I- 10 Calores Especificos-FISICA 2

1 ASIGNATURA: Laboratorio de Física II

FECHA DE REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA: 17 de junio INTEGRANTES:

Cuadros Gómez Sandra Lissette 15170230

Chávez Gómez Diana 15170078

Guevara Peralta Marco Antonio 15170095 Martínez Riveros Noemí Thalía

15170240

INFORME DE LABORATORIO – FISICA II

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR

DE SAN MARCOS

FACULTAD DE

INGENIERÍA

INDUSTRIAL

Gonzales Guzmán Lizdi Ximena 15170094

Este informe de laboratorio guiara la forma de hallar el calor especifico de un sólido a través de un proceso único ya establecido arbitrariamente donde se llevan a cabo diversidad de sucesos que involucran los diferentes conceptos termodinámicos que previamente se deben tener para su correcta realización y un buen cálculo de los calores específicos a determinar.

El método de las mezclas, utilizado para determinar el calor específico de una substancia que no reacciona químicamente con el resto del sistema, consiste, en el caso de un sólido, en introducir éste en una masa conocida de agua, que se encuentra a una temperatura diferente de la del sólido. Si se prescinde de los intercambios de calor con el ambiente (difíciles de evitar), se tendrá que la mezcla sólido-agua-calorímetro alcanza una temperatura de equilibrio, de modo que el calor cedido por el sólido será igual al calor absorbido por el agua y por el instrumento. La experiencia real se debe hacer con mucho cuidado, para que la medida del calor específico sea suficientemente precisa. Tenemos que tener en cuenta el intercambio de calor entre el calorímetro y la atmósfera que viene expresadas por la denominada ley del enfriamiento de Newton.

INTRODUC

CIÓN

3

 Determinar el calor específico de objetos sólidos, mediante el método de mezclas.

 Aplicar la ley de equilibrio térmico a sistemas termodinámicos.

 Aplicar la conservación de la energía en sistemas con transferencia de calor.

INFORME DE LABORATORIO – FISICA II

MATERIALE S Y EQUIPOS IMAGEN MATERIALE S Y EQUIPOS IMAGEN Soporte universal Cronometro Equipo de calentamiento 1 Probeta 100mL Termómetro 1 calorímetro Vaso pírex Agua

EQUIPOS Y

MATERIALE

5

1 varilla

metálica 1 balanza

Fuente: Elaboración propia

Calor especifico

El calor específico es una propiedad intensiva, no depende de la materia, y es un valor fijo para cada sustancia. Así, el agua tiene un valor fijo de calor específico, Se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de la unidad de masa de un elemento o compuesto en un grado. En el sistema internacional sus unidades serán por tanto

J· kg-1· K-1.

El calor específico del agua es de 4180 J· kg-1· K-1.

Teniendo en cuenta esta definición de calor específico propio de un cuerpo o un sistema Ce podemos deducir que el calor absorbido o cedido por un cuerpo de masa m cuando su temperatura varía desde una temperatura T1 hasta otra T2 (ΔT = T2 - T1) vendrá dado por la expresión:

Q = m· Ce· ΔT

Cuando dos cuerpos que están a distinta temperatura se ponen en contacto se produce un flujo de calor desde el que está a mayor temperatura hacia el que está a menor INFORME DE LABORATORIO – FISICA II

MARCO

TEÓRICO

temperatura hasta que ambas temperaturas se igualan. Se dice que se ha alcanzado el equilibrio térmico (Fig. 1):

Fig. 1

Calorimetría

La Calorimetría es la parte de la física que se encarga de medir la cantidad de calor generada o perdida en ciertos procesos físicos o químicos. El aparato que se encarga de medir esas cantidades es el calorímetro.

Consta de un termómetro que está en contacto con el medio que está midiendo. En el cual se encuentran las sustancias que dan y reciben calor. Las paredes deben estar lo más aisladas posible ya que hay que evitar al máximo el intercambio de calor con el exterior. De lo contrario las mediciones serían totalmente erróneas.

