Universidad de OrienteNcleo de SucreEscuela de CienciasDepartamento de QumicaLaboratorio de Fisicoqumica I

Calor de Especifico de Metales

Prof.:Br:Marcos LorooDionisio MayorgaC.I: 20.957.323Simn OchoaC.I: 20.993.095

Cuman, Enero 2015Resumen

El calor especfico determina la cantidad de energa de calor que hay que aadirle a un kilogramo del material para que su temperatura aumente un grado o sea es la capacidad calrica por unidad de masa. El calor especfico de los materiales puede ser determinado experimentalmente usando la tcnica de calorimetra y llevando a cabo el mtodo de mezclas. Observando la transferencia de calor entre los materiales envueltos en el calormetro se encontrar el calor especfico del bronce y del aluminio. Se har una comparacin entre los valores experimentales y tericos del calor especfico de estos materiales.

Los resultados obtenidos en esta experiencia son los siguientes

MetalMasa del Metal (g)Cmetal TericoJ/gCCmetalexperimental (J/gC)%ECcal(J/C)

Bronce31.32050.35980.37464.13520.3668

Aluminio102.01950.90790.93993.50

OBJETIVOS

1. Determinar el calor especfico de un metal desconocido.2. Realizar la calibracin de un calormetro taza de caf.3. Adquirir experiencia con un calormetro a presin constante.

INTRODUCCION

La calorimetra es el procedimiento ms habitual para medir calores especficos, consiste en sumergir una cantidad del cuerpo sometido a medicin en un bao de agua de temperatura conocida. Suponiendo que el sistema est aislado, cuando se alcance el equilibrio trmico se cumplir que el calor cedido por el cuerpo ser igual al absorbido por el agua, o a la inversa. El uso principal del calormetro es mantener un sistema aislado para que no haya prdida de energa de calor y solo haya una trasferencia de energa entre los materiales envueltos en el sistema. Y as el mtodo de mezclas sea eficiente. Existe una proporcionalidad entre energa de calor y cambio en temperatura y esta dado por:

Donde Q = energa de calor; m = masa; c = calor especfico T = temperatura (Celsius)

El calor especfico vara de material en material dependiendo de la qumica del material. Mientras mayor sea el calor especfico del material menor cambio en temperatura se observar en el.Diferentes sustancias requieren diferentes cantidades de calor para elevar su temperatura. El agua, por ejemplo, toma 4,184 J de calor para elevar la temperatura de un gramo por 1C. Comparando esto con el oro, que solo necesita 0,128 J de calor para elevar un 1g en 1CLa Capacidad Calorfica (C) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una sustancia en un grado Celsius.Capacidad Especfica (c) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de sustancia en un grado Celsius.Si sabemos C para una sustancia y la masa de esa sustancia podremos calcular fcilmente c:

Si sabemos C o c para una sustancia particular, es muy fcil de calcular la cantidad de calor (q) que se necesita para elevar la temperatura de una sustancia. Si no sabemos la masa de la sustancia, se debe de utilizar la capacidad calrica (C):

Donde . Si la temperatura aumenta entonces:. Un valor positivo de q indica que se gano calor.

Calores especficos tericos:Cobre = 0,3870 J/g CAluminio = 0.9079 J/kg CBronce = 0.3598 J/kg CAgua = 4,184 J/g C

El objetivo principal de esta experiencia es determinar la capacidad de calor especfico (c) de un metal desconocido. Para ello se utiliza un aparato llamado calormetro taza de caf. Este se muestra en la figura n 1 y es simplemente dos tazas de caf de espuma de poliestireno anidados uno dentro del otro. La copa interior est cubierta con una tapa de cartn que contiene un termmetro para medir la temperatura del lquido en el interior del calormetro. Se supone que el calormetro tiene un comportamiento adiabtico que no permite el intercambio de calor con los alrededores.

Figura 1. Calormetro taza de Caf

Para llevar a cabo la experiencia, se debe calibrar el instrumento primero llenndolo con 50 ml de agua. A continuacin se coloca un metal al cual se le conoce su masa y su capacidad calorfica (c) (en este caso el metal conocido es el cobre) en un tubo de ensayo que est dentro de un vaso de agua hirviendo (se asume que la temperatura del metal se encuentra a 100C). Luego de medir la temperatura de los 50 ml de agua en calormetro se toma el metal del agua hirviendo y se coloca en el calormetro y se mide la temperatura final en el calormetro.

Aplicando esta ecuacin se determina la capacidad calrica del calormetro C.

Al introducir el metal caliente en el calormetro el metal se enfra y el calormetro se calienta hasta que finalmente terminan en la misma temperatura final Tfinal. El calor perdido por el metal es igual al calor gano por el calormetro as:

Usando las ecuaciones 1 y 3 y asociando las variables adecuadas, esro se convierte en:

Despejando nos queda

Una vez calibrado el calormetro y a partir de la ecuacin 7 podremos obtener la capacidad del metal desconocido.

