Experiencia 7

LABORATORIO DE FISICA II: CAPACIDAD CALORIFICA

INTRODUCCION

La capacidad calorífica de un cuerpo es la razón de la cantidad de calor que se le cede a

dicho cuerpo en una transformación cualquiera con la correspondiente variación de

temperatura. El cálculo de las variaciones de energía, necesarias en la realización de

balances en operaciones unitarias requiere de un método que sea fácil y general.

Esto se consigue con el uso de una propiedad termodinámica conocida como

capacidad calorífica

La capacidad calorífica depende de la masa del cuerpo, de su composición química, de

su estado termodinámico y del tipo de transformación durante la cual se le cede calor.

El estudio que se hará en este informe se refiere a esta propiedad, a la forma como se

expresa y se calcula

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OBJETIVOS

Determinar el calor específico de una sustancia material.

Reconocer al calor como otra forma de manifestación de la energía.

Estudiar y cuantificar el calor cedido o absorbido por una sustancia material

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MATERIALES

Xplorer GLX y su cargador

sensor detemperatura

Termómetro de110°C

Balanza dePrecisión 0.1 g

Cocina eléctrica Cuerpos dealuminio y cobre

Cuerpo de plomo Vaso pírex Soporte universalcon pinza y nuez

Vaso descartable(de polietileno)

Hilos de coser Calculadora científica

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FUNDAMENTO TEORICO

CAPACIDAD CALORÍFICA

La capacidad calorífica de un cuerpo, es la cantidad de calor, Q, que dicho cuerpo absorbe cuando su temperatura aumenta un grado (o la que cede al disminuir su temperatura un grado).

La Capacidad Calorífica © de una sustancia es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como un efecto de Inercia Térmica.

Está dada por la ecuación:

Donde: C es la capacidad calorífica, Q es el calor y T la variación de temperatura.

Se mide en joules por kelvin (unidades del SI).

La capacidad calorífica © va variando según la sustancia.

Su relación con el calor específico es:

En donde “ce” es el calor específico, y “m” la masa de la sustancia considerada.

Igualando ambas ecuaciones, procedamos a analizar:

Q/T = c * m

De donde obtenemos

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C= Qt2−t 1

C=ce∗m

Q=m∗ce∗(t2−t1)


De aquí es fácil inferir que aumentando la masa de una sustancia, aumentamos su capacidad calorífica, y con ello aumenta la dificultad de la sustancia para variar su temperatura. Un ejemplo de esto se puede apreciar en las ciudades costeras donde el mar actúa como un gran termostato regulando las variaciones de temperatura.

CALOR ESPECÍFICO

El calor específico o capacidad calorífica específica, c, de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para aumentar su temperatura en una unidad por unidad de masa, sin cambio de estado:

En donde c es el calor específico, Q es la cantidad de calor, m la masa y ΔT la diferencia entre las temperaturas inicial y final.

Su unidad en el sistema SI es el julio por kilogramo y kelvin, cuya notación es J/ (kg*K). También se usa bastante las unidad del sistema técnico, la kilocaloría por kilogramo y grado Celsius y su notación es: Kcal/kgºC.

También existe la capacidad calorífica molar que se relaciona con el calor específico de donde se deduce una fórmula para el calor intercambiado dependiente del número de moles (n) en vez de la masa (m).

Su unidad en SI es el joule por mol y kelvin, cuya notación es J/(mol*K)

Consideremos una porción de agua (de masa m) contenida en un vaso descartable de masa despreciable a temperatura de ambiente Tc y se echa dentro del vaso un cuerpo caliente a la temperatura Th este cuerpo es de masa M y de calor especifico desconocido e igual a Cx. El sistema evoluciona hasta alcanzar el equilibrio térmico, es decir hasta que tenga la misma temperatura Te. Por lo tanto se cumple

∆Qg=−∆Q p→Cam (T e−Tc )=−C xM (T e−T h)

Despejando los términos correspondientes, se obtiene el calor específico desconocido. En función de las otras cantidades que son medibles en el laboratorio. Esto es

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C x=Cam (T e−Tc )M (Th−Te )


PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Enchufe el cargador del Xplorer al tomacorriente, luego conecte el cable al Xplorer. Espere que cargue automáticamente. Luego conecte el sensor de temperatura al Xplorer y espere que cargue en la pantalla.

2. Mida la masa de los tres cuerpos metálicos de la naftalina. Anote el valor en la hoja de reporte. Luego amarre un hilo a cada cuerpo, para poder colgarlo.

3. Lejos del Xplorer, enchufe la cocina y ponga a calentar simultáneamente los cuerpos metálicos colgados de la pinza en el soporte universal. También cuelgue el termómetro para medir la temperatura.

