Objetivos del trabajo a) El equivalente en agua de un calorímetro. b) El calor específico de un metal. c) El calor latente de fusión del hielo.
Materiales a utilizar
Calorímetro.
Termómetro, o sensores de temperatura y P.C.
Agitador. Balanza. Agua
destilada.
Hielo. Barra
de metal.
Teoría
El calor es energía que se transfiere entre dos cuerpos en virtud, solamente, de su diferencia de temperatura. El
calorímetro
de
las
mezclas,
es
un
recipiente
de
paredes
adiabáticas
(aproximadamente), que tiene además un termómetro y un agitador. Con él es posible medir intercambios de energía en forma de calor. Si mezclamos en el calorímetro agua caliente y agua
fría,
de
acuerdo
al
PRINCIPIO DE
CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA, para un proceso adiabático (sin intercambio de calor con el medio ambiente), se cumple que:
=
∑ 0 =1
Para este caso, es la ecuación calorimétrica, donde
Qi representa la cantidad de calor
intercambiado por el elemento i del calorímetro.
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Si no hay cambios de fase y todos los elementos que intervinientes son sólidos o líquidos
Qi tiene la forma general, (si no hay elementos activos) y se producen variaciones de temperatura.
Siendo:
∗ ∗ ( )∗
Qi: cantidad de calor intercambiada por el elemento i con los otros elementos del calorímetro en [joule] o [cal].
mi: masa del elemento i en [kg] o [g]. ci: capacidad calorífica específica media, llamada generalmente calor específico medio del elemento i entre las temperaturas Tf y Ti y expresado en [J / Kg°C] o [cal / g°C].
(Tf - Ti) variación de temperatura del elemento i en el calorímetro, donde Tf es temperatura final del elemento i y Ti la temperatura inicial del elemento i, en [°C] o [K] Recordar que la relación entre las unidades de temperatura es: 1 unidad celsius = 1 unidad kelvin 1 [ °C ] = 1 [ K ]
Si el intercambio de calor se efectuara sólo entre dos masas de agua tendríamos:
∗ ∗ ∆ + ∗ ∗ ∆
Pero el calorímetro, el termómetro y agitador, absorben calor.
Para simplificar la operación de hallar las masas y sus calores específicos (muchas veces desconocidos) de cada elemento, se calcula el Equivalente en agua del calorímetro, que no es otra cosa que una masa de agua hipotética que intercambiará la misma cantidad de calor que dichos elementos. Para ello se vierte en el calorímetro una masa m1 de agua, se deja estabilizar y luego se mide la temperatura T1. Se calienta (en otro recipiente) una masa m2 de agua, y se le mide su temperatura T2. Acto seguido se vierte rápidamente el contenido de esta masa de agua caliente en el calorímetro tapando este rápidamente, y se lee la temperatura de equilibrio Tf , luego:
(∗( − −)) +
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Procedimiento Se anotarán las características de los instrumentos utilizados indicando: Principio de funcionamiento. Magnitudes medidas. Escalas. Sensibilidad. Fabricante.
1 - Cálculo Del Equivalente En Agua Del Calorímetro:
Para ello medimos cuidadosamente las dos masas de agua m1 y m2 en una balanza. Durante la experiencia se tratará que los cambios de temperatura sean pequeños. Calcularemos el equivalente en agua del calorímetro tres veces y obtendremos su promedio. Si algún valor nos da muy diferente a los demás, se ignorará.
( ∗ ( )) + Med. N°
m1 [g]
m2 [g]
m3 [g] maf [g] mac [g] T1 [°C] T2 [°C] Te [°C]
1 2 3
201,2 201,2 201,2
264 271,2 280,8
334,6 321,8 342,7
62,8 70 79,6
70,6 50,6 61,9
23 25 25
88,9 87,2 85,3
54 48 49
E [g] 16,68 16,24 14,02
m1 = masa calorímetro + termómetro m2 = m1 + agua fría m3 = m2 + agua caliente maf = m2 – m1 (masa de agua fría) mac = m3 – m2 (masa de agua caliente) T1 = temperatura agua fría T2 = temperatura agua caliente Te = temperatura en equilibrio
Error Abs: 0,22
,
Error Relat: 0,0134 TP N° 6
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Error Relat %: 1,34% 2 - Determinación Del Calor Específico De Un Metal (Líquido Verde)
Para ello colocamos en el calorímetro una masa m1 de agua, dejamos equilibrar la temperatura y medimos T1. Calentamos el metal en cuestión (por ejemplo un trozo de hierro cuya masa mfe conocemos), a una temperatura T2. Generalmente se introduce la masa de hierro atada a un hilo muy delgado en un recipiente con agua y se hace hervir esta, para calentar el metal a unos 100 [°C], se debe medir esta temperatura con un termómetro, ya que la temperatura de ebullición del agua depende de la presión atmosférica en el momento de realizar la experiencia. Luego colocamos rápidamente el metal dentro del calorímetro, tapamos éste, agitamos y medimos la temperatura T3 de equilibrio.
