informe fisica - calor específico del calorimetro

UNIVERSIDAD DE LA COSTADEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS

ÁREA DE LABORATORIO DE FÍSICA

FACULTAD DE INGENIERÍA

CALOR ESPECÍFICO DEL CALORIMETRO

Wadith Castillo Ramirez1, Andrés Valencia2, Gabriel Arango3 Adrián Rúa4

1Ingeniería Electrónica, 2 Ingeniería Eléctrica, 3Ingenieria Ambiental, 4Ingenieria Industrial

Laboratorio de Física Calor Ondas Grupo: ENL

Resumen

En esta experiencia determinamos el calor específico del calorímetro usando el calor específico del agua cuyo valor es de1 cal / g °C . Para la práctica se empleó un sistema calorímetro-agua del cual a una primera cantidad de dicha sustancia se le hizo entrar en contacto con altas temperaturas, para luego hacer un contacto térmico a temperatura ambiente en el interior de un calorímetro, y así al medir la temperatura de equilibrio junto con la masa y la temperatura inicial de los diferentes volúmenes de agua, se obtuvo el valor del calor específico del calorímetro.

Palabras clavesCalor específico, calorímetro, Aluminio, agua.

Abstract

This experience determined the specific heat of the calorimeter using the specific heat of water whose value is known . To practice a calorimeter -water system to which a first amount of the substance is made to be in contact with high temperature and then make a thermal contact at room temperature inside a calorimeter , and thus was used to measure the equilibrium temperature along with the mass and initial temperature of the different volumes of water , the value of the specific heat of the calorimeter was obtained .

KeywordsSpecific heat , calorimeter , Aluminum water

1. Introducción

El físico y químico inglés Joseph Black (1728-1799), En el transcurso de sus investigaciones se dio cuenta de que

diferentes cuerpos, de masas iguales, requerían de diferentes cantidades de calor para elevarlos a la misma temperatura. Así es como alrededor de 1765 innovó con el concepto de calor específico, Esto resultó

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ser muy importante, para el campo científico ya que partiendo de este concepto y de las investigaciones realizadas luego del descubrimiento de dicha propiedad de las masas se han creado instrumentos de medición, maquinas que funcionan a partir de esta teoría, etc..

2. Fundamentos Teóricos

2.1 Concepto de temperatura

Se define temperatura como la magnitud que expresa el nivel de agitación de las partículas que constituyen un cuerpo, la temperatura es una propiedad física e intensiva de la materia. La temperatura no depende de la cantidad de materia ni promueve el cambio estructural de la misma. La temperatura mide en cierta manera la energía asociada al movimiento o energía cinética de las partículas que componen la materia.

2.2 Calor

El calor es una forma de energía por lo cual debe medirse en julios o en ergios. Sin embargo en 1852 se introdujeron unidades especiales para medir el calor.

Se tomó un gramo de H2 O (1 cm3) a cierta temperatura sele suministro calor y se verifico que la temperatura hubiese aumentado en un grado Celsius. A esta cantidad de calor se le llamo caloría.

Tiempo después se descubrió que el calor suministrado depende de la temperatura inicial del agua, puesto que no se suministra el mismo calor para elevar la temperatura del agua de 0°C a 1°C, que para elevarlo de 10 °C a 11°C. Por lo tanto, la unidad de calor se definió más correctamente como:

Caloría: cantidad de calor que se suministra a 1 g de agua, inicialmente a la temperatura de 14.5°C para elevar su temperatura hasta 15.5°C.

Kilocaloría: cantidad de calo que se suministra a 1 Kg de, inicialmente a la temperatura de 14.5°C para elevar la temperatura hasta 15.5°C.

En el sistema ingles la unidad de calor es la unidad térmica británica (Btu), definida como el calor necesario parta elevar la temperatura de 1lb de agua de 63°F a 64°F.

