Practica 5

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INTRODUCCIÓN

Diferentes sustancias requieren diferentes cantidades de calor para producir un cambio dado en su temperatura. Por ejemplo, para incrementar la temperatura de de agua en una cantidad de temperatura se requiere alrededor de 10 veces más calor que para incrementar en esta misma cantidad la temperatura de de cobre.

Este comportamiento de los materiales es caracterizado cuantitativamente por el calor específico, que es la cantidad de calor necesaria para incrementar la temperatura de de sustancia en 1°C. Así, el agua tiene un calor específico de mayor valor que el cobre.

El calor específico de un material es característico para cada sustancia y depende de su estructura interna. Como puede ser visto de la definición, el calor específico de una sustancia dada puede ser determinado mediante la entrega de una cantidad de calor conocida a una cantidad de masa determinada de la sustancia y con un apropiado registro del cambio en su temperatura. El propósito de este experimento es determinar el calor específico de un material en particular mediante los métodos de calorimetría.

OBJETIVO

Comprender y aplicar el concepto de calor especifico, equivalente mecánico de calor y entalpia de vaporización.

ACTIVIDADES

1) Determinar el calor específico de un metal.

2) Calcular el equivalente mecánico de calor

3) Calcular la entalpia.

4) Calcular la entalpia de vaporización

MATERIAL Y EQUIPO

| “Aplicaciones de Propiedades de la Materia” 1

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1 Parrilla eléctrica de 750W 1 Cronometro 1 Calorímetro (recipiente de aluminio) 2 Termómetros 1 Vaso de precipitado 250 ml 1 Vaso de precipitado 500 ml 1 Balanza Granataria 1 Multímetro 1 pesa de 1 Kg 1 pesa de ½ Kg 1 guante de asbesto 1 agitador de vidrio 1 cubo de metal Agua potable 1 cafetera opcional 1 una pinza de sujeción 1 una resistencia de inmersión

ASPECTOS TEORICOS

Calor específico (Ce) de una sustancia es igual a la capacidad calorífica de dicha sustancia entre su masa:

C e=Cm

El Calor específico de una sustancia se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado la temperatura de una masa unitaria de la sustancia.

Equivalente mecánico de calor

Es la conversión de la energía mecánica en térmica debido al calentamiento causado por la fricción de las moléculas.

Cambio de faseUn cambio de fase es cuando la materia pasa de un estado a otro, la fase de la materia depende de su temperatura y de la presión que se ejerce sobre ella. En los cambios de fases produce normalmente una transferencia de energía.

a) Evaporación: Cambia de fase de líquido a gas que se lleva a cabo en la superficie del líquido; este cambio de fase sucede en un proceso de calentamiento

b) Es la transformación de un gas a líquido; este cambio de fase sucede en un proceso de enfriamiento.

c) Ebullición: Es el cambio de fase que ocurre en cualquier región del líquido y se forman burbujas.


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Calor latente de vaporización

Es la cantidad de calor que se requiere para cambiar 1gr de líquido en ebullición a 1 gr de vapor, manteniendo constante la temperatura.

Calor sensibleEs aquel que al ser suministrado a una sustancia, esta eleva su temperatura sin llegarlo a cambiar de estado.

DESARROLLO

ACTIVIDAD I: CALOR ESPECÍFICO DE UN SOLIDO

Calibrar la balanza2. Medir la masa del calorímetro. Verter en el calorímetro aproximadamente 1/3 de agua fría, determinar su masa y su temperatura. Determinar la masa del metal. En un vaso de precipitados, verter aproximadamente 200ml de agua. Introducir el metal en el vaso de precipitados. Colocar el vaso en la parrilla. Conectar a la toma de corriente. Introducir el termómetro en el vaso para medir la temperatura de ebullición- (esta es considerada como la temperatura inicial del metal T1m). Una vez que le agua este hirviendo, con la pinzas sacar el trozo del metal e introducirlo en el calorímetro. Medir la temperatura máxima que alcanza el agua en el calorímetro (T2 H2O). (Esta es considerada como la temperatura que se alcanza en el equilibrio termodinámico entre el metal y el agua)

El calor específico se determina con un balance térmico:

U M+U H20=0


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Dónde:

U M=mMCeM (T 2M−T 1M )

U M=mH20CeH20(T 2H 20−T 1H 20)

Entonces:

mMCeM (T2M−T1M )+mH 20CeH 20 (T2 H20−T 1H 20 )=0

Por lo tanto: CeM=mH 20CeH 20(T2 H 20−T1 H20)

mM (T 2M−T 1M )

Nota: Ce es positivo, ya que TM1>T2H20.