4. Coloque aproximadamente 50g de agua fría en el vaso descartable, mida su temperatura con el Xplorer y deje el sensor de temperatura. Anote los calores en la hoja de reporte.

5. Deje calentar hasta los 100 ° C el agua con los cuerpos metálicos, y luego colóquelos en el vaso descartable con agua, coloque la tapa de plástico y presiones la tecla Play del Xplorer, para iniciar la toma de lectura de la temperatura.

6. Observe la pantalla del Xplorer y cuando la temperatura llegue a un valor constante (temperatura de equilibrio) presione la tecla Play para detener la lectura de datos. Anote la temperatura de equilibrio en la hoja de reporte.

7. Use la ecuación N° 2 para calcular el calor específico de cada uno de los metales.

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DATOS Y ANALISIS

Cuerpo Masa(g) Th(° C) Tc(° C) Te(° C)Ce(

Jg . ° C

)Masa de agua (g)

Aluminio 30.7 99 24.4 32.5 0.833 50.2


Jg . ° C

)Masa de agua (g)

Cobre 45.7 98 24.4 29.5 0.3423 50.2


Jg . ° C

)Masa de agua (g)

Plomo 189.6 99 23.6 29.8 0.0996 50.4

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CONCLUSIONES

Se calculo la capacidad calorífica de los metales :Aluminio , Cobre, Plomo.,

mediante la experimentación con agua caliente y agua fría, tomando la masa y

las temperaturas de las mismas, a demás la temperatura de equilibrio, y se da

la ley de conservación de energía

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.

La temperatura de equilibrio se da cuando es constante en el Xplorer GLX.

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http://www.monografias.com/trabajos34/el-trabajo/el-trabajo.shtml

http://www.monografias.com/trabajos36/conservacion-energia-mecanica/conservacion-energia-mecanica.shtml


RECOMENDACIONES

Mantener una determinada distancia de la cocina eléctrica, ya que pude

producir cualquier quemadura en los compañeros de laboratorio

El metal debe estar totalmente sumergido en el agua que se encuentra en el

vaso precipitado.

Estar mirando en forma paralela el termómetro. Para no alterar las medidas de

temperatura

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CUESTIONARIO

1. Con los datos experimentales determinados, calcular el calor específico para cada uno de los cuerpos usados en la experiencia.

CUERPO MASA DEL CUERPO (g)

MASA DE AGUA (g)

TH TC Te

ALUMINIO 30.7 50.2 99 24.4 32.5COBRE 45.7 50.2 98 24.4 29.5PLOMO 189.6 50.4 99 23.6 29.8

Calculando los calores específicos para cada uno de los cuerpos:

Cealuminio=

Ceaguamagua (T e−T c)mmetal (T h−T e )

=(1 calg .K )(50.2 g ) (32.5−24.4 )° C

(30.7g ) (99−32.5 ) °C

¿0.199 calg . K

≠0.833 Jg .K

Cecobre=

Ceaguamagua(Te−T c )mmetal (T h−T e)

=(1 calg . K ) (50.2g ) (29.5−24.4 ) °C

(45.7 g ) (98−29.5 ) °C

¿0.0818 calg . K

≠0.3423 Jg .K

Ceplomo=Ceaguamagua (T e−Tc )mmetal (T h−T e )

=(1 calg . K ) (50.4 g ) (29.8 –23.6 )° C

(45.7 g ) (98−29.5 ) °C

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¿0.0238 calg . K

≠0.0996 Jg .K

2. Determine la diferencia porcentual del calor específico experimental y de los valores que hay en la literatura para cada uno de los cuerpos utilizados.

CUERPO Cereal (Jg . K

) Ce experimental (Jg . K

)

ALUMINIO 0.900 0.800COBRE 0.385 0.3423PLOMO 0.130 0.0996

Calculando las diferencias porcentuales:

Aluminio: (0.900−0.800 ) x100%=10%

Cobre: (0.385 – 0.3423 ) x 100%=4.27%

Plomo: (0.130−0.0996 ) x100%=3.4%

3. ¿cuál será la ecuación para calcular el calor específico del cuerpo, pero sin despreciar la masa del vaso descartable?

