Calor Específico de un Solido

UNIVERSIDAD DE LA COSTADEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS

ÁREA DE LABORATORIO DE FÍSICA CALOR - ONDAS

FACULTAD DE INGENIERÍA

PRACTICA EXPERIMENTAL DETERMINACION DEL CALOR ESPECÍFICO DE UN SOLIDO

Frank De La Victoria1, Manuel Mercado1, Leonardo Cabarcas1, Edgar David Martinez2

1Ingeniería Electrónica, 2Ingeniería Eléctrica.Laboratorio de Física calor - ondas Grupo: ENL

ESTRUCTURA MARCO TEÓRICO CÁLCULOS ANÁLISIS CONCLUSIONES DEF

ResumenEn el transcurso de la física han afirmado muchos conceptos, uno de ellos es cuando dos o más cuerpos que tienen distintas temperaturas se ponen en contacto térmico se observa que, al cabo de cierto tiempo, todos ellos tienen la misma temperatura. En el presente laboratorio de física Calor-Ondas se determinó la determinación del calor especifico de un solido tomando como herramienta dos elementos sólidos para saber que material son, y vertiéndolo en el calorímetro sistema compuesto por un vaso de aluminio con una masa determinada y agua con una temperatura y una masa inicial determinada en un recipiente y con una tapa que actúan como aislante térmicos. Luego colocamos una cierta cantidad de agua hirviendo a una temperatura aproximadamente de 80°C. Sacamos del calorímetro el vaso de aluminio y lo pesamos le agregamos agua suficiente y luego lo pesamos aproximadamente 150cm de agua medimos entonces la temperatura del agua en el calorímetro. Luego levantamos el sólido de la cuerda que está en el recipiente con agua hirviendo introducimos el sólido rápidamente dentro del calorímetro. Tapamos el calorímetro e introducimos el termómetro para medir el cambio de temperatura desde la inicial hasta un punto de equilibrio térmico observamos cual fue la temperatura máxima registrada por el termómetro y repetimos todo el procedimiento hasta completar los 3 sólidos y lo anotamos en la tabla de datos.

Palabras claves: Temperatura, Solido, Aislante térmico, Cambio, Equilibrio

AbstractIn the course of physics they have claimed many concepts, one of them is when two or more bodies that have different temperatures in thermal contact is observed that, after some time, they all have the same temperature. The determination of heat was determined in the present physics lab Calor-Ondas a solid specific taking as a tool two solid elements and pouring it in the calorimeter system consisting of a glass of aluminum with a given mass and water with a temperature and an initial mass determined in a container and a lid that act as thermal insulation. Then we put a certain amount of water boiling at a temperature of approximately 80 ° C. We get the aluminium Cup calorimeter and weigh it add enough water and then we weighed it approximately 150 cm of water then measure the temperature of the water in the calorimeter. Then we raise the solid of the string that is in the container with boiling water we introduce solid rapidly within the calorimeter. Cover the calorimeter and introduce the thermometer to measure the temperature change from the initial to a point of thermal equilibrium observed which was the maximum temperature registered by the thermometer and repeat the entire procedure until 3 solids we note in the data table.

Keywords: Temperature, Solid, Thermal insulation, Change, Balance

1. IntroducciónEn el presente informe de laboratorio de física Calor-ondas, se expondrá detalladamente la determinación del calor especifico de un sólido se calculara los equilibrios equivalente en agua del calorímetro y se darán los conceptos y análisis respectivos. El calor específico es una propiedad intensiva de la materia, por lo que es

representativo de cada materia; por el contrario, la capacidad calorífica es una propiedad extensiva representativa de cada cuerpo o sistema particular. Cuanto mayor es el calor específico de las sustancias, más energía calorífica se necesita para incrementar la temperatura. Por ejemplo, se requiere ocho veces más energía para incrementar la temperatura de

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un lingote de magnesio que para un lingote de plomo de la misma masa.

El término "calor específico" tiene su origen en el trabajo del físico Joseph Black, quien realizó variadas medidas calorimétricas y usó la frase “capacidad para el calor”. En esa época la mecánica y la termodinámica se consideraban ciencias independientes, por lo que actualmente el término podría parecer inapropiado; tal vez un mejor nombre podría ser transferencia de energía calorífica específica, pero el término está demasiado arraigado para ser reemplazado.

