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CALOR ESPECÍFICO 1. OBJETIVO:
Determinar la capacidad calorífica de un calorímetro Determinar el calor específico de un cuerpo solido. Utilizando el método de mezclas
2. EQUIPOS Y MATERIALES: MATERIALES:
Un (01) calorímetro con sus accesorios Una (01) cocina eléctrica Tres (03) (03) Cuerpos sólidos (de bronce, cobre y aluminio) Un (01) termómetro Un (01) recipiente con agua Una (01) extensión eléctrica
3. FUNDAMENTO TEORICO: La medición de las cantidades de calor intercambiadas, proceso que se conoce como calorimetría, se introdujo en la década de 1970.los químicos de ese tiempo encontraron que cuando un objeto caliente , por ejemplo, un bloque de latón era sumergido en agua el camb cambio io resu result ltan ante te en la temp temper erat atur uraa del del agua agua depe depend ndía ía de amba ambass masa masass y de la temperatura inicial del bloque .Observaciones ulteriores demostraron que cuando dos bloques bloques similares a la misma temperatura temperatura inicial eran sumergidos sumergidos en baños de agua idén idéntic ticos, os, el bloq bloque ue de masa masa mayo mayorr causab causabaa un camb cambio io mayo mayorr en la tempe temperat ratur uraa ;asimismo para dos bloques idénticos a temperatura diferentes, el bloque mas caliente originaba un cambio mayor en la temperatura del agua .Por ultimo, para bloques de la mism mismaa masa masa y tempe temperat ratur uraa inicia inicial, l, pero pero de comp compos osici ición ón difer diferen ente te,, en camb cambio io de temperatura era diferente para materiales diferentes. Podemo Podemoss sintetiz sintetizar ar estas estas observ observacio aciones nes describ describiend iendo o los objeti objetivos vos en término términoss de su capacidad calorífica , que es la cantidad de calor requerida de una misma sustancia para cambiar la temperatura de un objeto en 1ºC. Las cantidades de calor cedida o absorbida por masas de una misma sustancia son directamente proporcionales a la variación de la temperatura:
(1) También el calor cedido o absorbido por masas distintas de una misma sustancia, son directamente proporcionales a estas:
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(2) Entonces el calor específico (c) de un sistema se define como:
(3) Donde dQ es la cantidad de calor intercambiada entre el sistema y el medio que lo rodea; dT viene a representar la variación de temperatura experimentada por el sistema de masas. La capacidad calorífica o simplemente calor especifico , como suele llamarse,
es el calor requerido por un material para elevar un grado de temperatura de una unidad de masa. Un material con calor específico elevado, como el agua, requiere mucho calor para cambiar su temperatura, mientras que un material con un calor especifico bajo, como la plata, requiere poco calor específico para cambiar su temperatura. La cantidad de calor Q necesaria para calentar un objeto de masa “m” elevando su temperatura ΔT, esta dada por:
Q = mcΔT
(4)
Donde “c” es el calor especifico del material a partir del cual se ah fabricado el objeto. Si este se enfría, entonces el cambio en la temperatura es negativo, y el calor Q se desprende del objeto. Las unidades del calor específico son:
cal/g*ºC, J/Kg.*ºC o BTU /lb*ºF. La cantidad de calor transferida o absorbida por el sistema depende de las condiciones en que se ejecuta el proceso. El calor latente de cambio de estado de una sustancia, es la cantidad de calor que hay que suministrar a su unidad de masa para que cambie de un estado de agregación a otro, lo que hace a temperatura constante. Así el calor latente de fusión es el correspondiente al cambio de estado sólido a líquido, que tiene el mismo valor que en el proceso inverso de líquido a sólido. Una de las formas de determinar el calor latente de cambio de estado es por el método de las mezclas. Consiste en mezclar dos sustancias(o una misma en dos estados de agregación distintos) a diferentes temperaturas y presión constante, de manera que una de ellas ceda calor a la otra y la temperatura del equilibrio final es tal que una de ellas al alcanzarla, realiza un cambio de estado. Es una condición importante es que no haya
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perdidas caloríficas con el medio exterior. Esto lo conseguimos ubicando la mezcla en el calorímetro, que hace prácticamente despreciable esta pérdida calorífica hacia el exterior. Obviamente se ah de tener en cuenta la cantidad de calor absorbida por el calorímetro. Supongamos que la mezcla esta constituida por una masa ma, a temperatura Ta y otra m* de otro cuerpo a temperatura T* que supondremos mayor que T a y llamaremos ca al calor especifico del agua y c* al calor especifico del otro cuerpo. La mezcla adquirirá una temperatura de equilibrio Tx, para lo cual la masa ma a absorbido (ganado) calor y la masa m* a cedido (perdido) calor; ósea:
Q cedido = Q absorbido m*c*(T*-Tx) = maca(Tx-Ta) + mccc (Tx-Tc)
(5)
(6)
Donde:
Tc = Tx; Tc es la temperatura del calorímetro. mc = masa del calorímetro. De donde podemos observar que si uno de los calores específicos es conocido además del calorimetro, entonces, el otro queda automáticamente determinado. Este es el fundamento del metodo de mezclas que conduce a la determinación del calor específico medido de un intervalo de temperatura de un rango amplio. De la ecucacion anterior podemos obtener el calor específico de un calorimetro cuyo valor no se conoce, a partir de otras muestras o sustancias conocidas:
Cc = m*c*(T*-Tx) - maca (Tx-Ta) mc(Tx-Tc)
El calorímetro es un recipiente construido de tal forma que impide la conducción de calor a su traves. En la mayoría de los casos suele tener dobles paredes entre las que se ah hecho el vacío o lleva un material aislante térmico, que impide o minimiza la conducción de calor y por ello conserva muy bien la temperatura de los cuerpos que se encuentran dentro. En su tapadera llevan dos orificios, uno para introducir el termómetro y el otro para el agitador, fue diseñado para el estudio de las mediciones en intercambio de calor.
