CALORES ESPECIFICOS

EXPERIENCIA Nº10

I. OBJETIVO

Determinación del equivalente en agua del calorímetro de aluminio. Determinar el calor específico de objetos sólidos.

II. EQUIPOS / MATERIALES

1 Equipo de calentamiento 2 Clamps1 Soporte universal 1 Varilla metálica1 Calorímetro de mezclas 1 Termómetro1 Probeta graduada 100 ml 1 Vaso precipitado 500 ml1 Balanza Agua potable3 Muestras metálicas

III. FUNDAMENTO TEORICO

La cantidad de calor Q disipado o absorbido por cuerpos de la misma sustancia es directamente proporcional a la variación de la temperatura T:

Q∆T

= Q'∆T '

(1)

También, el calor cedido o absorbido por cuerpos distintos, pero de la misma sustancia, son directamente proporcionales a la masa m:

Qm

=Q 'm'

(2)

El calor específico (c) de un cuerpo se cómo:

c=1mdQdT (3)

Donde dQ es el elemento de a cantidad de calor que intercambian los cuerpos con el medio que lo rodea, mientras que dT es el elemento de variación de temperatura que experimentan los cuerpos.La cantidad de calor transferida/ absorbida por el cuerpo depende de las condiciones en que se ejecuta el proceso. En la presente experiencia se utilizara el método de mezclas y el proceso de medida se realizara a presión constante.

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Determinación del equivalente en agua del calorímetro (K)

Sea una porción de agua de masa ma dentro de un calorímetro de masa mcal ambos a una temperatura Ta. Sobre este conjunto se vierte agua de masa mb que inicialmente se encuentra a temperatura Tb > Ta. Considerando ca el calor específico del agua, ccal el calor específico del calorímetro se deja que se equilibre el proceso de la mezcla a una temperatura llamada de equilibrio Te.

ma ca (Te−T a )+mcal ccal (T e−T a )=mb ca(Tb−T e)

Considerando K=mcalccal

K=−mb ca(T e−T b)

(T e−T a)−ma ca (4)

Determinación del calor especifico de un metal

Para determinar el calor específico de un metal se usa una porción de agua de masa ma

dentro de un calorímetro con equivalente en agua K ambos a una temperatura Ta. Sobre este sistema se sumerge dentro del agua un metal de masa mmetal que inicialmente se encuentra a temperatura T b> Ta. Considerando ca el calor específico del agua, cmetal el calor específico del metal se deja que se equilibre el proceso de la mezcla a una temperatura llamada de equilibrio Te. Luego en el balance se tiene:

ma ca (Te−T a )+K (T e−T a )=mmetal cmetal (T b−T e)

Despejando se obtiene:

cmetal=(m¿¿a ca+K )(T e−T a)

mmetal (T b−T e)¿ (5)

Conociendo el calor específico del agua y el equivalente en agua del calorímetro, el calor específico del cuerpo queda automáticamente determinado.

IV. PROCEDIEMIENTO

DETERMINACION DEL EQUIVALENTE EN AGUA EL CALORIMETRO

1. Dentro del calorímetro, vierta 120 ml de agua (ma) y mida la temperatura inicial del sistema Ta.

2. En vaso de pírex vierta 100 ml de agua (mb) y proceda a calentar hasta que hierva a una temperatura Tb

3. Vierta esta agua caliente dentro del calorímetro y espere 1 minuto para que llegue a equilibrarse el sistema.

4. Con un termómetro mida la temperatura del sistema en equilibrio Te.

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5. determine las masas ma y mb del agua que se usan en este proceso y complete la

Tabla 1.

6. Usando la relación 4 determine el equivalente en agua del calorímetro y anote su valor.

Usando la relación 4, procederemos a reemplazar los datos.

K=−120 gr (1cal /gr °C ) (55−100 )° C

(55−21 )° C−150 gr (1cal / gr° C)

K=8.8235cal /°C

DETERMINACION DEL CALOR ESPECÍFICO DE UN METAL

1. Dentro del calorímetro, vierta 120 ml de agua (ma) y mida la temperatura inicial del sistema Ta.

2. Con la balanza de tres brazos determine la masa del cilindro de metal (Muestra 1) y anote este valor en la tabla 2.

3. En vaso de pirex vierta 500 ml de agua. Suspenda el termómetro y el cilindro de metal como se muestra en la figura y proceda a calentar el sistema con el mechero bunsen hasta que el gua hierva a la temperatura Tb.

4. Introduzca rápidamente el cilindro caliente dentro del calorímetro y cierre herméticamente y espere 1 minuto para que llegue a equilibrarse el sistema.

