lab calor

Calor específico de sólidos. Lab. 7

Índice:

1.0 Objetivos…………………………………………………………………………… 1

1.1 Equipo y materiales………………………………………………………………….1

1.2 Fundamento teórico………………………………………………………………….2

1.3 Procedimiento………………………………………………………………………..7

1.4 Cuestionario………...………………………………………………………………...8

1.5Conclusiones…………………………………………………………………………11

1.6Análisis y discusión de resultados…………………………………………………...11

1.7 Bibliografía y enlaces………………………………………………………………15

Facultad de Odontología 1


Objetivos:

Aprender a calibrar un calorímetro.

Determinar el calor específico de cuerpos solidos usando el método de mezclas.

Equipo y Materiales:

Un calorímetro de mezclas.

Un termómetro

Cocina eléctrica

Un probeta de 200 o 250 ml

Una balanza

Cuerpos solidos

Agua

Un vaso de precipitados


INFORME Nº5 Calor específico de sólidos


Fundamento Teórico:

Concepto de calor:

El calor es una forma de energía que puede transformarse en otras y viceversa. Consideramos dos cuerpos A y B a temperatura T1 y T2 suponemos que T1 es mayor que T2. Al poner en contacto los dos cuerpos la experiencia nos demuestra que pasa de A a B una cierta energía que denominamos calor. En este caso decimos que el calor pasa del cuerpo caliente al frío por conducción. Las moléculas del cuerpo caliente están muy excitadas y tienen una gran energía de vibración. Estas chocan con las vecinas más lentas del cuerpo frío y comparten con ellas algo de su energía de movimiento por tanto la energía de movimiento térmico se transmite de una molécula a la siguiente aunque cada molécula permanece en su posición original.

La unidad de calor es la caloría (cal) o también cal-gr. que es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1ºC la temperatura de 1 g de H2O, también se utiliza la Kcal., que es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1ºC la temperatura de 1 Kg. de H2O.

Intercambios de calor:

Como se sabe al aportar calor a un sistema, éste aumenta su temperatura al igual que su energía interna, dependiendo de tres factores. Éstos son:

Aumento de temperatura deseado ∆°T. La masa del cuerpo del sistema…m La sustancia que lo constituye, mejor dicho su calor específico, que es la energía

necesaria para aumentar el grado de temperatura de un kilogramo de la sustancia considerada….Ce Esto se resume en la siguiente ecuación fundamental de la calorimetría.

Q= m.Ce. ∆ T ∆ T= Tf - Ti



Entonces:

La cantidad de calor que hay que suministrar a un cuerpo para elevar su temperatura, depende del incremento de temperatura y de la masa del sistema que se calienta.

Experimentalmente se conoce que la energía calorífica absorbida o cedida por un cuerpo es proporcional a su masa (m) a la variación de temperatura que experimenta el cuerpo (T) y también a la naturaleza del cuerpo.

Todo esto se relacionaría con la siguiente expresión:

Q =m c T

Que sería la cantidad de calor ganada o cedida por el cuerpo. En la formula c es el calor especifico del cuerpo es decir la cantidad de calor necesaria para incrementar 1ºC la temperatura de 1 g de dicha sustancia.

En general los calores específicos varían con la temperatura. En la práctica se suelen dar valores medios o bien los calores específicos correspondientes a una temperatura de 20 ºC.

El agua es uno de los cuerpos con mayor calor especifico por esto su valor se toma como unidad definiéndose la caloría como el calor necesario para elevar la temperatura de 1 g de H2O desde 14.5ºC a 15.5 ºC por tanto el calor especifico del H2O es igual a 1 cal/gr ºC.

En la formula anterior Q =m c T, el producto de la masa por el calor específico se denomina capacidad calorífica y es la cantidad de calor necesaria para que la temperatura de un cuerpo aumente en 1ºC o en 1 K.

C= m c = capacidad calorífica

La unidad de la capacidad calorífica es la cal/grado o J/grado.