También hay una varilla como agitador para mezclar bien antes de comenzar a medir. Básicamente hay dos tipos de calorímetros. Los que trabajan a volumen constante y los que lo hacen a presión constante.

7

Cuando dos sistemas de diferentes temperaturas ¨se mezclan¨ el de mayor temperatura cede energía térmica y el de menor temperatura gana energía térmica hasta que todo el conjunto llegue a una única temperatura llamada ¨temperatura de equilibrio¨ (Fig. 2)

Fig. 2

Q

ganado

= -Q

cedido

Determinación del calor especifico de un metal

Si a un calorímetro de masa mc y calor especifico Cecalorimetro en cuyo interior se tiene agua de masa ma y

calor especifico Ceagua = 1gr/cm-s; ambos a la misma

temperatura (T1), se le adiciona un sólido de masa ms y calor especifico desconocido de temperatura (T2) (con T1 < T2) será posible determinar el calor especifico desconocido.





 o desconocid solido agua o calorimetr o desconocidsolido o desconocid solido agua o calorimetr m T T mCe T mCe Ce T mCe T mCe T mCe                                











_{ }



 































o desconocid solido e s agua e a a o calorimetr e c c o desconocid solido

T

T

m

T

T

Ce

m

T

T

Ce

m

Ce

2 1 1























e



s e a a e c c o desconocidsolido

m

T

T

T

T

Ce

m

T

T

Ce

m

Ce











2 1 1

En la tabla mostrada a continuación se presentan los valores de los calores específicos para algunos materiales (Fig. 3).

Fig. 3

9

TABLA N° 2: Masa del aluminio m(g) x₁ 12.5 x₂ 12.6 x₃ 13.7 x₄ 12.8 x₅ 12.5 Promedio 12.66 E_i 0.05 σ 1.13 E_a 1.69 ∆ m 1.69 m+∆ m 12.66 ±1.69 FUENTE: Elaboración propia

TABLA N° 3: Masa del cobre m(g) x₁ 71.3 x₂ 71.4 x₃ 71.5 x₄ 71.8 x₅ 71.5 Promedio 71.5 E_i 0.05 σ 1.21 E_a 1.81 ∆ m 1.81 m+∆ m 71.5 ±1.81 FUENTE: Elaboración propia

TABLA N° 1: Masa del plomo m(g) x₁ 107.7 x₂ 107.9 x3 107.8 x₄ 107.5 x₅ 107.4 Promedio 107.66 E_i 0.05 σ 1.358 E_a 2.03 ∆ m 2.03 m+∆ m 107.66 ±2.03 FUENTE: Elaboración propia

PROCEDIMI

ENTO

11

INFORME DE LABORATORIO – FISICA II

TABLA N° 5: temperatura de equilibrio del aluminio t(°C) t_{1 22.5} t_{2 22.7} t_{3 23.0} t4 _23.3 t_{5 23.7} Temperatur a de equilibrio 23.7 t+∆ t 23.7 ± 0.5 FUENTE: Elaboración propia TABLA N° 6: temperatura de equilibrio del cobre

t(°C) t₁ 21.5 t₂ 22.4 t_{3 22.6} t4 _23.7 t_{5 24.5} Temperatur a de equilibrio 24.5 t+∆ t 24.5 ±0.5 FUENTE: Elaboración propia

TABLA N° 7: masa del calorímetro m(g) m₁ 16.10 m₂ 16.3 m₃ 16.2 m₄ 15.9 m₅ 16.4 Promedio 16.14 E_i 0.05 σ 1.31 E_a 1.96 ∆ t 1.96 m+∆ m 16.14 ±1.96 FUENTE: Elaboración propia TABLA N° 4: temperatura de equilibrio del plomo

t(°C) t₁ 22.4 t₂ 22.8 t₃ 23.0 t₄ 23.3 t_{5 23.5} Temperatur a de equilibrio 23.5 t+∆ t 23.5 ±0.5 FUENTE: Elaboración propia

