o desprendida de las paredes del calorímetro por el mismo calor. Esta cantidad fue igual a 17,5 g. Con base a ella es que se logra obtener el valor experimental del calor específico del plomo de una forma más precisa, sumándosele en la fórmula del calor especifico a la masa del agua insertada en el calorimetro gracias al equilibrio térmico del agua en un sistema adiabático. Pasando así a determinar la capacidad calorífica de un calorimetro e identificando el calor especifico del plomo un sólido. In these experiments seem to get the water equivalent of a calorimeter, which corresponds to the amount of water absorbed or released from the walls of the calorimeter by the same heat. This amount was equal to 17.5 g. Based is that it is obtained with the experimental value of the specific heat of lead in a more accurate, and added in the formula of the specific heat to the mass of water in the calorimeter inserted through the thermal balance of the water in an adiabatic system. Passing thus determine the heat capacity of a calorimeter and identifying the specific heat of a solid lead.
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Bibliografía: 1. http :/ / www . fisica - faci l . com / Temario / Termodinamica / Teorico / Principios -01 / Termo 1 . htm , introduccion. 2. http :/ / bibliotecadigita l . ilce . edu . mx / sites / ciencia / volumen 1 / ciencia 2/13 / htm / sec 5. htm l, introduccion. 3. http :/ / www . sc . ehu . es / sbweb / fisica / estadistica / otros / calorimetro / calorimetro . htm 4. http :/ / www . mitecnologico . com / Main / CapacidadCalorificaYCalorEspecifico , calor especifico. 5. http :/ / www . ua l . es /~ mnavarro / Practica 16 . pd f, calorimetria, procedimiento. 6. http :/ / www . mitecnologico . com / Main / LeyCeroTermodinamica , ley cero 7. http :/ / www . monografias . com / trabajos / termoyentropia / termoyentropia . shtm l, concepto primera ley de la termodinamica 8 h ttp :/ / www . frro . utn . edu . ar / repositorio / departamentos / basicas / archivos / apuntes / equivalente en agua calorimetro . pd f, procedimiento. Consultado: 15-02-2011 9. SERWAY. Fisica I texto basado en calculo. Tercera edicion. P548-550; 582-587