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Magua=m

Mvaso=Mv

T=Tc

Ce=Ca

Te Mcuerpo=M

T=Th

Ce=Cx


EntoncesCa∗m (Te−Tc )+CeMv (Te−Tc )=CxM (Th−Te)

Ecuación para calcular el calor especifico de un cuerpo pero sin despreciar la masa del vaso descartable

Cx=Ca∗m (Te−Tc )+CeMv (Te−Tc )

M (Th−Te)

4. calcule y compare el calor cedido por cada cuerpo usado en la experiencia y el calor absorbido por el agua cuando alcanzaron el equilibrio térmico

Para calcular el calor que genera cada cuerpo usamos la formula

Q=m∗C e∗(T 2−T 1)

Los datos los iremos reemplazando con ayuda de la tabla 1

Cuerpo Masa(g) Th(° C) Tc(° C) Te(° C) Ce(J

g . ° C) Masa

de agua (g)

Aluminio 30.7 99 24.4 32.5 0.833 50.2Cobre 45.7 98 24.4 29.5 0.3423 50.2Plomo 189.6 99 23.6 29.8 0.0996 50.4

Para el aluminio

Q=30.7∗0.833∗(99−32.5)

Q=1.7 kJ

Para el gua que le correspondió al aluminio

Q=50.2∗1∗(24.4−32.5 )∗4.18

Q=−1.699kJ

Para el cobre

Q=45.7∗0.3423∗(98−29.5)

Q=1.07KJ


Q=50.2∗1∗(24.4−29.5 )∗4.18

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Q=−1.07kJ

Para el plomo

Q=189.6∗0.0996∗(99−29.8)

Q=1.30KJ


Q=50.4∗1∗(23.6−29.8 )∗4.18

Q=−1.30kJ

Después de analizar los datos obtenidos llegamos a la conclusión de que el calor cedido por el cuerpo y el calor absorbido por el agua son numéricamente iguales pero opuestos en signos.

Q=50.2∗1∗¿

5. Explique el experimento sobre la equivalencia del calor y la energía mecánica de James Prescott Joule

Correspondió no obstante al científico británico James Prescott Joule (1818-1889) realizar las estimaciones cuantitativas precisas del equivalente mecánico del calor esto es entre el trabajo mecánico realizado y el calor producido. Joule demostró que la aparición o desaparición de una cantidad dada de calor va siempre acompañada de la desaparición o aparición de una cantidad equivalente de energía mecánica. A través de la realización de una serie de experimentos comprobó que siempre que sobre un sistema se realizaba la misma cantidad trabajo fuera este de origen mecánico, eléctrico o químico se obtenía la misma cantidad de calor, sentando así las bases para la compresión moderna del calor y del trabajo como formas de transferencia de energía y la determinación cuantitativa de la equivalencia entre ellas.

El experimento clásico de Joule fue diseñado para determinar la cantidad de trabajo que se requiere para producir una determinada cantidad de calor, es decir la cantidad de trabajo que es necesario realizar para elevar la temperatura de 1 gramo (g) de agua en 1 grado Celsius ( ºC). El instrumento de Joule consistía de un recipiente con agua (el sistema), en el que estaba sumergido un agitador de unas paletas giratorias cuyo giro

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estaba accionado por un mecanismo que dependía de la bajada de un peso. El agua estaba en un contenedor de paredes adiabáticas (paredes que no permiten el paso del calor), de forma que los alrededores (ambiente) no pudiera influir en la temperatura por conducción de calor. Las pesas caían a velocidad constante, y al caer permiten que al agitador diera vueltas dentro del agua, esto es se producía trabajo sobre el agua. Despreciando la energía que se pierde en los rozamientos, el trabajo mecánico realizado sobre el agua es igual a la pérdida de energía mecánica de las pesas que caen. La pérdida de energía potencial puede medirse fácilmente determinando la

distancia que descienden las pesas. Si las pesas (de masa m) caen desde una distancia h, la perdida de energía potencial es igual a mgh. Esta energía causa el incremento en la temperatura del agua (medida con un termómetro).

El experimento de Joule e infinidad de experimentos realizados posteriormente indican que hace falta aproximadamente 4,18 unidades de trabajo mecánico o Julios (J,

En honor a Joule se dio su nombre a la unidad de energía del sistema internacional, SI) para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 ºC. Una vez establecida la equivalencia experimental entre energía y calor, se puede describir la experiencia de Joule como la determinación del valor de la caloría en unidades normales de energía. Este resultado nos dice que 4.18 J de energía mecánica son equivalente a 1 caloría de energía térmica, y se conoce por razones históricas con el nombre de equivalente mecánico del calor.

Medidas más precisas hechas posteriormente han determinado que 4,186 J/g ºC cuando la temperatura del agua se incrementa de 14.5 ºC a 15.5 ºC. Tradicionalmente se ha seguido expresando la energía térmica en calorías para luego convertirlas utilizando el equivalente mecánico del calor en las unidades estándar de energía mecánica. Hoy en día todas las formas de energía se expresan normalmente en Julios.