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.

Varias sustancias a diferentes temperaturas se ponen en contacto térmico, las sustancias calientes entregan calor a las sustancias frías hasta que todas las sustancias alcanzan una temperatura de equilibrio común. Si el sistema está aislado de manera que no pueda intercambiar calor con sus alrededores, por conservación de energía, la cantidad de calor que pierden las sustancias calientes es la misma que ganan las sustancias frías.

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.El calor específico es la cantidad de calor que se requiere para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de ella. En el Sistema Internacional de Unidades el calor específico se expresa en julios por kilogramo kelvin, cuya

notación es:(PIC) Por lo mencionado se entiende que el calor específico es dependiente de la temperatura; sin embargo para el propósito de muchos cálculos térmicos, estas variaciones son pequeñas y se usa un valor medio del calor específico para el rango de la temperatura considerado En el conjunto de procesos de calentamiento o enfriamiento, la cantidad de calor (energía) Q suministrada o eliminada viene dada por: Q = masa x calor específico x incremento de temperatura = M C ∆T (J o kcal o Btu)

El método de las mezclas se supone un medio adiabático, o sea que en el calorímetro no entra ni sale calor, es decir, el calor perdido por el sólido es igual al calor ganado por el calorímetro y su contenido. Si en un calorímetro que contiene agua, de masa m, a una temperatura T1, en equilibrio, se vierte una cierta cantidad de algún sólido de masa M y calor específico ceque se encuentra a una temperatura T2 en el instante de realizar la mezcla, se cumple: − Q cedido = Q ganado

Al producirse la mezcla, el material que está a mayor temperatura va a ceder calor, mientras que los materiales que están a menor temperatura absorberán calor.

2. Fundamentos Teóricos

2.1. Caloría

La caloría se define como la cantidad de calor necesario para aumentar en 1 °C y a la presión de una atmósfera (1 atm), la temperatura de un gramo de agua destilada, en el intervalo de 14,5 °C a 15,5 °C.8 Es decir, tiene una definición basada en el calor específico. Hay que hacer notar que la caloría no está reconocida en el Sistema Internacional, de modo que en muchos países está prohibido su uso en cualquier documento público o privado,9 por lo que no es aconsejable su uso porque en cualquier litigio que pudiera haber, decidiría la balanza en contra del que la utilice.

2.2. 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

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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·ΔTCuando 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 temperatura hasta que ambas temperaturas se igualan.

*Cantidad de Calor: es la energía que gana (Q>0) o pierde (Q<0) un cuerpo del sistema en el que está sumergido debido al cambio de su temperatura inicial. Sus unidades son las Calorías y viene representado por la fórmula.

*Calor absorbido: es el calor que un cuerpo adquiere de otro y la cantidad que absorbe va a depender de la temperatura inicial que éste tenga.

*Calor cedido: es el calor que cede un cuerpo o masa a otro cuerpo o masa que depende de la temperatura de su temperatura inicial.

*Equilibrio térmico: es cuando dos o más cuerpos se encuentran a la misma temperatura.

2.3. Factores que afectan el calor específico

*Gases de libertad: El comportamiento termodinámico de las moléculas de los gases monoatómicos, como el helio y de los gases diatómicos, como el hidrógeno es muy diferente. En los gases monoatómicos, la energía interna corresponde únicamente a movimientos de traslación. Los movimientos traslacionales son movimientos de cuerpo completo en un espacio tridimensional en el que las partículas se mueven e intercambian energía en colisiones en forma similar a como lo harían pelotas de goma encerradas en un recipiente que se agitaran con fuerza. Estos movimientos simples en los ejes dimensionales X, Y, y Z implican que los gases monoatómicos solo tienen tres grados de libertad traslacionales. Las moléculas con mayor atomicidad, en cambio tienen varios grados de libertad internos, rotacionales y vibraciones, adicionales ya que son objetos complejos. Se comportan como una población de átomos que pueden moverse dentro de una molécula de

distintas formas (ver la animación a la derecha). La energía interna se almacena en estos movimientos internos. Por ejemplo, el Nitrógeno, que es una molécula diatómica, tiene cinco grados de libertad disponibles: los tres traslacionales más dos rotacionales de libertad interna.