Calor específico de un cuerpo:

Calor que hay que suministrar a la unidad de masa de dicho cuerpo, para que su temperatura aumente un grado, su medida se realiza aplicando la ley de las mezclas que establece que, cuando se ponen en contacto dos sistemas que están a diferente temperatura, el sistema que está a mayor temperatura cede calor al de menor temperatura hasta que sus temperaturas se igualan (equilibrio térmico).En la siguiente tabla se resumen algunos valores de c para sustancias conocidas a presión ambiente constante (1 atm.):



Sustancias Cal/g.ºC

Agua 1,00

Aceite 0,47

Aire 0,24

Alcohol 0,66

Aluminio 0,22

Cobre 0,09

Fierro 0,12

Hielo 0,50

Mercurio 0,03

Oro 0,03

Plata 0,06

Plomo 0,03

El calorímetro:

Un calorímetro es un aparato usado para medir la cantidad de calor que ha sido transferida en un proceso determinado. Su diseño varía desde aparatos básicos a muy elaborados. Básicamente, para la construcción de un calorímetro se necesitan tres cosas:1. Un recipiente de un material conocido que absorba calor eficientemente.2. Un medidor de temperatura (termómetro)3. Un material para aislar térmicamente el recipiente de su entorno (atmósfera ambiente) y así evitar intercambio de calor (recipiente _ entorno o entorno _ recipiente).Calorímetros bien adaptados incluyen agitadores para asegurar temperatura constante en todo el sistema, termómetros de alta precisión (_0.1°), material aislante térmico altamente efectivo y un contenedor. En esta práctica usaremos equipamiento sencillo que conlleva a un margen de error en los experimentos, pero que servirá para ilustrar los principios de calorimetría involucrados.Para iniciar una medida calorimétrica, es necesario calibrar el calorímetro, es decir, determinar exactamente la cantidad de calor adicionado que provoca un determinado aumento de su temperatura.Usualmente se usa agua como medio que transfiere el calor ya que es barata, fácil de trabajar y tiene calor específico conocido desde hace un tiempo.



Calorimetría:

Es la parte de la termología que estudia la medida del calor de los cuerpos. Todos los cálculos de la calorimetría se fundamentan en los siguientes principios:

Cuando se ponen en contacto dos cuerpos a temperaturas distintas el más caliente cede calor al frío hasta que ambos quedan a una temperatura intermedia de las que tenían al principio. El calor ganado por un cuerpo es exactamente igual al cedido por el otro.

Si tenemos un cuerpo de masa m1, calor especifico c1 y que está a una temperatura t1 y otro de masa m2, calor especifico c2 y que está a una temperatura t2 y suponemos que t1>t2 al ponerlos en contacto ambos quedaran a una temperatura intermedia te cumpliéndose que t1>te>t2. El calor perdido por el cuerpo caliente será:

Qp=m1 c1 (t1-te).

El calor ganado por el cuerpo frío será:

Qg=m2 c2 (te-t2)Qp = Qg

Esta temperatura intermedia que se alcanza cuando se mezclan dos sustancias con temperaturas diferentes se denomina también temperatura de equilibrio.


)(

)()(

ec

aeaguaee ttm

ttMcc


1 2 3

mA . CeA . (T – TA) + mB . CeB (T – TB) = 0

Principio de las mezclas

Masa de agua M a una temperatura taMasa m del cuerpo cuyo calor específico queremos determinar a una temperatura tcSe introduce el cuerpo en el agua, se agita, hasta encontrar la temperatura de equilibrio teDebe verificarse que:

Podemos despejar el calor específico:

Esto es cierto siempre que:


=mce( t c−te )Mce (agua)( te−ta )

ta< te<t c




Procedimiento:

1. Medir la masa del calorímetro con la ayuda de una balanza en gramos (mcal).

2. Medir con la probeta graduada 150 g de agua (mf) y viértalo al calorímetro. Medir la temperatura del agua en el calorímetro (Tf) (considerar esta temperatura para el calorímetro).