2.3 Capacidad calórica.

Es la cantidad de calor suministrado al cuerpo para aumentar su temperatura 1grado (en la escala elegida) a partir de esta definición vemos que si Q unidades de energía térmica se agregan a una sustancia y producen un cambio de temperatura ∆ Tentonces

Q=C ´ ∆ T

El calor especifico c de una sustancia es la capacidad calorífica por unidad de masa Así pues, si Q unidades de energía térmica se transfieren a m kg de una sustancia con lo cual cambia su temperatura en ∆ T , el calor especifico de la sustancia es

C= Qm ∆T

De acuerdo a esta definición, podemos expresar la energía térmica Q transferida entre una sustancia de masa m y sus alrededores para un cambio de temperatura ∆ T como

Q=mc ∆ T Cuando aumenta la temperatura, Q y ∆ T se consideran positivas, lo que corresponde a la energía térmica que fluye hacia el sistema. Cuando la temperatura disminuye, Q y ∆ T son negativas y a la energía térmica fluye hacia afuera del sistema.

2.4 Calor especifico molar

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Se define como la capacidad calorífica de una sustancia por mol. Por lo tanto si la sustancia tiene n moles, su calor específico molar es igual a C / n. Es de gran importancia darse cuenta que el calor específico varia con la temperatura. Si los intervalos de temperatura no son demasiado grandes, la variación de temperatura puede ignorarse y c puede tratarse como si fuera una constante.

2.5 Escalas de temperatura

En la actualidad se utilizan comúnmente tres unidades de medida, los grados Fahrenheit (°F), del sistema inglés, los Kelvin (K), del sistema Internacional y los grados Celsius (°C), unidad derivada de los Kelvin. De estos sistemas, el Fahrenheit está siendo sustituido por el Celsius.

La escala Kelvin es similar a la escala Celsius. En ambas se divide en cien partes iguales el intervalo entre la temperatura a la que se congela y a la que se evapora el agua. La única diferencia real entre las dos escalas son los valores en los cuales ocurren estos eventos. Por ejemplo, en la escala Celsius se asigna el valor de 0 al punto de congelación del agua, mientras que en la escala Kelvin se asigna el valor de 273.15K. Por otro lado en la escala Celsius se asigna el valor de 100°C al punto de evaporación de agua, mientras que en la escala Kelvin se asigna el 373.15K. En la escala Kelvin la temperatura menor posible, llamada cero absoluto, es 0 K. El cero absoluto equivale a una temperatura de -273.15°C en la escala Celsius.

Calor especifico, cSolidos elementales

Sustancia J/Kg °C Cal/g °CAluminio 900 0.215Cobre 387 0.0924Oro 129 0.0308Hierro 448 0.107Plomo 128 0.0305Silicio 703 0.168Plata 234 0.056

Líquidos

Alcohol 2 400 0.58Mercurio

140 0.033

Agua 4 186 1.00

Tabla 1. Calor especifico de algunas sustancias a 25°C y presión atmosférica

3. Desarrollo experimental

Se determinó la temperatura inicial de dos volúmenes diferentes de agua (30mL y 60mL) Con ayuda de un termómetro de mercurio.

El primer volumen hace referencia al agua en su temperatura ambiente, pero para determinarlo fue necesario introducirla al calorímetro con vaso interno metálico, aislarlo y dejar pasar un minuto. Para la segunda medida de agua, se utilizó un mechero para alcanzar la temperatura de 70°c. Una vez obtenidos se vierte al calorímetro junto con los otros treinta mililitros, se procede a aislar y luego de unos minutos, cuando ya se haya alcanzado el equilibrio térmico del sistema (calorímetro-agua) se mide la temperatura.

Además para ambas cantidades, se obtuvo el valor de su masa, haciendo uso de una balanza.

Figura 1. Diagrama del montaje de la experiencia, el calorímetro con su vaso interior y el termómetro.

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4. Cálculos y Análisis de resultados

Inicialmente se obtiene en una tabla los datos obtenidos por cinco grupos que realizaron la experiencia.

Tabla 2. Valores Obtenidos por cada grupo

mc: Masa del calorímetro.m1: masa del agua fría.m2: Masa de agua caliente.Ti: Temperatura inicial del calorímetro y del agua fría en °CTi’: Temperatura inicial del agua caliente en °CTf: Temperatura de la mezcla en °C

La Tabla 2. Muestra los valores obtenidos por los diferentes grupos, sin embargo los valores que analizaremos en este informe corresponderán a los del grupo N° 3

Aplicando el concepto de equilibrio térmico se hace uso de la siguiente ecuación:

C calorimetro

¿Cagua¿¿

Tenemos entonces que el calor específico del agua es 1 cal / g °C

Reemplazamos los valores obtenidos:

C calorim

1cal /g° C [29.4 (42−20 )+55.4 (42−70 )]44.7 (20−42)

Ccalorimetro=¿

1cal /g °C[646.8+(−1551.2 ) ]−983.4

¿

C calorimetro=0.919 Calorias

g ° C

Las unidades para la temperatura se encuentran en grados Celsius (°C) y las de masa en gramos (g).