*Masa molar: Una consecuencia de este fenómeno es que, cuando se mide el calor específico en términos molares la diferencia entre sustancias se hace menos acusada, y el calor específico del hidrógeno deja de ser atípico. Del mismo modo, las sustancias moleculares (que también absorben calor en sus grados internos de libertad), pueden almacenar grandes cantidades de energía por mol si se trata de moléculas grandes y complejas, y en consecuencia su calor específico medido en términos másicos es menos notable.

Ya que la densidad media de un elemento químico está fuertemente relacionada con su masa molar, en términos generales existe una fuerte correlación inversa entre la densidad del sólido y su cp (calor específico a presión constante medido en términos másicos). Grandes lingotes de sólidos de baja densidad tienden a absorber más calor que un lingote pequeño de un sólido de la misma masa pero de mayor densidad ya que el primero por lo general contiene más átomos.

*Impurezas: En el caso de las aleaciones, hay ciertas condiciones en las cuales pequeñas impurezas pueden alterar en gran medida el calor específico medido. Las aleaciones pueden mostrar una marcada diferencia en su comportamiento incluso si la impureza en cuestión es uno de los elementos que forman la aleación; por ejemplo, las impurezas en aleaciones semiconductoras ferromagnéticas pueden llevar a mediciones muy diferentes, tal como predijeron por primera vez White y Hogan.

2.4. Medición del calor especifico de un solido

Para determinar el calor específico de una muestra solida se utiliza el método de las mezclas, el cual consiste en el equilibrio y conservación de la energía puesto que si se mezclan dos cuerpos de distinta temperatura, se tendrá que el calor que cede un cuerpo es igual al calor que gana el otro cuerpo.

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Una muestra de solido en la forma de gránulos finamente divididos, se calienta en un recipiente de metal cerca del punto de ebullición del agua, los gránulos calientes son puestos rápidamente dentro de un calorímetro, que contiene una masa conocida de agua fresca. A partir de las masas conocidas y de elevación de la temperatura del agua y de la mezcla se puede calcular el calor específico del sólido.

2.5. 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

2.6. La Temperatura

La Temperatura es una propiedad de la materia que está relacionada con la sensación de calor o frío que se siente en contacto con ella. Cuando tocamos un cuerpo que está a menos temperatura que el nuestro sentimos una sensación de frío, y al revés de calor. Sin embargo, aunque tengan una estrecha relación, no debemos confundir la temperatura con el calor. Se relaciona con la actividad cinética de las moléculas mientras que la dilatación y los cambios de fase de las sustancia se relaciona más con la energía potencial.El instrumento utilizado habitualmente para medir la temperatura es el termómetro. Los termómetros de líquido encerrado en vidrio son los más populares; se basan en la propiedad que tiene el mercurio, y otras sustancias alcohol coloreado, etc. de dilatarse cuando aumenta la temperatura

3. Desarrollo experimental

3.1. Instrumentos y herramientas a utilizar:

1. Balanza2. Calorímetro3. Mechero4. Beaker o Vaso de Precipitación5. Termómetro de Hg de -100C a + 1100C6. Agua 7. Bronce8. Hierro9. Aluminio

Figura 1. La Balanza nos ayudó a determinar la masa (gr) de los objetos a estudiar.

Figura 2. El calorímetro es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos.

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Figura 3. El termómetro nos facilitó la medición de la Temperatura durante el proceso de la práctica experimental.

Se recepción la información suministrada por el tutor para la práctica experimental del laboratorio, adicionalmente se conocieron y se identificaron los instrumentos y las herramientas que se van a utilizar en la práctica; posteriormente se organizó y se establecieron los procedimientos como se debe trabajar. Durante las etapas del experimento se identificaron y evaluaron las variables que se encuentran en el proceso y los instrumentos que no servirán de soporte para determinar las medidas.