∗ +∗ ∗
Med. N°
m1 [g]
m2 [g]
m3 [g]
1 2 3
201,2 201,2 201,2
269,8 260,6 261,1
343,8 330,1 314,2
c ma [g] mlv [g] T1 [°C] T2 [°C] Te [°C] [cal/g °C] 1,19 68,6 74 74 22,8 48 1,19 59,4 69,5 75 23,2 48 1,14 59,9 53,1 75 23,1 52
m1 = masa calorímetro + termómetro m2 = m1 + agua m3 = m2 + líquido verde ma = m2 – m1 (masa de agua) mlv = m3 – m2 (masa líquido verde) T1 = temperatura agua T2 = temperatura líquido verde Te = temperatura en equilibrio
Error abs.: 0,01
̅ ,
Error relat.: 0,0121 Error relat. %: 1,21%
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Calores específicos medios Los calores específicos dependen del intervalo de temperatura en que se consideran, por ello cuando se trabaja con un
ΔT
se deben emplear valores medios válidos para el
intervalo de temperatura entre Tf y Ti (alrededor de la temperatura ambiente).
Calor de Transformación Cuando un sólido o un líquido reciben calor y están cambiando de fase o estado, la temperatura permanece prácticamente constante. Por ejemplo cuando el hielo se funde o el agua se transforma en vapor, absorben calor pero la temperatura de los cuerpos permanece constante. En los procesos inversos, es decir cuando el agua se congela o el vapor se condensa, el cuerpo libera calor pero la temperatura permanece constante. La cantidad de calor por unidad de masa transferido en un cambio de fase se denomina calor de transformación o calor latente del proceso L .
3 - Determinación Del Calor De Fusión Del Agua
Primero calculamos el equivalente en agua del calorímetro E .
( ∗ ( )) +
Luego pesamos el calorímetro con el termómetro y el agitador: mc1. Posteriormente colocamos una determinada cantidad de agua en el calorímetro y volvemos a pesar: mc2. Por diferencia de pesada conocemos la masa de agua: mA= mc2 - mc1. Medimos la temperatura inicial del agua: T1. En un recipiente tenemos hielo picado que este fundiéndose, es decir a una temperatura de 273 [K] o a 0[°C]. Con una cucharte de plástico (que se encuentra en contacto con el hielo), colocamos hielo dentro del calorímetro, agitamos y medimos la temperatura que alcanza el termómetro: Tf . Pesamos el calorímetro: mc3. Por diferencia de pesada obtenemos la masa de hielo introducida en el calorímetro: TP N° 6
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mH= mc3 - mc2. C omo el calorímetro es un s is tema ais lado que no permite la trans ferencia de calor con el exterior (teóricamente), la energía cedida por un cuerpo (agua), es ganada por el otro (hielo).
∑ 0 La temperatura inicial del agua de fusión vale 0[°C] y la temperatura final coincide con la de la mezcla de agua efectuada en el calorímetro.
∗ + ∗ ∗ ( )+ + ∗ ∗ ( ) ∗ ∗ ( )+ + ∗ ∗ ( )
Med. N°
m1 [g]
m2 [g]
m3 [g]
mac [g]
mH [g]
T1 [°C]
Te [°C]
1 2 3
201,2 201,2 201,2
274,6 308,4 302,2
279,2 319 309,6
73,4 107,2 101
4,6 10,6 7,4
75 85 79
64 70 69
Lf [cal/g] 150,88 104,99 89,73
m1 = masa calorímetro + termómetro m2 = m1 + agua caliente m3 = m2 + Hielo mac = m2 – m1 (masa de agua caliente) mH = m3 – m2 (masa del hielo) T1 = temperatura agua caliente Te = temperatura en equilibrio
̅
Discusión sobre las fuentes de error:
La pared del calorímetro no es totalmente adiabática (¿qué será mejor usar, un termo o un recipiente de telgopor?) - Es mejor usar un termo, pero la diferencia con el telgopor no es mucha. Sin embargo, trabajar de manera ordenada y adecuada a lo que se desea realizar, disminuye en gran medida los errores que puedan tener las mediciones.
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¿Hay pérdidas de calor al destapar el calorímetro? - Sí, pero depende del tiempo que se encuentre interaccionando la sustancia dentro del calorímetro con el sistema externo.
Efectos de la diferencia de temperatura dentro y fuera del calorímetro - Al no poseer paredes totalmente aisladas, el calorímetro solo retrasa de una manera bastante efectiva la interacción del medio interno con el externo. Por lo que tarde o temprano las diferencias de temperaturas se hacen cada vez más pequeñas, hasta llegar una temperatura de equilibrio donde casi no hay transferencia de energía en forma de calor.
El factor 1 [cal] = 4.186 [J] se refiere a la vieja definición de caloría, que se trabajaba con agua entre 14,5 [Cº] y 15,4 [Cº].
¿Trabajamos nosotros con esa temperatura?
¿Se pueden comparar los resultados, porque?
- No, ya que si bien trabajamos con distintas temperaturas no excedemos la temperatura como para que el agua cambie de estado y ahí si estamos hablando de otra cosa. Por lo que los resultados pueden compararse ya que están entre un rango de temperaturas donde el agua respeta el factor antes nombrado.
¿Si la temperatura de trabajo es alta habrá más o menos pérdida de agua por evaporación? - Sin ninguna duda habrá más pérdidas por evaporación, ya que el agua aunque se encuentre a temperaturas relativamente bajas, mientras este en estado líquido puede evaporarse sin llegar a su punto de ebullición.
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