Fis I Laboratorio 02 Calor Especif - Temp de Cuerpos Inc y Gases Ideales
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UTEC Laboratorio de Física I 13 PRÁCTICA DE LABORATORIO Nº 02 CALOR ESPECIFICO, TEMPERATURA DE CUERPOS INCANDESCENTES Y GASES IDEALES. 1. OBJETIVOS 1) Determinar el calor específico de un cuerpo sólido por el método de las mezclas 2) Determinar la temperatura de un cuerpo incandescente (al rojo vivo), cuyo calor especifico es conocido, usando el método de las mezclas 3) Verificar la Ley de Boyle de los gases ideales 4) Ser capaz de configurar e implementar equipos para toma de datos experimentales y realizar un análisis gráfico utilizando como herramienta el software 5) Utilizar el software para la verificación de parámetros estadísticos respecto a la información registrada. 2. MATERIALES - Computadora con programa LOGGER PRO instalado - Interfase Vernier - Sensor de presión absoluta - Sensor de temperatura - Jeringa - Sensor de temperatura - Balanza - Calorímetro - Cuerpo metálicos problema - Probeta graduada - Pedazo de cobre - Probeta graduada - Vaso precipitados 250 ml - Matraz 50 ml - Fuente de calor - Agitador. 3. FUNDAMENTO TEÓRICO 3.1. Método de las mezclas. El método más común usado en la determinación de cambios de calor es el método de las mezclas, basado en el principio de la conservación de la energía, en el cual dos o más sistemas que tienen temperaturas diferentes son puestos en contacto, de tal forma que intercambien calor hasta que todos ellos adquieren la misma temperatura (temperatura de equilibrio). Como un resultado del intercambio, los cuerpos de más alta temperatura cederán calor a los cuerpos de temperatura mas baja, de manera que la cantidad de calor perdido por algunos cuerpos es igual a la cantidad de calor ganado por los otros. Un cuerpo de masa M, cuyo calor especifico c se desea determinar es calentado hasta alcanzar una temperatura T y luego introducido rápidamente a un calorímetro de masa M c , y cuyo calor especifico c c el cual contiene en su interior una
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PRÁCTICA DE LABORATORIO Nº 02
CALOR ESPECIFICO, TEMPERATURA DE CUERPOS INCANDESCENTES Y GASES IDEALES.
1. OBJETIVOS
1) Determinar el calor específico de un cuerpo sólido por el método de las mezclas 2) Determinar la temperatura de un cuerpo incandescente (al rojo vivo), cuyo calor
especifico es conocido, usando el método de las mezclas 3) Verificar la Ley de Boyle de los gases ideales 4) Ser capaz de configurar e implementar equipos para toma de datos experimentales y
realizar un análisis gráfico utilizando como herramienta el software 5) Utilizar el software para la verificación de parámetros estadísticos respecto a la
información registrada.
2. MATERIALES - Computadora con programa LOGGER PRO instalado - Interfase Vernier - Sensor de presión absoluta - Sensor de temperatura - Jeringa - Sensor de temperatura - Balanza - Calorímetro - Cuerpo metálicos problema - Probeta graduada - Pedazo de cobre - Probeta graduada - Vaso precipitados 250 ml - Matraz 50 ml - Fuente de calor - Agitador.
3. FUNDAMENTO TEÓRICO
3.1. Método de las mezclas.
El método más común usado en la determinación de cambios de calor es el método de las mezclas, basado en el principio de la conservación de la energía, en el cual dos o más sistemas que tienen temperaturas diferentes son puestos en contacto, de tal forma que intercambien calor hasta que todos ellos adquieren la misma temperatura (temperatura de equilibrio). Como un resultado del intercambio, los cuerpos de más alta temperatura cederán calor a los cuerpos de temperatura mas baja, de manera que la cantidad de calor perdido por algunos cuerpos es igual a la cantidad de calor ganado por los otros.
Un cuerpo de masa M, cuyo calor especifico c se desea determinar es
calentado hasta alcanzar una temperatura T y luego introducido rápidamente a un calorímetro de masa Mc, y cuyo calor especifico cc el cual contiene en su interior una
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masa de agua MA, todos estos a una temperatura inicial Ti. La mezcla alcanzara una temperatura intermedia de equilibrio TEq.
Aplicando el principio de conservación de la energía tendremos que el calor
perdido por el cuerpo debe ser igual al calor absorbido por el agua, el calorímetro y el termómetro.