TABLA N° 11

Bloque plomo aluminio cobre Ta (°C) 22± 0.5 22.5 ±0.5 21.5 ±0.5 Tb (°C) 94 ± 0.5 95.5 ± 0.5 96 ± 0.5 Te (°C) 23.5 ±0.5 23.7 ± 0.5 24.5 ±0.5 mmetal (g) 107.66 ±2.03 12.66 ±1.69 71.5 ±1.81 cmetal (cal / g °C) 0.0303 cal g °C± 1.32 0.2027 cal g ° C± 0.88 0.0901 cal g °C± 1.25

FUENTE: Elaboración propia

TABLA N° 8: Resultados – plomo

m_{agua 150} ± _0.05 T_a 22± 0.5 m_cal 16.14 ±1.96 T_cal=a 22± 0.5 cal=¿ c¿ 0.22 ±0.5

FUENTE: Elaboración propia TABLA N° 9: Resultados – aluminio

m_{agua 150} ± _0.05 T_a 22.5 ±0.5 m_cal 16.14 ±1.96 T_cal=a 22.5 ±0.5 cal=¿ c¿ 0.22 ±0.5

FUENTE: Elaboración propia TABLA N° 10: Resultados –cobre

m_{agua 150} ± _0.05 T_a 21.5 ±0.5 mcal 16.14 ±1.96 T_cal=a 21.5 ±0.5 cal=¿ c¿ 0.22 ±0.5

FUENTE: Elaboración propia

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La experiencia se realizó con sólidos (aluminio, cobre, plomo) tres pruebas , la primera prueba del aluminio con una temperatura inicial del calorímetro con el agua de 22.5°C y se obtuvo una temperatura de equilibrio térmico de 24.7°C, en la segunda prueba con el plomo con una temperatura inicial del calorímetro y el agua de 22°C, se obtuvo una temperatura de equilibrio de 23.2°C, en la última prueba con el cobre la temperatura del calorímetro y el agua fue de 21.5°C con una temperatura de equilibrio de 24.5°C. La temperatura de equilibrio fue mayor en la primera prueba porque la temperatura del calorímetro y el agua era mayor, lo que significó que tenían una mayor concentración de calor que sumado al calor que absorbido del solido de aluminio resulto una mayor temperatura en el equilibrio térmico.

El calor especifico que se obtuvo del aluminio fue de 0.203_{g . ºC , de}cal plomo fue de 0.030_{g . ºC y del cobre es} cal 0.089_{g . ºC ; estos calores}cal específicos se obtuvieron cumpliendo los principios de equilibrio y conservación de la energía. Se obtuvo calores específicos aproximados a los teóricos.

Sólidos Error C_e alumini o 3.79 cobre 7.22 plomo 3.22

Los porcentajes de error que obtuvo son aceptables, y que hubo pequeñas irregularidades en el proceso experimental; una de las posibles causas de estos errores fue la no rapidez (y con ella la perdida de calor en el sólido) en el momento de traspasar el sólido al calorímetro y sellarlo completamente, ya que en ese pequeño lapso el sólido tiende a establecer un equilibrio térmico con el ambiente del laboratorio, entregando parte de su calor al ambiente.

 Se concluye que el uso del calorímetro, es relativamente efectivo (de acuerdo a nuestros resultados), al momento de determinar el calor especifico de un sólido desconocido.

 Se concluye que existe un balance de calor, cuando un cuerpo pierde o libera calor existe otro que realiza lo contrario, gana y absorbe el calor liberado.

 Se concluye que a mayor calor especifico de un cuerpo, se requerirá más calor para que exista una ganancia y a menor calor específico, se necesitará menos calor.