4. EQUIPOS Y MATERIALES: 3
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- Calorímetro:
- Cocina eléctrica:
- Cuerpos sólidos: Aluminio
Plomo
Cobre Termómetro
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- Recipiente de agua
5. PROCEDIMIENTO: a) Determinar el calor especifico de calorimetro: 1. Mida la masa del calorímetro.(mc)
2. Verter agua fría en el calorímetro a unos ¾ de su volumen. Determinar las masa del agua fria (maf ) utilizada, por diferencia de masas en la balanza
3. Coloque el termometro en el agua del calorimetro, espere unos segundos que la lectura del termometro sea constante y mida la temperatura de ambos (T af ).
4. Verter agua (de masa conocida) en el recipiente de la cocina electrica. Encender la cocina y calentar la masa de agua conocida (mac),cuando Este a una temperatura de 450C u otra indicada por el profesor mida la Temperatura del agua caliente(Ti-ac)
5. Vierta el agua caliente en el calorimetro que contiene el agua fria y mida la temperatura de equilibrio (Tequi), para ello, agite el agua y espere unos segundos a que la lectura del termometro sea constante.
6.
Use la ecuación (7) para determinar el calor especifico del calorímetro
7.
Registre todos sus datos en la tabla N0 1
Observación: el calorímetro nunca se pondrá en la cocina: Tabla Nº1: medida experimental y tratamientos de datos para el calorímetro
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ESTADO INICIAL
ELEMENTO
MASA (g)
TEMPERATURA (ºC)
CALORIMETRO
155g
25ºC
AGUA FRIA
179,5g
25ºC
AGUA CALEINTE
92,07g
90ºC
ESTADO FINAL TEMPERATURA DE EQUILIBRIO TERMICO CALOR ESPECIFICO DEL CALORIMETRO
b)
44ºC 44ºC
Determinar el calor especifico de los sólidos:
8. Repita los pasos del 1 al 3.
9. Verter agua en el recipiente de la cocina electrica e introducir muestras sólidas de masa conocida (ms) a usar (bronce, cobre y aluminio) Encender la cocina y calentar el agua hasta la temperatura de ebullición (1000C) registre la temperatura del agua caliente que será la misma temperatura inicial para las muestras solidas (Ti-ac = Ti-s)
10. Lleve una muestra sólida caliente dentro del agua fria del calorimetro y mídala temperatura de equilibrio (Tequi), para ello, agite el agua y espere unos segundos a que la lectura del termometro sea constante.
11. Use la ecuación (5) de calor específico para hallar el calor específico de la muestra sólida. 12. Repita los pasos 9 y 10 para las otras muestras sólidas (no se olvide medir las temperaturas iníciales del agua fría respectivamente) 6
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13. registre todos sus datos en la tabla Nº 2.
Observaciones: tenga mucho cuidado con el agua caliente. TABLA Nº2 medidas experimentales y tratamiento de datos para los sólidos.
SOLIDOS
DETALLES
MASA M(G) R U T I-AF T A R A E T I_S P M E T T EQUI
S1
S2
S3
146G CU
181,5PB
46,4AL
92ºC
92ºC
92ºC
38ºC
30ºC
39ºC
38ºC
30ºC
39ºC
Observaciones: considere para su s cálculos que el calor especifico del agua ;c =1 cal/gºC. Que esta determinado con un error absoluto de +- 0.1cal/g ºC.