Esto es: M c (T – TEq) = MA cA (TEq – Ti) + MC cC (TEq – Ti) (2)
CUERPO AGUA CALORIMETRO
De donde:
( )( )( )Eq
iEqCCAA
TTMTTcMcM
c−
−+= (3)
Que nos determina el calor específico c del cuerpo. Este es el fundamento del
método de las mezclas. Es necesario observar que este método solo conduce a la determinación del calor específico promedio en un intervalo de temperaturas un poco amplio.
El calorímetro que usaremos esta cubierto de una envoltura de material
térmicamente aislante para minimizar tanto la perdida como la absorción de calor, pero no elimina este factor completamente ya que es prácticamente imposible aislar cualquier sistema del medio que lo rodea y eliminar un intercambio de calor.
El equivalente en agua es un término frecuentemente en calorimetría. Es la
masa de agua que requiere la misma cantidad de calor para aumentar su temperatura en un grado como el que se requiere para aumentar la temperatura del cuerpo en un grado. El equivalente del agua es el producto de la masa de un cuerpo y la capacidad térmica del material del cuerpo.
3.2. La termodinámica
La termodinámica es una ciencia experimental que estudia los cambios producidos en un sistema por el intercambio de calor. En ella se mide magnitudes macroscópicas como la presión el volumen y la temperatura, sin importarle la causa microscópica de los fenómenos observados.
A pesar que los sistemas térmicos resultan ser muy complejos, la termodinámica ha tenido gran éxito en resumir estas observaciones en algunas sencillas leyes muy generales para dar una explicación a los fenómenos de origen térmico.
Existe una teoría microscópica de los gases ideales y en si de todos los procesos térmicos, la mecánica estadística, pero nuestro enfoque será netamente macroscópico.
3.3. Gases ideales
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Reciben este nombre los gases que se encuentran muy expansionados
(enrarecidos), es decir que posean muy poca densidad y ejerzan poca presión. En otras palabras es un gas en el cual las interacciones entre las moléculas son despreciables y esto ocurre cuando la separación promedio de las moléculas sea mucho mayor que el tamaño de los átomos y esto hace que las moléculas interactúen muy poco con las demás.
La ecuación de estado del gas ideal:
PV = N kBT (1)
Donde P: Presión del gas V: Volumen ocupado por el gas en el recipiente que lo contiene N: Numero de partículas en el gas KB: Constante de Boltzmann 1,38 10-23 J/K T: Temperatura absoluta en Kelvin
Existen varias maneras de escribirla la ley del gas ideal. Si introducimos la concentración de partículas n:
VNn = (2)
Que es el número de partículas por unidad de volumen con lo cual:
PV = n kBT (3)
También podemos incluir al número de moles de partículas Nm presentes:
A
m NNN = (4)
Donde NA es el número de Avogadro 6,02 1023 mol-1
También podemos incluir la constante:
R = NA kB = 8,314 J/K (5) Llamada constante de los gases, llegando a:
PV = NmRT (6) Sin duda lo más resaltante de la ley del gas ideal es que no depende de las propiedades del gas. Para una mol de cualquier gas ideal, las tres magnitudes P, V y T cumplen.
PV = RT (7) De los experimentos realizados sobre gases ideales se encontraron las leyes llamadas “La ley de Charles”, “La ley de Boyle” y la “Ley de Gay-Lussac”.
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Robert Boyle hizo estudios sobre gases ideales mantenidos a temperatura constante (proceso isotermo) y obtuvo la ley que lleva su nombre.
PV = cte (8) De la cual podemos afirmar la dependencia de P vs 1/V o una V vs 1/P es lineal y la gráfica son rectas que pasan por el origen. Las pendientes de las rectas dependen de la temperatura y se determinan de la ley del gas ideal. Existen otras escalas de temperaturas además de la Celsius y la Kelvin como la Fahrenheit y la Rankine. Es únicamente cuando usamos la escala de Kelvin que obtenemos la proporcionalidad entre volúmenes y temperatura, la demás escalas solo dan una dependencia lineal. El hecho de que todas las gráficas de presión vs temperatura para gases ideales eran rectas cortando el eje temperatura en el mismo punto (-273.15 ºC) llevo a la idea del cero absoluto de temperatura y la escala de Kelvin.