 Se concluye que el calor específico depende de la temperatura pero al no ser tan grande esta relación, suele tratarse al calor específico como una constante.

CONCLUSI

ONES

SUGERENCI

AS /

15



Se recomienda mantener tapado el colorímetro para evitar al máximo el intercambio de calor con el exterior.

 Se recomienda agitar continuamente el calorímetro para lograr la temperatura de equilibrio.

 Se recomienda tener cuidado de romper el termómetro con el agitador

 Se recomienda introducir inmediatamente el metal al calorímetro, para evitar el intercambio de calor con el exterior.

 Se recomienda mantener limpio el equipo, así evitar que sustancias ajenas a la experiencia influyan en el cálculo.

 Se recomienda realizar correctamente los cálculos, para evitar mayor porcentaje de error.

 CHANG, R. (2006).Principios Esenciales de Química General. 4ª

edición. Madrid: Mc Graw Hill Interamericana

INFORME DE LABORATORIO – FISICA II

REFERENCI

AS

 Serway, Raymond A. Faughn, Jerry S (2001). Física para ciencia e ingeniería. pág. 342. 5ª edición. México: Pearson Educación.  BROWN, T. MAY, L y BURSTEN B. (2004). Química la Ciencia

Central. 9ª edición. México: Pearson Educación.



EVALUACIÓN:

 A partir de los datos de la tabla 2 y de la

ecuación (4) halle los calores específicos de los bloques utilizados en la experiencia.

17

TABLA N° 12 : Hallando el cmetal _{de la plomo}

FORMULA m_ac_a(T_e−T_a)+m_calc_cal(T_e−T_a)=m_metalc_metal(t_b−t_e)

Datos m_{a 150} ± _0.05 m_cal 16.14 ±1.96

c_{a 1} c_cal 0.22 ±0.5

Te 23.5 ±0.5 mmetal 107.66 ±2.03

T_a, T_cal 22± 0.5 t_b 94 ± 0.5

Reemplazando datos en la ecuación

m_ac_a(T_e−T_a)+m_calc_cal(T_e−T_a)=m_metalc_metal(t_b−t_e)

150 x 1 (23 . 5−22)+16 .14 x 0 .22 (23 .5−22)=107 . 66 x c_metal(94−23 . 5) 150 x 1(23 . 5−22)+16 . 14 x 0 . 22(23. 5−22) 107 . 66 x(94−23 .5) =cmetal cmetal=0 . 0303 cal g °C

RESPUESTA cmetal (cal / g

°C) 0.0303

cal g °C

FUENTE: Elaboración propia

TABLA N° 13 : Hallando el cmetal de la aluminio

FORMULA m_ac_a(T_e−T_a)+m_calc_cal(T_e−T_a)=m_metalc_metal(t_b−t_e)

Datos m_{a 150} ± _0.05 m_cal 16.14 ±1.96

c_{a 1} c_cal 0.22 ±0.5

T_e 23.7 ± 0.5 m_metal 12.66 ±1.69

T_a, T_cal 22.5 ±0.5 t_b 95.5 ± 0.5

Reemplazando datos en la ecuación

m_ac_a(T_e−T_a)+m_calc_cal(T_e−T_a)=m_metalc_metal(t_b−t_e)

150 x 1 (23 . 7−22. 5)+16 . 14 x 0 . 22 (23. 7−22 .5)=12. 66 x c_metal(95 . 5−23. 7) 150 x 1 (23 . 7−22 . 5)+16 .14 x 0 . 22(23 . 7−22 . 5)

12 . 66 x (95. 5−23 .7) =cmetal c_metal=0 . 2027 cal

g °C

RESPUESTA cmetal (cal / g °C) _0.2027 cal

g ° C

FUENTE: Elaboración propia

TABLA N° 14 : Hallando el cmetal _{de la cobre}

FORMULA m_ac_a(T_e−T_a)+m_calc_cal(T_e−T_a)=m_metalc_metal(t_b−t_e)