4.1. Análisis de Resultados

De acuerdo al resultado obtenido, se estipula que el vaso interior del calorímetro se encuentra hecho de aluminio. Ya que su

valor teórico, el cual es de 0,215Calorias

g ° C

) es quien más se aproxima al valor

experimental 0.919Calorias

g ° C

4.2. Cálculo de Calor Especifico de los Grupos

GRUPO 1.

C calor=Cagua¿¿

C calorim

1cal /g° C [27.5 ( 48−25 )+53.3 ( 48−70 )]50.3(25−48)

Ccalorimetro=¿

1cal /g °C[632.5+(−1172.6 )]−1156.9

¿


g ° C

4

mc m1 m2 T i T i´ T f

1 50.3g 27.5g 53.3g 25°C 70°C 55°C

2 49.5g 27.8g 54.5g 26°C 70°C 46°C

3 44.7g 29.4g 55.4g 20°C 70°C 42°C

4 45.7g 28.3g 64.9g 23°C 70°C 40°C

5 45.1g 26.8g 49.7g 24°C 70°C 44°C




GRUPO 2.

C calor=Cagua¿¿

C calorim

1cal /g° C [27.8 ( 46−26 )+54.5 (46−70 )]49.5(26−46)

Ccalorimetro=¿

1cal /g °C[556+(−1308 )]−990

¿


g° C

GRUPO 4.

C calori=Cagua¿¿

C calorim

1cal /g° C [28.3 ( 40−23 )+64.9 (40−70 )]45.7(23−40)

Ccalorimetro=¿

1cal /g °C[481.1+(−1947 ) ]−776.9

¿


g ° C

GRUPO 5.

C calor=Cagua¿¿

C calorim

1cal /g° C [26.8 ( 44−24 )+49.7 (44−70 )]45.1(24−44)

Ccalorimetro=¿

1cal /g °C[536+(−1292.2 )]−902

¿


g ° C

Según los valores arrojados por el cálculo de cada grupo procedemos a calcular el valor promedio del calor específico del

calorímetro (Calorímetro).

Tabla 3. Valores específicos por Grupos

Tenemos que:

C calpromedio

=¿ 0.466+0.759+0.919+1.886+0.8385

¿

El valor promedio de calor es específico es igual a:

C cal/ promedio=0.596Calorias

g ° C

Para hallar el error porcentual utilizamos la siguiente ecuación:

Er %=¿Vteorico−VObserbado∨ ¿Vteorico

x100¿

Reemplazamos los valores identificando el valor teórico 0.215 ¿¿y el valor observado según la experiencia del calor especifico del

calorímetro 0.919Calorias

g ° C

Er %=¿0.215−0.919∨ ¿0.215

x 100¿

Er %=¿-327.4

5

Grupo Calor específico ¿¿)

1 0.4662 0.7593 0.9194 1.8865 0.838




5. Conclusiones

En esta experiencia se pudo comprobar que el calor específico para cada tipo de material no es igual para todos, ya que es una magnitud que depende principalmente de las propiedades de cada sustancia ya que ello determina su dificultad o facilidad para aumentar de temperatura debido al calor al cuál estén sometidos.

Pudimos observar que el margen de error porcentual se le atribuye factores externos como el aire acondicionado que hacía que la temperatura en el termómetro bajara rápidamente y hubiera posibles fallas. Y que los datos obtenidos no son muy cercanos o similar al valor teórico o calor especifico del aluminio.

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.

Bibliografía

1. SEARS, Francis; ZEMANSKY, Mark. Física. Tomo. 1° Cuarta edición Ed. Pearson Educación. México. 2000. Pag 236.

2. GALAXIA, Física 11. ISBN TOMO 958-02-1293-7,Voluntad S.A,

3. SERWAY, Raymond. Física. Tomo I. 4° edición. Ed. Mc Graw Hill. México. 2002. Pag 554, 555, 556,557.

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