Figura 4. El Calorímetro de Joule nos sirve para aumentar la temperatura del líquido mediante el suministro de calor (llama) a un determinado recipiente capaz de soportar temperatura a alcanzar.

3.2. Procedimientos

Paso 1. Identificar las herramientas y equipos de trabajo y posteriormente captar la información suministrada por el tutor para realizar la practica experimental.

Paso 2. Mediante la balanza calculamos la masa del sólido.

Paso 3.

Mediante el beaker o vaso de precipitación tomar el agua que va ser utilizada en la práctica, y colocamos dentro el solido

Paso 4.Nos dirigimos a calentar agua aproximadamente de 80ºC.

Paso 5.Suministramos 150 gr de agua y procedemos a bajar su temperatura hasta 18ºC, para suministrarlo en el calorímetro.

Paso 6.Luego levantamos el sólido que está en el recipiente hirviendo con agua. Y rápidamente lo suministramos en el calorímetro.

Paso 7.Posteriormente agitamos el calorímetro con su respectivo agitador.

Paso 8.Insertamos el termómetro después de a ver mezclado/agitado las masas y medimos su temperatura (Temperatura de Equilibrio), posteriormente anotamos los datos en la respectiva tabla.

Paso 9.Realizamos posteriormente dos ensayos.

Paso 10.Formulamos los datos obtenidos en la tabla

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4. Datos obtenidos del laboratorio.

Durante el proceso de la práctica experimental de la determinación del calor específico de un sólido, se evaluaron las tareas y se registraron los datos respectivos, por lo tanto se procedió a determinar los resultados de las masas y las temperaturas de los sólidos para mediante los cálculos determinar el calor específico de cada uno de ellos

Mediante la balanza se hizo la medición de la masa (gr) (Ma) del agua en el calorímetro y tuvimos como resultado

Ma= 150 gr

NOTA: Esta medida (Ma) fue constante para cada uno de los ensayos.

Posteriormente se elaboraron las mediciones de los respectivos solidos mediante la balanza y son el equivalente a:

Solido 1 = 95 gr

Solido 2 = 44.5 gr

Cada una de las siguientes tablas representa los datos medidos durante los ensayos elaborados en la práctica experimental para cada uno de los sólidos.

Tabla 1. Datos obtenidos en la experiencia con el primer sólido.

Tabla 2. Datos obtenidos en la experiencia con el segundo sólido.

Realizamos un ensayo para determinar el equivalente en agua del calorímetro, y se obtuvieron los datos mencionados en la tabla siguiente

Tabla 4. Datos para calcular las contaste del calorímetro.

4. Cálculos y análisis de resultados

Nota: Mediante la siguiente ecuación determinaremos la constante del equivalente en el calorímetro con los datos anteriormente mencionados (Tabla 4)

K = Mc (Tc – Te) - Ma

Te – Tf

Constante del Calorímetro:

K = Mc (Tc – Te) - Ma

Te – Tf

K = 100gr (50ºC – 38ºC) - 100gr 38ºC – 30ºC

K = 50 gr

Proseguimos a calcular el calor específico en cada una de los ensayos elaborados para cada sólido, utilizando la siguiente ecuación.

Cx = - (ma+k) (Te – T1) mx (Te – Tx)

Ensayos con el primer sólido.

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Solido 1 Ensayo 1 Ensayo 2Ma (gr) 150 150T1(°C) 18 18Tx (°C) 80 80Te (°C) 21.5 22.5Mx (gr) 95 95

Solido 2 Ensayo 1 Ensayo 2Ma (gr) 150 150T1(°C) 18 18Tx (°C) 80 80Te (°C) 19 20Mx (gr) 44.5 44.5

Ensayos Ensayo

Magua fría (gr) 100

Magua caliente (gr) 100

Temp. fría (ºC) 30º

Temp. Caliente (ºC) 50º

Temp. Equilibrio (ºC) 38º




Ensayo 1

Cx = - (150gr+50gr) (20.5°c –18°c) 95gr (20.5°c – 80°c)

Cx = 0,075

Ensayo 2

Cx = - (150gr+50gr) (21°c –18°c) 95gr (21°c – 80°c)Cx = 0,090

Promedio Cx para el primer solido = 0,082 cal/g.°c

Ensayos con el segundo sólido.