ACTIVIDAD II: EQUIVALENTE MECANICO DE CALOR


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Realizar los cálculos necesarios para obtener el equivalente mecánico de la cantidad de calor utilizado en la práctica. Anotar los resultados en la tabla

ACTIVIDAD III: ENTALPIA DE EVAPORACION

1. Medir la resistencia de la resistencia de inmersión y el voltaje de línea. 2. Verter 1/3 de agua en el calorímetro o en la cafetera.3. Determinar la masa del agua, restándole la masa de la cafetera.4. Conectar la resistencia de inmersión a la toma de corriente5. Con el agitador de vidrio, mezclar continuamente para alcanzar una temperatura uniforme

dentro del calorímetro a la cafetera. 6. Esperar a que el agua alcance su temperatura de ebullición (92ºC aprox.). en ese momento,

cronometrar el tiempo un lapso de 5min, para que se consuma parte del agua.7. Desconectar la cafetera y colocarla en la balanza, medir la masa del agua que se evaporo,

(restando la masa inicial del agua fría con la masa final del agua caliente).

Para determinar el calor que se requiere para evaporar el agua, se usa el modelo:

QV=mV hV Dónde:QV : Calor de vaporización (Joule).mV : Masa de vaporización (gr).hV : Entalpia de vaporización (Joule/gr).

Potencia eléctrica de la resistencia:

P=V2

R(Watts)

Potencia calorífica suministrada al agua:


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P=Qt

(Watts)

Dónde:

P= potencia de la resistencia (watts).R=resistencia de la parrilla (Ω).V=voltaje de línea (volts).Q=calor (J).t = tiempo que tarda en evaporizarse la masa de agua (Seg).

Por lo tanto:

QV=(V 2R ) t ;hV=QVmV

TABLAS DE LECTURAS

ACTIVIDAD 1

Tabla 1: Datos Actividad 1.

Concepto Unidad LecturaCalorímetro gr 90Masa del agua gr 355Masa del metal gr 255.6Temperatura inicial del Agua (T1) °C 21Temperatura final del Agua (Tf) °C 31Temperatura inicial del Metal (Tm1) °C 92Temperatura final del Metal (Tm2) °C 31

ACTIVIDAD 2

Concepto Unidad LecturaResistencia de Inmersión Ohm 90Voltaje de Línea Volt 355Masa inicial del Agua (m1) gr. 255.6Masa final del Agua (m2) gr. 21Masa de vapor gr. 91Tiempo de Evaporización Seg. 300


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MEMORIA DE CÁLCULO

Calculo del calor específico del Metal:

CeM=mH 20CeH 20(T2 H 20−T1 H20)

mM (T 2M−T 1M )

CeM=355(1)(31−21)255.6 (31−91 )

CeM=0.2315calgr ° C

Calculo de la Energía absorbida por el agua:

U M=mH20CeH20(T 2H 20−T 1H 20)

U M=355(1)(31−21)

U M=3550cal

Calculo del Equivalente Mecánico:

1 caloría = 4.189 Joules

Por lo que:

U M=3550cal(4.189 Joulescal )=14870.95Joules

U M=14870.95J


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Calculo del Calor de Vaporización:

QV=(V 2R ) t

QV=( 132.4227 )(300 )=203701.8Joules

Calculo de la entalpia de Vaporización

hV=203701.8 Joules

91gr=2238.5 Joules

gr

hV=2238.5Jgr

TABLAS DE RESULTADOS

Tabla 1. Calor especifico del metal.

Concepto Unidades

KJ/Kg°K Cal/gr°C BTU/Lb°F

Ce Metal 0.9697 0.2315 0.4166

Tabla 2. Equivalente Mecánico del calor de la energía absorbida por el agua.

Concepto Unidades

Joules Caloría BTU

Equivalente Mecánico del calor

14870.5 3550 14.09


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Tabla 3. Resultados calor de vaporización y entalpia de vaporización.

Concepto Unidades

Joule Caloría BTU

Calor de Vaporización 203701.8 48627.8 193

Entalpia de Evaporización

J/gr Cal/gr BTU/lb

2238.5 534.4 2.12

CUESTIONARIO FINAL

1) Explicar los estados de la materia y sus cambios, investigar qué tipo de calor manejan.

Se observa que, para cualquier sustancia o elemento material, modificando sus condiciones de temperatura o presión, pueden obtenerse distintos estados o fases, denominados estados de agregación de la materia, en relación con las fuerzas de unión de las partículas (moléculas, átomos o iones) que la constituyen.Todos los estados de agregación poseen propiedades y características diferentes, los más conocidos y observables cotidianamente son cuatro, las llamadas fases sólida, líquida, gaseosa y plasmática. Otros estados son posibles, pero no se produce de forma natural en nuestro entorno por ejemplo: Einstein, condensado y las estrellas de neutrones. Otros estados, como plasmas de quark-gluón, se cree que son posibles.


http://es.wikipedia.org/wiki/Plasma_(estado_de_la_materia)

http://es.wikipedia.org/wiki/Gas

http://es.wiktionary.org/wiki/cotidiano

http://es.wikipedia.org/wiki/Enlace_qu%C3%ADmico

http://es.wikipedia.org/wiki/Enlace_qu%C3%ADmico

http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura

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.En los estados se manejan el tipo de “Calor Latente” y el “Calor Sensible”.