3. Medir la masa de un cuerpo sólido (mc).

4. Calentar este cuerpo colocándolo en un vaso pírex con agua sobre la cocina eléctrica hasta llegar al punto de ebullición del agua.

5. Con el termómetro mida esta temperatura ( Tc)

6. Rápidamente retire el cuerpo sólido del vaso con agua hirviendo y colóquelo en el calorímetro con agua, agite suavemente la mezcla y mide la temperatura de equilibrio (Te).

7. Repita los pasos anteriores para otros cuerpos sólidos.



Análisis y Resultados:

Tabla 8.1

Nombre del solido

Masa del

agua ma(g)

Masa del

solido ms(g)

Masa del calorímetro

mc(g)

Temperatura inicial del

agua T0a(°C)


calorímetro T0c(°C)


solido T0s(°C)

Temperatura de equilibrio

Te (°C)

Calor especifico

Ce (cal/g°C)

Cobre 147.3 77.1 78.9 24 24 95 27Aluminio 156.6 22.7 78.9 24 24 96 26

Nombre del solido Ce (cal/g°C)Método del calorímetro

Ce (cal/g°C)Valores teóricos

ε%

Cobre 0.093 0.092 1.09Aluminio 0.218 0.214 1.87

Se calculó la masa del calorímetro, de los sólidos, y del agua requerida en cada uno de los casos, así también se calculó la temperatura inicial de cada material y la temperatura de equilibrio final del sistema. Luego mediante el método de mezclas se calculó el calor específicos de los sólidos y se reconoció que eran el cobre y aluminio.



Cuestionario:

¿Cuáles son las principales dificultades encontradas al realizar la práctica?

El utilizar un adaptador para enchufar la cocina eléctrica y el peligro que ocasiona ya que puede pasar corriente al operador.

El calorímetro no se encontraba totalmente aislado del medio ambiente.

Pérdida de calor por parte de los sólidos al sacarlos del agua caliente y ponerlos en contacto con el medio ambiente antes de introducirlos al calorímetro.

A partir de la tabla 8.1 y utilizando la ecuación respectiva, encontrar el calor especifico de los cuerpos solidos utilizados.

Tabla 8.1

Nombre del solido

Masa del

agua ma(g)

Masa del

solido ms(g)

Masa del calorímetro

mc(g)


agua T0a(°C)


calorímetro T0c(°C)


solido T0s(°C)

Temperatura de equilibrio

Te (°C)

Calor especifico

Ce (cal/g°C)

Cobre 147.3 77.1 78.9 24 24 95 27Aluminio 156.6 22.7 78.9 24 24 96 26

Utilizando la temperatura de equilibrio de una mezcla (Te)

Se cumple que a mezclar cuerpos de distinta temperatura que no reaccionan químicamente entre sí, la mezcla adquiere una temperatura comprendida entre la menor y la mayor, además la cantidad de calor cedido por el cuerpo caliente es igual al calor absorbido por el cuerpo frío.

∑Qi=0


Q2Q1

T1 TeT2


Luego tenemos:

Para el cuerpo 1 (Cobre)

(m¿¿c )(Ce c) (T e−T 0c)+(m¿¿a) (Cea ) (T e−T 0 a )=(m¿¿ s) (Ce s ) (T 0 s−T e)¿¿¿

Se tomó para el calor específico del calorímetro del apéndice B

(78.9) (0.214 ) (27−24 )+(147.3)(1 ) (27−24 )=(77.1)(Ce s ) (95−27 )

50.653+441.9=5242.8 Ce s

492.554=5242.8 Ce s

0.093=Ces = Cecu

Para el cuerpo 2 (Aluminio)

(m¿¿c )(Ce c) (T e−T 0c)+(m¿¿a) (Cea ) (T e−T 0 a )=(m¿¿ s) (Ce s ) (T 0 s−T e)¿¿¿

Se tomó para el calor específico del calorímetro del apéndice B

(78.9) (0.214 ) (26−24 )+(156.6)(1 ) (26−24 )=(22.7) (Ce s ) ( 96−26 )

33.769+313.2=1589Ce s

346.969=1589Ce s

0.218=Ces= CeAl

Busque los valores teóricos de los calores específicos de los cuerpos solidos que se utilizaron en el laboratorio y calcule el error porcentual en comparación con los valores experimentales. Explique.