Ensayo 1

Cx = - (150gr+50gr) (19°c –18°c) 44.5gr (19°c – 80°c)Cx= 0,073

Ensayo 2

Cx = - (150gr+50gr) (20°c –18°c) 44.5gr (20°c – 80°c)Cx= 0,149

Promedio Cx para el segundo solido = 0,11 cal/g.°c

4.1. Comparación de resultados de la práctica experimental con el dato teórico.

Dato Teórico.El calor específico de los sólidos utilizados teóricamente son:

Materiales Cal/g.°cBronce 0.086Hierro 0.11

T

Datos Experimentales.

Ensayo Bronce = 0.082 cal/g°cEnsayo Hierro = 0.11 cal/g°c

Error Absoluto (Bronce) = Val Obs – Val Real

0,082cal/g°c –0,086 cal/g°c = 0,004 cal/g°c

Error Absoluto (Hiero) = Val Obs – Val Real

0,11 cal/g°c – 0,11 cal/°c = 0 cal/g°c

Error Porcentual del Bronce

E%= Valor Real – Valor Observado x 100 Valor Observado

E%3= 0,086cal/g°c – 0,082cal/g°c x 100 0,082 cal/g°C

E%= 4,8 % de error

Error Porcentual del Hierro

E%= 0,11cal/g°c – 0,11cal/g°c x 100 0,11 cal/g°c

E%= 0 % de error

4.2. Análisis

De acuerdo con los distintos ensayos elaborados en la práctica experimental en el laboratorio de Calor – Ondas sobre el calor especifico de los sólidos notamos que el método utilizado está basado en el hecho de que en un recinto adiabático, como lo es el calorímetro, si dos cuerpos se encuentran a temperaturas diferentes el sistema evoluciona hasta que estas se igualan, de manera que el calor absorbido por uno de ellos es siempre igual al cedido por el otro

Qganado + Qperdido= 0

Distintas sustancias tienen diferentes capacidades para almacenar energía interna al igual que para

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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.

También lo notamos en los distintos errores ya que su causa es la 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.

5. Conclusión

Durante el desarrollo de la práctica experimental de la determinación de calor especifico de un sólido se analizó y pudo comprobar que el calor específico para cada tipo de material no es igual para todos, ya que es una magnitud que depende esencialmente de las propiedades internas de cada sustancia ya que ello determina su dificultad o facilidad para aumentar de temperatura debido al calor al cuál estén sometidos. Si una sustancia tiene un calor específico relativamente grande, significa que necesita absorber más calor para elevar su temperatura, en cambio sí una sustancia tiene un

calor específico relativamente pequeño, necesita de menos calor para poder elevar su temperatura representando así una facilidad para aumentar su temperatura, no así para la sustancia de calor específico mayor, el cuál necesitaría absorber más calor para elevar su temperatura la misma magnitud que la sustancia de menor calor específico. Si disminuyo la temperatura inicial de un cuerpo y aplico la fórmula Q=cmΔT, obtendré una cantidad de calor negativo, lo que significa que la sustancia perdió o entregó una cantidad de calor al sistema en el cual se encuentra, no así un aumento de temperatura que me dará un valor positivo de calor, lo que significa que la sustancia ganó o absorbió una cantidad de calor del sistema donde se encuentra.

6. Bibliografia

1 Raymond A., Serway; Jewet, John W. (2003). «Calor específico». Física 1

2 SERWAY, Raymond A. Física, Cuarta Edición. Editorial McGraw-Hill, 1996.

3. www.monografias.com/trabajos35/calor-especifico/calor-especifico.shtml

4. www.buenastareas.com/materias/informe-de-laboratorio-de-fisica-calor-especifico-de-solidos.

8

http://www.monografias.com/trabajos15/medio-ambiente-venezuela/medio-ambiente-venezuela.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/medio-ambiente-venezuela/medio-ambiente-venezuela.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/kinesiologia-biomecanica/kinesiologia-biomecanica.shtml

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