Datos m_{a 150} ± _0.05 m_cal 16.14 ±1.96

c_{a 1} c_cal 0.22 ±0.5

T_e 24.5 ±0.5 m_metal 71.5 ±1.81

T_a, T_cal 21.5 ±0.5 t_b 96 ± 0.5 Reemplazando datos en la ecuación

m_ac_a(T_e−T_a)+m_calc_cal(T_e−T_a)=m_metalc_metal(t_b−t_e)

19 150 x 1 (24 . 5−21. 5)+16 . 14 x 0 . 22(24 .5−21 .5) 71 .5 x (96−24 . 5) =cmetal cmetal=0 . 0901 cal g °C

RESPUESTA cmetal (cal / g °C) _0.0901 cal

g °C

FUENTE: Elaboración propia

TABLA N° 15 : Hallando % de error del calor especifico

Bloque cmetal (cal / g °C)

teórico cmetal (cal / g °C) experimental % de error plomo _0.031 cal g °C 0.0303 cal g °C 3.22 % aluminio _0.211 cal g ° C 0.2027 cal g ° C 3.79 % cobre _0.083 cal g ° C 0.0901 cal g °C 7.22 %

FUENTE: Elaboración propia



TAREA:

1. Defina el calor específico de un material. ¿Cuál es

la diferencia con capacidad calorífica?

El calor específico es la energía necesaria para elevar en un 1 grado la temperatura de 1 kg de masa. Sus unidades en el Sistema Internacional son J/kg K.

La capacidad calorífica es la energía necesaria para elevar en un 1 grado su temperatura. Sus unidades en el Sistema Internacional son J/K.

La diferencia es que el calor específico es una propiedad intensiva. La capacidad calorífica depende de la cantidad de materia que se considere, por lo tanto es extensiva.

2. ¿Qué es un recipiente térmicamente aislado? Describirlo y explicar cómo funciona.

Un recipiente térmico aislado es un instrumento que sirve para determinar el calor específico de un cuerpo desconocido. Este instrumento mantiene la temperatura dentro de este y no deja que la temperatura del ambiente influya en ella.

Un ejemplo claro de esto es el calorímetro, el concepto de este se detalla en la pregunta 3.

3. ¿Qué es un calorímetro?

El calorímetro es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos.

En un caso ideal de transferencia de calor se puede hacer una simplificación: que únicamente se consideren como sustancias intervinientes a las sustancias calientes y frías entre las que se produce la transferencia de calor y no los recipientes, que se considerarían recipientes adiabáticos ideales, cuyas paredes con el exterior serían perfectos aislantes térmicos (calorímetro); el caso real más parecido sería un termo o un saco de dormir con relleno de plumas.

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4. ¿Qué es un frasco Dewar?

El frasco de Dewar, es un recipiente inventado por Sir James Dewar, que tiene por objeto disminuir las pérdidas de calor por conducción, convección o radiación. Se utiliza para almacenar líquidos fríos o calientes, y es el

equivalente a un termo convencional.

Su principal utilización es en el almacenamiento de Nitrógeno líquido (cuyo punto de ebullición es de 77 K) y oxígeno líquido (su punto de ebullición es a 90 K), durante mucho tiempo sin necesidad de refrigeración.

Los vasos Dewar se usan fuera del laboratorio como termos, para mantener alimentos calientes o fríos. En los termos, la superficie aislante suele ser de plástico o metal debido a su menor coste y mayor facilidad de fabricación.

5. ¿Cuál sería la diferencia si en vez de agua usamos vino para determinar el calor específico del aluminio?

Hubiésemos requerido una masa distinta de vino a una temperatura determinada, y un calorímetro con un equivalente en vino K; ambos a la misma temperatura, luego sumergir el metal previamente calentado, al momento de sumergir mantener la temperatura del metal previamente calentado más alta y la del calorímetro más bajo; y se obtiene la siguiente relación:

c_metal=(mvinocvino+K)(Tc−Tvino) m_metal(T_c−T_b)

En conclusión, la diferencia estaría en que el vino tiene menor calor específico que el agua y por esta razón, necesitaría menos calor para variar su temperatura.