Nombre del solido Ce (cal/g°C)Método del calorímetro

Ce (cal/g°C)Valores teóricos

ε%

Cobre 0.093 0.092 1.09Aluminio 0.218 0.214 1.87

Para el cobre:



0.093−0.0920.092

x100 %=1.09 %

Para el aluminio:

0.218−0.2140.214

x 100 %=1.87 %

Al analizar nuestros resultados experimentales de calores específicos de sólidos y ver los verdaderos valores podemos aproximar que se trata de materiales hechos de cubre y aluminio. Solo se realizó la experiencia con 2 muestras de sólidos.Lo sucedido con los materiales pudo haber sido por errores como: Pérdida de calor por parte de los sólidos al sacarlos del agua caliente y ponerlos en contacto con el medio ambiente antes de introducirlos al calorímetro. El calorímetro no se encontraba totalmente aislado del medio ambiente. Falta de precisión al tomar el registro de los pesos de los sólidos, el calorímetro y el agua.

Tratar las clases de calorímetros



Mediante qué proceso se transmite el calor entre los cuerpos dentro del calorímetro. Defina la temperatura de equilibrio.

En este caso cuando un fluido en movimiento (se agito el calorímetro) pasa sobre un cuerpo sólido y si las temperaturas del fluido y el sólido son diferentes, habrá una transferencia de calor entre el fluido y la superficie solida debido al movimiento relativo entre el fluido y la superficie. A este mecanismo de transferencia de calor se denomina convección.

Temperatura de equilibrio (Te)

Se cumple que a mezclar cuerpos de distinta temperatura que no reaccionan químicamente entre sí, la mezcla adquiere una temperatura comprendida entre la menor y la mayor (Te), además la cantidad de calor cedido por el cuerpo caliente es igual al calor absorbido por el cuerpo frío.

¿Qué materiales son buenos y malos conductores del calor?

La conductividad térmica de un material (k) es una medida de la capacidad del material para conducir calor. Un valor elevado para la conductividad térmica indica que el material es un buen conductor del calor y un valor bajo indica que es un mal conductor o que es un aislante. Los materiales como el cobre, la plata son buenos conductores eléctricos, también lo son del calor y tienen valores elevados de la conductividad térmica. Los materiales como el caucho, la madera y la espuma de estireno son malos conductores del calor y tienen bajos valores de conductividad térmica.

¿Según los resultados de la tabla 8.1, podría predecir los materiales desconocidos utilizados?

Se realizó la experiencia de cálculo del valor del calor específico solo para dos muestras solidas las cuales se determinó que eran el cobre y el aluminio.



Conclusiones

Se comprobó el principio de la conservación de la energía, el cual establece que la energía total inicial de un sistema es igual a la energía final total del mismo sistema.

El calor es energía que es transferida de un sistema a otro, debido a que se encuentran a diferentes niveles de temperatura. Por esta razón, al poner los dos cuerpos en contacto, el que se encuentra a mayor temperatura transfiere calor al otro hasta que se logra el equilibrio térmico.

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.



Bibliografía

Trabajos prácticos de física, J. E. Fernández y E. Galloni, Editorial Nigar, Buenos Aires (1968).

Física para estudiantes de ciencias e ingeniería, D. Halliday, R. Resnick y J. Walker, 4ta. ed. [Trad. de Fundamentals of Physics, John Wiley & Sons, Inc., New York (1993)].

Enlaces:

www.hiru.com/es/fisika/fisika_01800.html

http://homepage.mac.com/theredpet/videos/iMovieTheater51.html

http://ciencianet.com/friocalor.html

http://ciencianet.com/masfriocalor.html

http://www.iqfr.csic.es/Termoquimica/tecnicasexperimentales.htm

http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/tb01_calor.php

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/calorimetro




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