Fisica 2 Laboratorio 5 uni-fim

8/10/2019 Fisica 2 Laboratorio 5 uni-fim

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA

FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

INFORME DE LABORATORIO N

Calor especfico de slidos

ASIGNATURA: FSICA II

SEMESTRE : 2012- I SECCIN: C

DOCENTE : LIC. NGEL PAREDES CARLOS

ALUMNOS :


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NDICE

OBJETIVOS 1

FUNDAMENTO TEORICO 2

PROCEDIMIENTO 8

EQUIPO 9

CALCULOS Y RESULTADOS 10

OBSERVACIONES 14

CONCLUSIONES 15

BIBLIOGRAFIA 16


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OBJETIVOS

1.Determinar la Capacidad Calorfica de un calormetro

2.Determinar el calor especfico de muestras slidas.

3.Aprender a utilizar materiales de laboratorio necesarias

para este caso.

4.Tener presente los errores posibles debido a la

imprecisin en los materiales a emplear.


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FUNDAMENTO TERICO

Concepto de temperatura

La temperatura es la sensacin fsica que nos produce un cuerpocuando entramos en contacto con l.

Observamos cambios en los cuerpos cuando cambian sutemperatura, por ejemplo, la dilatacin que experimenta un cuerpo

cuando incrementa su temperatura. Esta propiedad se usa paramedir la temperatura de un sistema. Pensemos en los termmetrosque consisten en un pequeo depsito de mercurio que asciende porun capilar a medida que se incrementa la temperatura.

Concepto de calor

Cuando dos cuerpos A y B que tienendiferentes temperaturas se ponen encontacto trmico, despus de un ciertotiempo, alcanzan la condicin de equilibrio enla que ambos cuerpos estn a la mismatemperatura. Un fenmeno fsico anlogo sonlosvasos comunicantes.

Supongamos que la temperatura del cuerpo Aes mayor que la del cuerpo B, TA>TB.

Observaremos que la temperatura de B seeleva hasta que se hace casi igual a la de A.En el proceso inverso, si el objeto B tiene unatemperatura TB>TA, el bao A eleva un pocosu temperatura hasta que ambas se igualan.

Cuando un sistema de masa grande se pone en contacto con un sistema demasa pequea que est a diferente temperatura, la temperatura deequilibrio resultante est prxima a la del sistema grande.
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/vasos/vasos.htmhttp://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/vasos/vasos.htm


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Decimos que una cantidad de calor Q se transfiere desde el sistema demayor temperatura al sistema de menor temperatura.

La cantidad de calor transferida es proporcional al cambio de

temperatura T. La constante de proporcionalidad C se denomina capacidad calorfica

del sistema.

Q=CT

Si los cuerpos A y B son los dos componentes de un sistema aislado, elcuerpo que est a mayor temperatura transfiere calor al cuerpo que est amenos temperatura hasta que ambas se igualan

Si TA>TB

El cuerpo A cede calor: QA=CA(T-TA), entonces QA0

Como QA+QB=0

La temperatura de equilibrio, se obtiene mediante la media ponderada

Calor especfico

El calor especfico es una magnitud fsica que se define como la cantidad decalor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistematermodinmico para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o gradoCelsius). En general, el valor del calor especfico depende de dicha

temperatura inicial.1 2 Se la representa con la letra (minscula).

De forma anloga, se define la capacidad calorfica como la cantidad decalor que hay que suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar sutemperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). Se la representa con laletra (mayscula).


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Por lo tanto, el calor especfico es el cociente entre la capacidad calorficay la masa, esto es donde es la masa de la sustancia.1

Joule demostr la equivalencia entre calor y trabajo 1cal=4.186 J. Por

razones histricas la unidad de calor no es la misma que la de trabajo, elcalor se suele expresar en caloras.

El calor especfico del agua es c=1 cal/(g C). Hay que suministrar unacalora para que un gramo de agua eleve su temperatura en un gradocentgrado.

Factores que afectan el calor especfico

Las molculas tienen una estructura interna porque estn compuestas detomos que tienen diferentes formas de moverse en las molculas. Laenerga cintica almacenada en estos grados de libertad internos nocontribuye a la temperatura de la sustancia sino a su calor especfico.

Grados de libertad

El comportamiento termodinmico de las molculas de los gasesmonoatmicos, como el helio y de los gases biatmicos, el hidrgeno es muydiferente. En los gases monoatmicos, la energa interna correspondenicamente a movimientos de traslacin. Los movimientos traslacionales sonmovimientos de cuerpo completo en un espacio tridimensional en el que laspartculas se mueven e intercambian energa en colisiones en forma similar acomo lo haran pelotas de goma encerradas en un recipiente que se agitarancon fuerza. (vea la animacin aqu). Estos movimientos simples en los ejesdimensionales X, Y, y Z implican que los gases monoatmicos slo tienen tresgrados de libertad traslacionales.