2) Demostrar mediante la primera ley de la termodinámica la relación entre los calores específicos y la constante particular de los gases.

CALOR ESPECÍFICO DE UN GAS IDEAL

La ecuación estado para un gas ideal es

(69)

Donde es el número de moles del gas en el volumen . El comportamiento del gas ideal representa una aproximación extremadamente buena al comportamiento de gases verdaderos para una amplia variedad de usos. Sin embargo, se debe tener en mente, que describir una sustancia como un gas ideal constituye un modelo de la situación física real, y que los límites de la validez del modelo deben estar siempre presentes.

Uno de los aspectos importantes de un gas ideal es que su energía interna depende solamente de su temperatura. (Par ahora, esto se puede contemplar como otro aspecto del modelaje de sistemas reales que el gas ideal representa, pero se puede demostrar que ésta es una consecuencia de la forma de la ecuación estado.) Ya que depende solamente de de la ecuación:


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Podemos escribir

(70)

O bien

(71)

Donde indica que el calor específico a volumen constante es sólo función de la temperatura.

3) ¿Por qué causa más daño una quemadura con vapor de agua que una quemadura con agua hirviendo?

R= Porque el agua hirviendo alcanza una temperatura máxima de 100°C mientras que el vapor de agua su temperatura es mayor ya que este es calor latente y este es mayor de 100°C por lo que puede ser más dañino.

4) ¿Qué significa afirmar que un material tiene una capacidad calorífica grande o pequeña?

R= Al decir que tiene capacidad calorífica grande, quiere decir que puede adquirir grandes cantidades de calor rápidamente y si es pequeña no absorbe mucho calor.

5) ¿Por qué los lagos y estanques se congelan de arriba hacia abajo y no de abajo hacia arriba?

R= La temperatura de congelación del agua disminuye con el aumento de la presión. En la superficie el agua tiene la presión atmosférica, a medida que de desciende bajo el agua se suma la presión del agua que está por encima, por lo que bajo el agua llega un momento en que no se congela más debido a la presión.

6) Investigar tres formas de transmisión de calor.


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Por conducción entre cuerpo sólidos en contacto

Por convección en fluidos (líquidos o gases) Por radiación

7) ¿Determinar el error porcentual, relativo y absoluto del calor específico del calorímetro de aluminio?

Error (%)=0.2120−0.23150.2120

(x 100% )=9.2% ;

Error (%)=9.2%

Error|valor teortico−valor calculado|

valor teorico;

Error|¿|0.2120−0.23150.2120

=0.092 ;

Error|¿|0.092

Erro r Relativo=Valor calculadoValor Terorico

Error Relativo=0.23150.2120

=1.092

Error Relativo=1.092


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8) ¿Qué tipos de errores se cometieron al efectuar la práctica, y como podrías evitarlos?

R= Se cometieron errores de Medicion y probablemente de calibración, los errores de Medicion no se pueden evitar pero sin embargo se puede hacerlo de la mejor manera posible para obtener una buena medicion, y para poder evitar los errores de calibración se podría comprar equipo nuevo de buena calidad, y calibrarlos de una manera correcta, cambiando el equipo viejo por nuevo.

CONCLUSIONES

Se determinó el calor especifico de un calorímetro de aluminio el cual nos dio un valor muy cercano al real, con un error muy bajo, lo que implica que la práctica y los cálculos se realizaron de una manera correcta, obteniendo mediciones precisas y buen uso del equipo del laboratorio, también se comprendió el concepto de equivalente mecánica el cual estipula que 1 calorías = 4.189 Joules. Finalmente por medio de una resistencia eléctrica de inmersión la cual permitió aplicar calor a una cantidad determinada de agua, pudimos obtener la entalpia de evaporización de una cantidad determinada de agua, comprobando la definición de entalpia, la cual fue determinada por medio del calor suministrado por la resistencia y la cantidad de agua que se evaporo.

BIBLIOGRAFÍA

M i c h a e l J. M o r a n Fundamentals of Engineering Thermodynamics

Thermodynamics Cendel 7th edition

Tippens ”Física Conceptos y Aplicaciones, sexta edición Mc Graw Hill


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Manrique “Termodinámica”, Tercera Edición, Editorial Alfaomega

Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:


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