Ojo: La diferencia entre proporcional y linealmente independiente es que una gráfica de dos variables proporcionales es una recta que pasa por el origen de coordenadas, mientras que dos variables con dependencia lineal la gráfica una recta con un punto de intersección diferente de cero.
4. PROCEDIMIENTO
4.1. Determinación del calor especifico de sólidos.
Ingrese al programa Data Studio, haga clic sobre el icono experimento y seguidamente reconozca el sensor de temperatura previamente insertado a la interfase Vernier Lab Quest.
Seguidamente procedemos a configurar dicho sensor, para lo cual hacemos doble
clic sobre el icono TOMA DE DATOS y lo configuramos para que registre una duración de 10 minutos con 60 muestras por minuto.
Luego presione DATOS / OPCIONES DE COLUMNA / TEMPERATURA/ OPCIONES
/ PRECISION MOSTRADA, luego seleccione y cambie a 2 cifras. Una vez configurado el sensor realice el montaje de la figura 4.1.1.
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Sensor de temperatura
Varilla
Nuez doble
Base
Cuerpo
Fig. 4.1.1. Segundo montaje.
Inicie la toma de datos introduciendo 200 ml de agua en el calorímetro y oprimiendo el botón inicio (tomar datos) en la barra de configuración principal de Data Studio. Utilice las herramientas de análisis del programa para determinar la temperatura inicial Ti del sistema calorímetro, agitador y agua.
Al momento de medir la masa de agua que introducirá en el matraz cuide de no mojar la balanza.
Coloque en el vaso de precipitados 200 ml de agua, conjuntamente con el cuerpo
y usando el mechero caliéntelo hasta que el agua hierva, de esta forma la temperatura T del cuerpo será la misma que la del agua hirviendo (100 °C aproximadamente).
Oprima el botón inicio en la barra de configuración principal de Logger Pro.
Rápida y cuidadosamente introduce el cuerpo dentro del calorímetro, agite el agua con el fin de crear corrientes de convección y distribuir el aumento de temperatura a todo el recipiente.
Utilice las herramientas de análisis del programa para determinar la
temperatura más alta registrada. Esta será la temperatura de equilibrio TEq. Repita el proceso hasta completar 2 mediciones, con 3 cuerpos metálicos
diferentes y llene la tablas 4.1.
Datos teóricos útiles
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cAl = 0,2250 cal/gr ºC Aluminio cCu = 0,0931 cal/gr ºC Cobre cFe = 0,1146 cal/gr ºC Hierro cPb = 0,0320 cal/gr ºC Plomo cCb = 0,0577 cal/gr ºC Estaño cZn = 0,0925 cal/gr ºC Zinc
TABLA 4.1.
Clase de metal usado
Calor especifico teórico
Medición 1 2
Masa del calorímetro MC
Masa del cuerpo metálico M
Masa de agua
Temperatura inicial del sistema Ti
Temperatura inicial del cuerpo
caliente T
Temperatura de equilibrio TEq
Calor especifico experimental
Error porcentual
4.1.1. ¿Podrías determinar el calor específico de las muestras usadas en este experimento enfriando el metal a la temperatura del hielo en vez de calentarlo como se hizo en la experiencia? Explica.
4.1.2. ¿Podrías determinar el calor específico de una sustancia desconocida sin necesidad de hacer uso de una sustancia de referencia como el agua? Explica.
4.1.3. Si se duplicara el espacio entre las paredes de los recipientes del calorímetro ¿Variaría el intercambio de calor?, explique su respuesta.
4.1.4. ¿Qué viene a ser la energía calorífica absorbida por una sustancia cuando la temperatura es incrementada?
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4.2. Determinación de la temperatura de incandescencia.
Haga el montaje de la figura 4.2.1.
Figura 4.2.1. Montaje experimental.
Ingrese al programa Logger Pro, haga clic sobre el icono experimento y
seguidamente reconozca el sensor de temperatura previamente insertado a la interfase Vernier Lab Quest.
Seguidamente procedemos a configurar dicho sensor, para lo cual hacemos doble
clic sobre el icono TOMA DE DATOS y lo configuramos para que registre una duración de 10 minutos con 60 muestras por minuto.
Luego presione DATOS / OPCIONES DE COLUMNA / TEMPERATURA/ OPCIONES
/ PRECISION MOSTRADA, luego seleccione y cambie a 2 cifras. Una vez configurado el sensor realice el montaje de la figura 4.2.1.