Las molculas con mayor atomicidad, en cambio tienen varios grados delibertad internos, rotacionales y vibracionales, adicionales ya que sonobjetos complejos. SE comportan como una poblacin de tomos que puedenmoverse dentro de una molcula de distintas formas (ver la animacin a laderecha). La energa interna se almacena en estos movimientos internos. Porejemplo, el Nitrgeno, que es una molcula diatmica, tiene cinco grados delibertad disponibles: los tres traslacionales ms dos rotacionales de


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libertad interna. Cabe destacar que la capacidad calorfica molar a volumenconstante de los gases monoatmicos es , siendo R la Constante Universal delos gases ideales, mientras que para el Nitrgeno (biatmico) vale , lo cualmuestra claramente la relacin entre los grados de libertad y el calor

especfico.

Masa molar

Una de las razones por las que el calor especfico adopta diferentes valorespara diferentes sustancias es la diferencia en masas molares, que es la masade un mol de cualquier elemento, la cual es directamente proporcional a lamasa molecular del elemento, suma de los valores de las masas atmicas dela molcula en cuestin. La energa calorfica se almacena gracias a la

existencia de tomos o molculas vibrando. Si una sustancia tiene una masamolar ms ligera, entonces cada gramo de ella tiene ms tomos o molculasdisponibles para almacenar energa. Es por esto que el hidrgeno, lasustancia con la menor masa molar, tiene un calor especfico tan elevado;porque un gramo de esta sustancia contiene una cantidad tan grande demolculas.

Una consecuencia de este fenmeno es que, cuando se mide el calorespecfico en trminos molares la diferencia entre sustancias se hace

menos pronunciada, y el calor especfico del hidrgeno deja de ser atpico.En forma correspondiente, las sustancias moleculares (que tambinabsorben calor en sus grados internos de libertad), pueden almacenargrandes cantidades de energa por mol si se trata de molculas grandes ycomplejas, y en consecuencia su calor especfico medido en trminosmsicos es menos notable.

Ya que la densidad media de un elemento qumico est fuertementerelacionada con su masa molar, existe en trminos generales, una fuerte

correlacin inversa entre la densidad del slido y su cp (calor especfico apresin constante medido en trminos msicos). Grandes lingotes de slidosde baja densidad tienden a absorber ms calor que un lingote pequeo de unslido de la misma masa pero de mayor densidad ya que el primero por logeneral contiene ms tomos. En consecuencia, en trminos generales, hayuna correlacin cercana entre el volumen de un elemento slido y sucapacidad calorfica total. Hay sin embargo, muchas desviaciones de estacorrelacin general.


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Enlaces puente de hidrgenoLas molculas que contienen enlaces polares de hidrgeno tienen lacapacidad de almacenar energa calorfica en stos enlaces, conocidos comopuentes de hidrgeno.

Impurezas

En el caso de las aleaciones, hay ciertas condiciones en las cuales pequeasimpurezas pueden alterar en gran medida el calor especfico medido. Lasaleaciones pueden mostrar una marcada diferencia en su comportamientoincluso si la impureza en cuestin es uno de los elementos que forman laaleacin; por ejemplo, las impurezas en aleaciones semiconductorasferromagnticas pueden llevar a mediciones muy diferentes, tal comopredijeron por primera vez White y Hogan.10

Fundamentos fsicos

Cuando varios cuerpos a diferentes temperaturas se encuentran en unrecinto adiabtico se producen intercambios calorficos entre ellosalcanzndose la temperatura de equilibrio al cabo de cierto tiempo. Cuandose ha alcanzado este equilibrio se debe cumplir que la suma de lascantidades de calor intercambiadas es cero.

Se define calor especfico c como la cantidad de calor que hay queproporcionar a un gramo de sustancia para que eleve su temperatura en ungrado centgrado. En el caso particular del agua c vale 1 cal/(g C) 4186J(kg K).

La unidad de calor especfico que ms se usa es cal/(g C) sin embargo,debemos de ir acostumbrndonos a usar el Sistema Internacional deUnidades de Medida, y expresar el calor especfico en J/(kgK). El factor deconversin es 4186.