METODOLOGIA

a) Preparacin de las muestras de metal

Se Tomo un vaso de precipitado de 1000 ml, y se lleno aproximadamente de agua destilada para luego llevarlo a ebullicin. Se uso un mechero de Bunsen para llevar a cabo la ebullicin. Luego se coloca la muestra de cobre previamente pesada en un tubo de ensayo grande. Esta se sello con un corcho sin apretar y se coloco en el agua hirviendo. Por otro lado se obtuvo el metal desconocido, se peso y se coloco dentro de un tubo de ensayo con corcho para luego introducirlo en el agua hirviendo. Esto se hizo aproximadamente durante 20 minutos.

b) Preparacin y calibracin del calormetro

Se agrego 50 ml de agua destilada en el calormetro y se tapo. Se registro la temperatura inicial en el calormetro con agua. Luego se aadi en metal de cobre rpidamente al calormetro con sumo cuidado y posterior tapado del mismo. Luego se agito suavemente el calormetro y se registro cada 20 segundos la temperatura hasta que la misma se mantuviese constante. Nos aseguramos de anotar la temperatura ms alta la cual ser el valor de Tfinal. Se verti el agua fuera del calormetro y se seco el interior.

c) Determinacin de la capacidad calorfica de un metal desconocido.

Se repiti la parte B, pero ahora con el metal desconocido en lugar del cobre.

DATOS, GRAFICAS Y RESULTADOS

Tabla#1. Datos Obtenidos para la calibracin del Calormetro.

MetalCcobre(J/goC)Temperatura Calormetro (oC)Temperatura Metal (oC)Capacidad del Calorimetro(J/oC)

Cobre0,387Inicial 29,1Inicial100

Final34.1Final 34.1520,3668

Grafica 1. Curva obtenida para la calibracin del Calormetro

Tiempo (s)Temperatura (oC)

0.029,1

3030,6

6031,6

9032.2

12032.5

15033.4

18034.1

21034.1

Tabla #2. Valores obtenidos para la determinacin de la capacidad calorfica de un metal desconocido.

MetalMasa del Metal (g)Temperatura Calormetro (oC)Temperatura Metal (oC)Cmetalobtenido(J/goC)

Desconocido (1)62.4721Inicial 30,3Inicial100,00.3746

Final33,3Final33,3

Desconocido (2)31.3205Inicial 30,9Inicial100,00.9393

final34,6Final 34,6

Grafica #2. Curva Temperatura Vs Tiempo para la determinacin del calor especifico del metal Desconocido (1).

Tiempo (s)Temperatura (oC)

0.030,3

2031,3

4032,6

6033.2

8033,3

10033,3

Grafica #3. Curva Temperatura Vs Tiempo para la determinacin del calor especifico del metal Desconocido (2).

Tiempo (s)Temperatura (oC)

0.030.9

3031,9

9034,5

12034,6

Tabla # 3. Valores de los calores especficos obtenidos comparados con los encontrados en la bibliografa.

Metal (Experimental)Cmetal(exp)(J/goC)Metal (teorico)(J/goC)Cmetal(teo)(J/goC)%E

Desconocido 10.3746Bronce0,35984,13

Desconocido 20.9399Aluminio0,90793,50

DiscusinEl primer paso que se llevo a cabo en esta experiencia de laboratorio fue la calibracin del calormetro, para ello se lleno con 100 ml de agua a la que se le tomo su temperatura, mientras que se colocaba una masa de un metal conocido dentro de un tubo de ensayo tapado que a su vez se coloca dentro de un vaso de agua hirviendo, esto se hace para mantener el metal seco al mismo tiempo que se lleva a la temperatura de ebullicin del agua (100 C), ya que, que si el metal tuviera aunque fuera pequeas trazas de agua caliente seria una fuente importante de errores debido a que la capacidad calorfica del agua (4.184 J) es mucho ms grande que la mayora de los metales. Pasados 20 minutos desde que el tubo con el metal se coloco dentro de agua hirviendo se saca y se pasa lo ms rpido posible al calormetro con el agua, ya que el metal a una temperatura de 100 C pierde una cantidad de calor importante al estar en contacto con el aire a temperatura ambiente, si el tiempo de contacto es lo suficientemente largo puede conducir a grandes diferencias con respecto a los valores esperado. Una vez que el metal este dentro del calormetro se observan los cambias de temperatura que sufre el sistema hasta llegar al equilibrio como se puede ver en la grafica N 1 el cambio de la temperatura en funcin del tiempo hasta alcanzar un mximo que se mantiene constante que fue el valor que se utilizo como la temperatura de equilibrio para los clculos de la calibracin de calormetro. Conociendo las temperaturas inciales y las masas del agua y del metal as como la temperatura de equilibrio que alcanzo el sistema y la capacidad calorfica especfica del metal utilizado en este caso cobre se puede calcular la capacidad calorfica del calormetro por la ecuacin:

Este mismo mtodo puede utilizarse para obtener la capacidad calorfica especfica de un metal desconocido, en este caso conociendo la capacidad calorfica del calormetro se busca la capacidad calorfica especfica de dos metales desconocidos mediante la adaptacin de la ecuacin anterior:

Una vez calculados los valores experimentales se busca la identidad de los metales dentro de los valores tabulados en la bibliografa o utilizando la ley de Dulong-Petit que trata de la similitud de los calores especficos molares de los metales. Entendemos por calor atmico el calor intercambiado por un tomo-gramo de sustancia cuando su temperatura vara un 1K y es igual al producto de la masa atmica del elemento por su calor especfico. Como el nmero de tomos contenido en un tomo-gramo de sustancia es el mismo (nmero de Avogadro) para todos los elementos, se infiere que se requiere aproximadamente la misma cantidad de calor por tomo para producir el mismo aumento de temperatura en todos los slidos. En otras palabras, el calor necesario para elevar la temperatura de una cierta masa de slido depende solamente del nmero de tomos contenidos en ella, siendo independiente de la masa de cada uno de ellos.El resultado es extremadamente simple; sin importar el tipo de slido cristalino, el calor especfico (medido en joule por kelvin y por kilogramo) es 3R/M, donde R es la constante universal de los gases ideales (medida en joule por kelvin y por mol) y M es la masa molar (medida en kilogramo por mol). Lo que es equivalente a decir que la capacidad calorfica adimensional es igual a 3. La ley de Dulong y Petit se cumple tanto mejor cuanto ms elevada es la temperatura, acentundose la discrepancia con los resultados experimentales a medida que disminuye la temperatura.Aunque en esta ley a bajas temperaturas observan discrepancias con respecto a los valores esperados, en el laboratorio permite especular sobre la identidad del metal estudiado mediante un clculo sencillo y rpido, por ejemplo el metal desconocido 2 obuubo una capacidad calorfica de 0.9399 J/g k aplicando la ley de Dulong y Petit se puede buscar el estimado la masa atmica del metal la cual seria

Este valor se puede aproximar a 27 g/mol que es la masa atmica del aluminio, despus de conocer la identidad del metal se puede buscar el valor real de la capacidad calorfica especfica a la temperatura que se trabajo para conocer el error relativo que se obtuvo en el trabajo de laboratorio.Se obtuvo que la capacidad calorfica especifica del metal desconocido 1 y 2 fueron de 0.3746 J/g k y 0.9399 J/g k, despus de consultar con las bibliografa se concluyo que la identidad del metal desconocido 1 es el bronce con un error relativo de 4.13 % con respecto a su capacidad calorfica especifica y el metal descocido 2 es aluminio con un error del 3.50%.

CONCLUSIONES

La capacidad calorfica del calormetro utilizado fue de La identidad del metal desconocido 1 es el bronce con un error relativo de 4.13 % con respecto a su capacidad calorfica especifica. Identidad el metal descocido 2 es aluminio con un error del 3.50% respecto a su capacidad calorfica especifica.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

URQUIZA, Manuel (1969). EXPERIMENTOS DE FISICOQUMICA. Editorial Limusa Wiley, S.A. Mxico. Kaye, G y Laby, T (1986). Constantes de las Tablas Fsicas y Qumicas. 15ta edicin Longman London. La ley de Dulong y Petit http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Dulong-Petit DETERMINACIN DEL CALOR ESPECFICO DE UN METALhttp://www.gobiernodecanarias.org/educacion/3/usrn/lentiscal/1-cdquimica-tic/FlashQ/Termoquimica/lecciondecalorespecifico/ttransferenciacalorentremetalyagua.htm

ANEXOS

MetalMasa del metal (g)

Bronce62.4721

Cobre102.0195

Aluminio31.3205

Calibracin del calormetro:

Masa de agua = 100 g Tinicial Calo= 29.1CTinicial Metal = 100 CTfinal Calo = Tfinal metal = 34.1 C

Capacidad calorfica del Bronce

Masa de agua = 100 g Tinicial Calo = 30.3CTinicial Metal = 100 CTfinal Calo = Tfinal metal = 33.3C

Capacidad calorfica del Aluminio

Masa de agua = 100 g Tinicial Calo = 30.9CTinicial Metal = 100 CTfinal Calo = Tfinal metal = 34.6C