Inicie la toma de datos introduciendo los 100 ml de agua en el calorímetro y oprimiendo el botón inicio en la barra de configuración principal de Logger Pro. Utilice las herramientas de análisis del programa para determinar la temperatura inicial Ti del sistema calorímetro, agitador y agua.
Caliente el rollo de cobre directamente con tu mechero sujetándolo con la pinza, hasta que se ponga incandescente. En esta forma la temperatura T del rollo de cobre incandescente será la misma que la de la fuente de calor.
Oprima el botón inicio en la barra de configuración principal de Logger Pro. Rápida y cuidadosamente introduce el rollo de cobre incandescente dentro del
calorímetro. Agita el agua en el calorímetro.
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Utilice las herramientas de análisis del programa para determinar la temperatura más alta registrada. Esta será la temperatura de equilibrio TEq.
Complete la tabla 4.2. Borre las mediciones incorrectas, no almacene datos innecesarios. Al momento de medir la masa de agua que introducirá en el matraz cuide de no mojar la balanza.
TABLA 4.2.
Clase de metal usado
Cobre Cu
Calor especifico teórico Cu
Medición 1
Masa del calorímetro MC
Masa del rollo de cobre M
Masa de agua
Temperatura inicial del sistema Ti
Temperatura inicial del cuerpo incandescente T
Temperatura de equilibrio TEq
Calor especifico experimental Cu
Error porcentual
4.2.1. ¿Cuánto es el equivalente en agua del calorímetro?
4.2.2. ¿Qué evidencia dan los resultados de esta experiencia para justificar que el agua tiene un calor específico más alto que el material considerado?
4.2.3. Si la temperatura del rollo de cobre hubiera sido 900 ºC ¿Cuál
hubiera sido la temperatura desequilibrio de la mezcla?
4.2.4. ¿Qué porcentaje de error has introducido al despreciar el equivalente en agua del termómetro? Demuestra tu respuesta.
4.2.5. ¿Cómo podrías medir la temperatura de una estrella?
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4.3. Experiencia ley de Boyle.
Ingrese al programa Logger Pro, haga clic sobre el icono experimento y seguidamente reconozca el sensor de presión previamente insertado a la interfase Vernier Lab Quest.
Seguidamente procedemos a configurar la forma de registrar los datos
Para lo cual hacemos doble clic sobre el icono TOMA DE DATOS y luego seleccionamos BASADO EN ENTRADA y completamos el formulario según la gráfica 4.3.1.
Fig. 4.3.1. Configuración del sensor. Cuando hacemos este procedimiento automáticamente se configura las columnas
y la grafica Ahora hacemos el montaje experimental de la figura 4.3.2. Asegúrese que no existan fugas en las conexiones, de eso depende
los resultados de su experimento.
Fig. 4.3.2. Montaje experimental.
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Al empezar la grabación de los datos aparecerá una ventana CONSERVAR en la cual deberá clicar y en ese momento aparecerá un cuadro donde deberá poner el valor de la inversa del volumen y así en cada valor que seleccione hasta completar la tabla 4.3.
El sistema grabará solo en el momento que se acepte el valor. Para finalizar la
grabación se seleccionará el icono de STOP.
TABLA 4.3.
Volumen (ml) Inversa de volumen
(1/ml) Presión ( KPa)
2 0,5
5 0,2
8 0,125
10 0,1
12 0,083
15 0,067
Un ejemplo de las curvas obtenidas las podemos apreciar en la figura 4.3.3.
Fig. 4.3.3. Curvas obtenidas en el experimento.
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4.3.1. ¿Qué forma tiene la gráfica de presión vs inversa de volumen? ¿Cómo se le denomina?
4.3.2. Si grafica Volumen vs inversa de la presión, ¿Qué tipo de ajuste le toca hacer
ahora? ¿Por qué? 4.3.3. ¿Se cumple la ley de Boyle?, ¿Por qué?
4.3.4. ¿Qué información relevante podemos hallar con esta experiencia?
4.3.5. Mencione las fuentes de error de esta experiencia
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5. OBSERVACIONES
5.1. _____________________________________________________________
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5.2. _____________________________________________________________
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5.3. _____________________________________________________________
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6. CONCLUSIONES
6.1 _____________________________________________________________
_____________________________________________________________
6.2 _____________________________________________________________
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6.3 _____________________________________________________________
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