5. Con un termómetro mida la temperatura del sistema en equilibrio Te.

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Tabla 01

ma 150gr ± 0,05g

c0 1 cal/gr°C

Ta 21°C ± 0,1°C

mb 120gr ± 0,05g

Tb 100°C ± 0,1°C

Te 55°C ± 0,1°C

6. Determine la masa del agua ma y completa la tabla 2 y usando la relación 5

determine el calor específico de la Muestra 1.

7. Siguiendo los pasos anteriores (del 1 al 6) completar la tabla 2 para las Muestra 2 y 3.

Procederemos a reemplazar los datos en la relación 5 para cada muestra. De ese modo completar la tabla 2.

Muestra 1 (Aluminio)

cmetal 1=(m¿¿aca+K )(T e−Ta)

mmetal(Tb−Te )¿

cmetal 1=(150∗1+8.8235)(23.6−21)

24.1(100−23.6)=0.2243cal /gr °C

Muestra 2 (Acero)4

Tabla 2

Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3

m a 150gr ± 0,05g 150gr ± 0,05g 150gr ± 0,05gCa 1 cal/gr°C 1 cal/gr°C 1 cal/gr°CTa 21°C ± 0,1°C 21°C ± 0,1°C 21°C ± 0,1°C

m metal 24,1gr ± 0,05g 64,7gr ± 0,05g 72,7gr ± 0,05gTb 100°C ± 0,1°C 100°C ± 0,1°C 100°C ± 0,1°CTe 23,6°C ± 0,1°C 24,6°C ± 0,1°C 24,3°C ± 0,1°C

cmetal 0.2243cal/gr°C 0.1172cal/gr°C 0.09524cal/gr°CEexp.rel -0,033 -0,065 -0,024

Eexp.rel % 3,30% 6,50% 2,40%

cmetal 2=(m¿¿aca+K )(T e−Ta)

mmetal(Tb−Te )¿

cmetal 2=(150∗1+8.8235)(24.6−21)

64.7(100−24.6)=0.1172 cal /gr ° C

Muestra 3 (Cobre)

cmetal 3=(m¿¿aca+K )(T e−T a)

mmetal (Tb−T e)¿

cmetal 3=(150∗1+8.8235)(24.3−21)

72.7(100−24.3)=0.09524 cal /gr ° C

Ahora procederemos a hallar los errores relativos de cada muestra.Revisando la tabla de calores específicos, los valores teóricos serían los siguientes:

1. Aluminio = 0.217 cal/gr°C2. Acero = 0.110 cal/gr°C 3. Cobre = 0.093 cal/gr°C

Muestra 1

Erel=Valorteorico−Valor experimental

Valorteorico

Erel=0.217−0.2243

0.217=−0.033

Muestra 2

Erel=Valorteorico−Valor experimental

Valorteorico

Erel=0.110−0.1172

0.110=−0.065

Muestra 3

Erel=Valorteorico−Valor experimental

Valorteorico

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Erel=0.093−0.09524

0.093=−0.024

V. EVALUACION

1. Defina el calor específico de un material. ¿Cuál es la diferencia con capacidad calorífica?

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.

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·ΔT

Cuando 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. Se dice que se ha alcanzado el equilibrio térmico:

Esto puede aplicarse al cálculo del calor específico de un material conociendo el calor específico de otro, la masa de ambos, la temperatura inicial de ambos y la temperatura de equilibrio en la práctica que se propone.

La diferencia es que el calor específico es una propiedad intensiva. La capacidad calorífica depende de la cantidad de materia que se considere, por lo tanto es extensiva.

2. ¿Qué es un recipiente térmicamente aislado? Describirlo y explicar cómo funciona.

Es aquel recipiente que no intercambia ni materia ni energía con su entorno, es

decir se encuentra en equilibrio termodinámico. Un ejemplo de esta clase es el

calorímetro.

Funciona de la siguiente manera, el usuario pondrá una cantidad precisa de agua

pura dentro de la cámara de agua. El volumen puede variar, pero por lo general se

colocan 100 mililitros. La temperatura del agua se lee y se registra y luego se mide la

cantidad precisa de químicos que quieres estudiar, los pones en la cámara de

reacción y cierras la tapa. Debes cuidar de cerca el termómetro por si hay cambios de

temperatura. A medida que la reacción química se vaya llevando a cabo, la

temperatura subirá o bajará. Si aumenta, irá hasta su pico y luego bajará. Lo

contrario se da si la temperatura desciende. Es importante que anules los valores

mínimos y máximos.

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3. ¿Qué es un calorímetro?

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

Un dispositivo para medir la energía calórica de una sustancia, conociendo la energía calórica de otra sustancia.

Sirve para determinar el calor específico de un cuerpo, así como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos.