6. Investigue cuántos tipos de calorímetros hay en el mercado y cuál es el uso de cada uno de ellos.

MICROCALORÍMETRO

Es el tipo de calorímetro más usado. Estrictamente hablando, no es un medidor de potencia pero es un instrumento para determinar la eficiencia efectiva de un montaje bolométrico.

Funcionamiento

 Antes de comenzar la medición, el montaje bolométrico es insertado dentro del calorímetro, donde actúa como la carga, cuando la medición es completada el bolómetro es removido y entonces puede ser usado como una referencia calibrada.

CALORÍMETRO DE FLUJO

La potencia es medida a través del calor de un fluido que fluye a través de la carga. Una indicación de la potencia es dada por la subida en la temperatura del fluido pasando del orificio de entrada al de salida.

Los calorímetros de flujo pueden manejar

mayores potencias que los tipos estáticos. Su principal aplicación es para potencias de muchos watts.

23

En comparación con los instrumentos posteriores la precisión era muy modesta con una incertidumbre de 2% para la versión coaxial y 1 a 2,5% para las versiones de guía de ondas.

Funcionamiento básico

 Muchos calorímetros utilizan el principio de carga dual, en el cual una absorbe mientras que la segunda actúa como temperatura de referencia: mientras más aumenta el calor, lo mismo pasa con la temperatura.  El sensor de temperatura registra la diferencia entre

las temperaturas de las dos cargas.

7. Enumere y explique tres fuentes de error cometidos en este experimento.

 Cuando quisimos medir el equivalente en agua esperamos menos de un minuto y esto impidió que llegue a su temperatura de equilibrio alterando los resultados.

 Cuando trabajamos con la muestra de aluminio no cambiamos el agua que había en el calorímetro, esto altera los resultados ya que la temperatura inicial del agua varía.

 En el momento de trabajar con el estaño demoramos en ponerlo en el calorímetro lo cual hizo que su temperatura descendiera un poco por el contacto con el aire.

8. Si tenemos una pieza recientemente construida y observamos que su temperatura se encuentra por encima de los 300°C, ¿Cómo podemos medir su temperatura real si solamente tenemos un termómetro que mide como máximo hasta 150 °C?

 Colocamos agua en un calorímetro y que estén a una temperatura de 0°C (Ta), luego sumergir la pieza construida recientemente y caliente a temperatura Tb y esperar a que llegue el equilibrio Te (La temperatura de equilibrio debe ser menor que 150°C).

Por balances de energía se sabe:

Q_ganado=Q_perdido

Q_calorímetro+Q_agua=Q_cuerpo T_b=maca(Te−Ta)+K(Te−Ta)

m_metalc_metal +Te

9. Busque los valores teóricos de los calores específicos de los bloques trabajados en clase y halle el error porcentual con los valores que Ud. halló en el laboratorio. Si el error le sale mayor a 10%, justifique ¿por qué?

Aluminio:

C_e

(

cal

g .ºC

)

teórico=0.211 C_e

(

cal

g .ºC

)

exp .=0.203 %Error=Vteórico−Vexp

Vteórico x 100=0.211−0.203 0.211 x 100=3.79 Cobre: C_e

(

cal g .ºC

)

teórico=0.083

25

C_e

(

cal

g .ºC

)

exp .=0.089 %Error=Vteórico−Vexp

Vteórico x 100=0.083−0.089 0.083 x 100=7.22 Plomo: C_e

(

cal g .ºC

)

teórico=0.031 C_e

(

cal g .ºC

)

exp .=0.030 %Error=Vteórico−Vexp

Vteórico

x 100=0.031−0.030

0.031 x 100=3.22