Como resultado de los experimentos de Joule y de otros experimentos posteriores, se interpreta que el calor no es una sustancia, ni una forma de energía, sino más bien como una forma de transferencia de energía, cuando el “calor” fluye de una objeto frío a otro caliente, es la energía la que está siendo transferida desde el frío al caliente. Así el calor es energía que es transferida desde un cuerpo a otro debido a su diferencia de temperatura.

6. ¿Qué es la energía interna de una sustancia material?

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La energía interna es la energía que tiene una sustancia debido a su temperatura, que es esencialmente a escala microscópica la energía cinética de sus moléculas.

El calor se considera positivo cuando fluye hacia el sistema, cuando incrementa su energía interna. El calor se considera negativo cuando fluye desde el sistema, por lo que disminuye su energía interna.

Cuando una sustancia incrementa su temperatura de TA a TB, el calor absorbido se obtiene multiplicando la masa (o el numero de moles n) por el calor especifico c y por la diferencia de temperatura TB –TA.Q= n c (TB – TA).

Cuando no hay intercambio de energía (en forma de calor) entre dos sistemas, decimos que están en equilibrio térmico. Las moléculas individuales pueden intercambiar energía, pero en promedio, la misma cantidad de energía fluye en ambas direcciones, no habiendo intercambio neto. Para que dos sistemas estén en equilibrio térmico deben de estar a la misma temperatura.

7. ¿En qué consiste la ley de Dulong y Petit? Busque el calor específico molar de los metales conocidos

El calor específico de los sólidos (al igual que el de los gases y líquidos) es una función creciente de la temperatura, tendiendo a cero cuando la temperatura se aproxima a 0 K. El crecimiento de esta magnitud a partir de 0 K es inicialmente muy rápido, haciéndose después más lento hasta que se alcanza una temperatura que puede corresponder a la de fusión, a la de descomposición o a un cambio de estructura.

En 1819, los físicos y químicos franceses Pierre Louis Dulong (1785-1835) y Alexis Thérése Petit (1791-1820) establecieron la ley que lleva sus nombres.

Calor específico molar

El calor específico de una sustancia es un índice importante de su constitución molecular interna, y a menudo da información valiosa de los detalles de su ordenación molecular y de las fuerzas intermoleculares. En este sentido, con frecuencia es muy útil hablar de calor específico molar denotado por cm, y definido como la cantidad de

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LEY DE DULONG Y PETIT: El calor atómico de todos los elementos en estado sólido (con pocas excepciones) presenta valores próximos a 25 J/(mol K)(o sea, 6 cal/(mol K) ).


energía necesaria para elevar la temperatura de un mol de una sustancia en 1 grado es decir, está definida por:

Donde n indica la cantidad de moles en la sustancia presente

Sustancia Fase Ce(molar)J·mol−1·K−1

Aluminio sólido 24,2

Arsénico sólido 24,6

Berilio sólido 16,4

Cobre sólido 24,47

Diamante sólido 6,115

Grafito sólido 8,53

Hierro sólido 25,1

Litio sólido 24,8

Magnesio sólido 24,9

Mercurio líquido 27,98

Oro sólido 25,42

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Plomo sólido 26,4

Uranio sólido 27,7

8. Busque y escriba el calor específico de un metal liquido como mercurio y compare su valor con el de los metales solidos.

Tabla de calores específicos

Sustancia Fase cp (másico)kJ·kg−1·C°−1

cp(molar)J·mol−1·K−1

Mercurio líquido 0,1395 27,98

Aluminio sólido 0,897 24,2

Antimonio sólido 0,207 25,2

Arsénico sólido 0,328 24,6

Berilio sólido 1,82 16,4

Cobre sólido 0,385 24,47

Grafito sólido 0,710 8,53

Hierro sólido 0,450 25,1

Litio sólido 3,58 24,8

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Magnesio sólido 1,02 24,9

Oro sólido 0,1291 25,42

Plomo sólido 0,129 26,4

Uranio sólido 0,116 27,7

Comparando en la tabla el calor específico molar del mercurio líquido con los metales sólidos observamos que el mercurio es mayor que todos ellos.

BIBLIOGRAFIA

Young, Hugh y Roger Freedman: “Física Universitaria” volumen1. Decimosegunda

edición http://es.quimica.wikia.com/wiki/Capacidad_calor%C3%ADfica

http://www.mitecnologico.com/Main/CapacidadCalorificaYCalorEspecifico

http://www.educared.org/wikiEducared/

Experimento_de_Joule:_equivalente_mec%C3%A1nico_del_calor.html

http://www.monografias.com/trabajos35/calorespecifico/calorespecifico.shtml

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Experiencia 7

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