Algunas reacciones son exotérmicas o liberan de calor, mientras que otras son endotérmicas y lo absorben. Un dispositivo llamado calorímetro ayuda a los químicos a medir exactamente cuánto calor se libera o absorbe. A presión constante, la cantidad de calor transferida es igual a la variación de entalpía, un parámetro termodinámico importante de un sistema que los químicos pueden utilizar para realizar otros cálculos.

4. ¿Qué es un frasco Dewar?

Es un recipiente diseñado para proporcionar aislamiento térmico, disminuir las pérdidas de calor por conducción, convección o radiación. Se utiliza para almacenar líquidos, fríos o calientes. El vaso Dewar es llamado así por su inventor, el físico escocés James Dewar (1842-1923).

5. ¿Cuál sería la diferencia si en vez de agua usamos vino para determinar el calor específico del aluminio?

La diferencia radica en que debido a que el calor específico del agua es mucho mayor que el calor específico del vino, la temperatura de equilibrio tendrá que ser mayor para que esto compense y al final tener resultados que verifiquen el calor especifico del aluminio.

6. Investigue cuántos tipos de calorímetros hay en el mercado y cuál es el uso de cada uno de ellos.

Calorímetro de presión constanteEn un calorímetro de presión constante, la reacción se lleva a cabo en una solución en la cual la presión atmosférica es constante. El calorímetro mide el cambio en la entalpía, que es una medida del calor total contenido por un sistema. Los calorímetros de presión constante son sencillos de construir, y son los que se utilizan en el aula de física. Los estudiantes de física pueden visualizar la teoría detrás de un calorímetro usando una taza de telgopor y un termómetro, con accesorios tales como una varilla para agitar, una tapa o hielo. Los alumnos pueden usar este rudimentario calorímetro de presión constante para medir el calor, o energía, ganado o perdido dentro de la taza. De acuerdo con las leyes de la física, cuando el agua pierde o gana energía, su temperatura cambia. Puedes verificar el cambio de temperatura en el agua dentro de la taza mientras modificas las variables, por ejemplo añadiendo un cubo de hielo, agitando el agua o colocando una tapa.

Bomba o calorímetro de volumen constante

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La bomba, o calorímetro de volumen constante, se usa para medir cosas como una reacción de combustión. Esta información es útil para determinar la cantidad de calor (calorías) en alimentos y combustibles. Se crea una reacción en una cámara diseñada para soportar altas temperaturas y explosiones. La cámara está rodeada por una camisa de agua que se calienta con la energía proveniente de la reacción. Luego de finalizada la reacción, los científicos miden la temperatura del agua para determinar la cantidad de energía liberada.

Calorimetría de exploración diferencialLa calorimetría de exploración diferencial es útil para medir cambios moleculares. Los científicos toman muestras controladas y calentadas de biomoléculas, polímeros u otras moléculas, y miden cómo el calor fluye hacia y desde la muestra. Esto puede ayudar a determinar la estabilidad de una molécula en su fórmula, y cómo los cambios en el ambiente afectan la estabilidad. Por ejemplo, un estudio de la revista científica "Journal of Agriculture and Food Chemistry", midió cómo añadir varios jarabes industriales de azúcar a la miel impactaba en el comportamiento de ésta a la hora de ser calentada. La calorimetría de exploración diferencial tiene aplicaciones en estudios alimenticios y farmacéuticos.

Otros calorímetrosLas variaciones de estos tipos de calorímetros básicos existen, incluyendo el calorímetro tipo Calvet, el calorímetro adiabático y de reacción, entre otros. Los calorímetros tipo Calvet se basan en un sensor tridimensional de flujo para detectar la transmisión de calor. Los calorímetros adiabáticos miden las reacciones a calor constante, aquellas que producen en un proceso adiabático, un término de la termodinámica. Como los calorímetros bomba, los calorímetros de reacción trabajan creando una reacción en un recipiente cerrado y midiendo el efecto sobre el calor.

7. Enumere y explique tres fuentes de error cometidos en este experimento.

Primero, tratar de trabajar con datos más exactos (números enteros de ser posible) para minimizar el error producido en la experiencia.

Segundo, fijarse atentamente en el termómetro hasta que se estabilice el sistema y se alcance la temperatura de equilibrio.

Tercero, colocar bien el termómetro en las mediciones para no tomar temperaturas erróneas o que se considere temperaturas de objetos que no están previstos en el experimento.

VI. 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.

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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.

VII. RECOMENDACIONES

A la hora de sacar el metal a 100℃ asegurarse de ponerlo junto con el agua y el calorímetro de la forma más rápida posible para obtener buenos resultados.

Estar atento a la hora de medir con el termómetro la temperatura de equilibrio que será cuando esta marque una temperatura que no cambiara por un buen tiempo.

Tratar de medir lo mejor que se pueda tanto masa como temperaturas. Eso ayudara a obtener un buen experimento

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