DETERMINACIÓN CALORIMETRO.
PARA
HALLAR EL
CALOR
ESPECÍFICO
DEL
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magua fria = 118.4g
mcal = 52,5g
Ceagua = 1cal/gºC
Cecal = ¿?
To = 20ºC
To = 20ºC
ΔT = Tequi - To ΔT = 58 – 20 = 38ºC
Tequi=58ºC mR+agua= 424.7g
;
mR =228.3g
magua caliente = 196.4g Ceagua = 1cal/gºC T1= 80ºC ΔT1= - 22ºC
Qganado + Q perdido = 0 magua fria. Ceagua. ΔT + mcal. Cecal. ΔT+ magua caliente. Ceagua. ΔT1=0 (118.4)(1)(35)+(52,5)Cecal(38)+(196.4)(1)(-22)=0 Cecal= 0.09 cal/gºC DETERMINACIÓN PARA HALLAR EL CALOR ESPECÍFICO EN LOS SÓLIDOS: magua fria=250.5 g
;
mcal = 52,5g
Ceagua = 1cal/gºC
Aluminio: 8
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mAl= 46g Tagua fria= 23ºC
;
Tequi= 25ºC
Tagua caliente= 80ºC ΔT= 5ºC ΔT1= -55ºC
Aplicando las ecuación anterior:
CeAl =0.21 cal/gºC
Respuesta
Plomo: mAl= 181.5g Tagua fria= 28ºC
;
Tequi= 30ºC
Tagua caliente= 80ºC ΔT= 2ºC ΔT1= -50ºC
Aplicando la ecuación anterior :
CePb=0.034 cal/gºC
Respuesta
Cobre: mAg= 104.3g Tagua fria= 27ºC
;
Tequi= 30ºC
Tagua caliente= 80ºC ΔT= 3ºC ΔT1= -50ºC
Aplicando la ecuación anterior:
Ce Cu=0.10 cal/gºC
Respuesta
LUEGO ADJUNTAMOS EL CUADRO DE MARGENES DE ERROR PARA LOS METALES RESPECTIVOS.
ALUMINIO COBRE PLOMO
Ce TEORICO cal/gºC 0.214 0.092 0.031
Ce PRACTICO cal/gºC 0.21 0.10 0.034
ERROR RELATIVO ((0.21 -0.214)/ 0.214)x100= -1.86% ((0.10 -0.092)/ 0.092)x100= 8.69% ((0.034-0.031)/ 0.031)x100=9.67% 9
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CUESTIONARIO: 1. Defina la caloría, el calor especifico de una sustancia y la capacidad
calorífica de un cuerpo. La caloría (símbolo cal) es una unidad de energía no perteneciente al Sistema Internacional de Unidades basada en el calor específico del agua. Aunque debe ser sustituida por el julio del Sistema Internacional, la caloría permanece en uso debido a su utilización generalizada para expresar el poder energético de los alimentos. Se define la caloría como la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar un grado centígrado la temperatura de un gramo de agua pura, desde 14,5 °C a 15,5 °C, a una presión estándar de una atmósfera. La kilocaloría (símbolo Kcal) es igual a 1000 cal. Una caloría es equivalente a 4,1868 J. El calor específico es la energía necesaria para elevar 1 ºC la temperatura de una masa determinada de una sustancia. El concepto de capacidad calorífica es análogo al anterior pero para una masa de un mol de sustancia (en este caso es necesario conocer la estructura química de la misma). El calor específico es un parámetro que depende del material y relaciona el calor que se proporciona a una masa determinada de una sustancia con el incremento de temperatura:
Donde: • • • •
Q es el calor aportado al sistema. m es la masa del sistema. c es el calor específico del sistema. ΔT es el incremento de temperatura que experimenta el sistema.
Las unidades más habituales de calor específico son:
[c] = [c] =
La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. En una forma menos formal es la energía necesaria para aumentar 1 K la temperatura de una determinada cantidad de una sustancia, (usando el SI).1 Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar 10
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cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica..
2. ¿Cuál de los materiales posee mayor calor especifico (c)? Explique
CeAl=0.210 cal/gºC Por tener menor cantidad de masa
3. ¿Tiene sentido hablar de la capacidad calorífica de una sustancia?
La capacidad calorífica de una sustancia es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor.
4.
¿Por qué es usual expresar la capacidad calorífica de un calorímetro en “gramos agua”? Por que la temperatura es directamente proporcional a la cantidad de agua en gramos.
Describa como utilizaría un calorímetro de agua para determinar el calor específico de una sustancia solida. Escriba las ecuaciones correspondientes. 5.