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Sustancia Calor especfico (J/kgK)

Acero 460

Aluminio 880

Cobre 390

Estao 230

Hierro 450

Mercurio 138

Oro 130

Plata 235

Plomo 130

Sodio 1300


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PROCEDIMIENTO

Determinacin de la capacidad calorfica (o equivalente en agua)del calormetro.

1. Coloque dentro del calormetro una cantidad de agua atemperatura menor que la del ambiente.

2. Deje que se establezca el equilibrio y medir la temperatura de

equilibrio 3. Caliente agua en la olla a una temperatura y colocar una cantidad

de esta agua en el calormetro.4. Mida la nueva temperatura de equilibrio.

Determinacin del calor especfico del slido

1. Se pesa con una balanza una pieza de material slido de calorespecfico c desconocido, resultando m su masa. Se pone la pieza en

agua casi hirviendo a la temperatura T.2. Se ponen M gramos de agua en el calormetro, se agita y despus de

poco de tiempo, se mide su temperatura T0.3. Se deposita rpidamente la pieza de slido en el calormetro. Se

agita, y despus de un cierto tiempo se alcanza la temperatura deequilibrio Te.

Se apuntan los datos y se obtiene una frmula:


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EQUIPO

1)Calormetro

2)Termmetro

3)Agua

4)Dos slidos de masas conocidas

5)Olla para calentar el agua

6)Una balanza

7)Un matraz

8)Un mechero a gas


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Clculos y Resultados

1. Hallar la Capacidad Calorfica del Termo

Ta= Temperatura del Termo y el agua inicial en equilibrio

Tb= Temperatura del agua caliente

Teq = Temperatura en Equilibrio Final

ma= Masa del agua inicial en el termo

mb= Masa del agua caliente

= Capacidad calorfica del termo1er Vez

=

= = 71.111 Caloras/

2da Vez

=

= = 71.111 Caloras/

3ra Vez

=

= =67.53731 Caloras/


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Calculando la incertidumbre de la Capacidad Calorfica

=

= ( ()() ()

() )

. ()() =()

() . [()]

() ()() (I)

. [( )]= ( ) ()() . ( )= ( )

. ( )= ( )

. ()() = (II)La expresin (I) quedara de la forma:

(I): ()

() .

()

()

Entonces el valor de , quedar de la siguiente manera:

()()

.

()

()

+ 1era Vez

= = 27.5728 Caloras/

2da Vez

= = 19.15226 Caloras/


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3era Vez

= = 17.59 Caloras/

Hallando el promedio

= 69.52301786 Caloras/

allando elpromedio

= = 11.72539 Caloras/


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2. Hallar el Calor Especifico de dos Solidos (Para el Pb

Se tiene: = ( )

= = 0.02148725 Caloras/g.

Hallando la incertidumbre del , se llega a la siguiente expresin:

=() () () = 0.1088990216 Caloras/g.

Para el Al

Se tiene: =

( )

= = 0.30467206 Caloras/g.

Hallando la incertidumbre del , se llega a la siguiente expresin:

=()

()

()

= 0.1214914 Caloras/g.


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OBSERVACIONES

La masa de agua necesaria es arbitraria.

La temperatura del slido es arbitraria.

El volumen empleado es arbitrario.

El procedimiento para los dos slidos es el mismo.

El error tambin pudo ocasionarse al momento de sacar el

slido del recipiente con agua caliente para ponerlo en el

calormetro, teniendo contacto as con el medio ambiente

perdiendo energa en forma de calor.


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CONCLUSIONES

Al calcular tres veces el calor especfico de un slidosale aproximadamente igual, lo cual indica un error

debido a los materiales utilizados.

Se debe tomar en cuenta el error en la temperatura que

marca el termmetro, las masas y el volumen.

El porcentaje de error depender del experimentohecho en laboratorio.

Se comprob el principio de conservacin de la energa.

Distintas sustancias tienen diferentes capacidades

calorficas

El calor es energa transferida de un cuerpo de mayor

temperatura a uno de menor temperatura.

El equilibrio se establece por sustancias en contacto

trmico por la transferencia de energa.


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Bibliografa

SERWAY, Raymond A. Fsica, Cuarta Edicin. Editorial

McGraw-Hill, 1996.

Sears Zemansky. Fsica universitaria. Volumen I. 12ava

edicin. cap. XIII. Pag.419; 438. Editorial Addison-Wesley.

Mxico 2009.

Www.wikipedia.com

Www.monografas.com

Marcelo Alonso, Edward J. Finn. Addison-Wesley

Iberoamericana
http://www.wikipedia.com/http://www.xn--monografas-r8a.com/http://www.xn--monografas-r8a.com/http://www.wikipedia.com/

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