Primer medimos la masa del recipiente solo y luego con agua de ahí retiramos la masa del agua fría.
Luego masamos el calorimetro, medimos la temperatura del agua fría ; introducimos la masa del sólido al agua caliente y medimos la temperatura. Finalizando hacemos la mezcla de agua caliente y agua fria, medimos la temperatura de equilibrio.
Aplicamos la ecuación de :
Qganado + Q perdido = 0 magua fria. Ceagua. ΔT + mcal. Cecal. ΔT+ msolido.Cesolido. ΔT1=0
Compare los resultados obtenido para el calor específico de las muestras solidas con su valor real. Estudie las posibles causas de la diferencia existente 6.
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CeAl =0.21 cal/gºC
;
CeAl =0.21cal/gºC
REAL
CeAg=0.057 cal/gºC
;
CeAg=0.06 cal/gºC
REAL
CeCu=0.10 cal/gºC
;
CeCu=0.09 cal/gºC
REAL
7. Explique cómo utilizaría el “método de las mezclas” para determinar
el calor latente de vaporización del agua y escriba las ecuaciones correspondientes Una de las formas de determinar el calor latente de cambio de estado es por el método de las mezclas. Consiste en mezclar dos sustancias (o una misma en dos estados de agregación distintos) a diferentes temperaturas y presión constante, de manera que una de ellas ceda calor a la otra y la temperatura del equilibrio final es tal que una de ellas al alcanzarla, realiza un cambio de estado. Es una condición importante es que no haya perdidas caloríficas con el medio exterior. Esto lo conseguimos ubicando la mezcla en el calorímetro, que hace prácticamente despreciable esta pérdida calorífica hacia el exterior. Obviamente se ha de tener en cuenta la cantidad de calor absorbida por el calorímetro.
Qganado = Q perdido m*c*(T*-Tx) = maca(Tx-Ta) + mc cc (Tx-Tc)
8 .Un pequeño bloque de metal (de 74 g de masa) se calienta en un
horno a 900C .Al sacarlo del horno inmediatamente se coloca en un calorímetro. El calorímetro contiene 300g de agua a 100C .La capacidad calorífica del aparato es mínima y la temperatura final es 140C cuál es el material del bloque? Si las muestras posibles son: Aluminio, hierro, plata o zinc msolido= 74g Tagua caliente= 90 ºC Tagua fria=10 ºC ;
Tequi= 14 ºC
ΔT= 4 ºC
ΔT1= 76 ºC 12
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magua fria. Ceagua. ΔT + mcal. Cecal. ΔT+ msolido.Cesolido. ΔT1=0
Cesolido= 0.24 cal/g ºC
;
CeAl =0.21cal/gºC
REAL
Cuál cree que han sido las posibles fuentes de error en su experimento? 9.
Medir con exactitud la temperatura de equilibrio para todos los casos. La inexactitud de la masa de los cuerpos mediante la balanza
10. Como aplicaría este tema en su carrera profesional? En la combustión de un motor que nace de una chispa que explosiona y emite calor que luego se convierte en energía mecánica.
OBSERVACIONES: Registramos los datos exactos de su experimento ya que si no el margen de error puede ser mayor al 10%.
CONCLUSIONES: El calor específico a una misma temperatura no es igual para todos los materiales. Distintas sustancias tienen diferentes capacidades para almacenar energía interna al igual que para absorber energía ya que una parte de la energía hace aumentar la rapidez de traslación de las moléculas y este tipo de movimiento es el responsable del aumento en la temperatura. Cuando la temperatura del sistema aumenta Q y ∆T se consideran positivas, lo que corresponde a que la energía térmica fluye hacia el sistema, cuando la temperatura disminuye, Q y ∆T son negativas y la energía térmica fluye hacia fuera del sistema. El equilibrio térmico se establece entre sustancias en contacto térmico por la transferencia de energía, en este caso calor; para calcular la temperatura de equilibrio es necesario recurrir a la conservación de energía ya que al no efectuarse trabajo mecánico la energía térmica total del sistema se mantiene.
RECOMENDACIONES: 13
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No intente hacer esto en casa Tener buen criterio al desarrollar este laboratorio
BIBLIGRAFIA: http://es.wikipedia.org/wiki/Calor_especifico SERWAY, Raymond A. Física, Cuarta Edición. Editorial McGraw-Hill, 1996. LEA Y BURQUE, " physics: The Nature of Things", Brooks/ Cole 1997. Practica de laboratorio # 2. Realizada por Luis A Rodríguez Física. Elementos de Física. Sexta edición. Edelvives. Editorial Luis Vives S.A. Barcelona ( España); 1933
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