calores específicos

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

CALORES ESPECÍFICOS

Las moléculas tienen una estructura interna porque están compuestas de átomos que contienen diferentes formas de moverse en las moléculas. La energía cinética almacenada en estos grados de libertad internos no atribuye a la temperatura de la sustancia sino a su calor específico.

I. OBJETIVO

Determinar el calor específico de objetos sólidos, mediante el método de mezclas.

II. EQUIPOS/MATERIALES

1 equipo de calentamiento 1 soporte universal 1 calorímetro de mezclas 1 probeta graduada, 100 ml 1 balanza Muestras metálicas 1 clamp 1 varilla metálica 1 termómetro 1 vaso de precipitados, 500 ml de agua potable

III. FUNDAMENTO TEÓRICO

Cambios de Fase de la Naftalina Página 1


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

…………….(1)

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

…………......(2)

El calor específico (c) de un cuerpo se define como:

………….(3)

Donde dQ es el elemento de la 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 utilizará el método de mezclas y el proceso de medida se realizará a presión constante.

MÉTODO DE MEZCLA

Cuando el intervalo de temperatura no sea muy amplio se utiliza el método de mezclas, el cuál conduce a la determinación del calor específico medio; aquí se hace uso del balance de energía.Sea una porción de agua de masa ma en un calorímetro de masa mcal, ambos a la temperatura Ta y otro cuerpo de masa mc a otra temperatura Tc>Ta.Llamemos ca al calor específico del agua, ccal calor específico del calorímetro y cc al calor específico del cuerpo.Después de un tiempo prudencial de haberse mezclado el agua con el cuerpo el sistema adquirirá una temperatura de equilibrio Te. Se encuentra la ecuación:

…..(4)

Conociendo el calor específico del agua y del calorímetro, el calor específico del cuerpo queda automáticamente determinado.IV. PROCEDIMIENTO


Q/∆T = Q'//∆T'

Q/m = Q'/ m'

c = (1/m)(dQ/ dT)

mc cc (Tc - Te) = mcal ccal (Te - Ta) + ma ca (Te - Ta)


Determinación del equivalente en agua del calorímetro

Montaje

1. Monte el equipo como muestra el diseño experimental en la guía.2. Coloque en el calorímetro una masa de 150 g de agua (para la medida

del volumen utilice la probeta graduada).3. Tome la temperatura en el calorímetro.4. Mida la masa de la primera muestra cilíndrica y complete la tabla 1.

Tabla 1m agua 150 g

Ta 22°Cmc 87 g

5. Deposite la muestra en el vaso de precipitados que contiene 500 ml de agua y sométela a la acción térmica, hasta que alcance la temperatura de ebullición.

6. Deje hervir la muestra de 7 a 10 minutos.

7. Retire la muestra del agua caliente e introdúzcala rápidamente en el calorímetro. Tápelo inmediatamente. Anote la temperatura en el momento que llegue al equilibrio Te.

8. Realice la misma operación con muestras de sustancias diferentes. Coloque en el vaso con agua a hervor una muestra cada vez.

9. Complete la tabla 2 y determine el calor específico de las muestras. No olvide acompañar a cada valor su error experimental.

TABLA 2

Bloque Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3Ta (°C) 23 23 22Tc (°C) 98 97 98Te (°C) 25 24 23mc (g) 87 27 111.5

C (cal/g°C) 0.062 0.228 0.043

V. EVALUACIÓN



A partir de los datos de la tabla 2 y de la ecuación (4) halle los calores específicos de los bloques utilizados en la experiencia.

CÁLCULOS Y RESULTADOS

a) ¿DETERMINANDO LA CAPACIDAD CALORÍFICA DEL CALORÍMETRO?

DATOS:

Masa inicial (A) de agua: 150grTemperatura inicial: 21ºCTemperatura con el calorímetro: 23ºCMasa B de agua: 150gr58ºC calentando.52ºC en el equilibrio

LUEGO:

mA(H2O) Ce.∆T+ Cc.∆T = mB(H2O) Ce.∆T`150(1cal/g.C).(23°-21°)+ Cc(23°-21°)=150(1cal/g.C).(58°-52°)Cc=300cal/ºC

Por lo tanto la capacidad calorífica del calorímetro usado es: Cc=300cal/ºC

b) Calculando el calor específico de cada muestra dada en el laboratorio

MUESTRA “1”:

Masa del agua: 150gMasa de la muestra 1 : 97gTemperatura inicial: 23ºcTemperatura de la pieza al colocarla en el agua: 98ºCT. de equilibrio: 24ºCCalor específico del agua: 1cal/g°C

Cálculo del calor específico de la muestra 1:150g(1cal/g°C) (24-23)+300(24-23)=97(CeM1) (98-24)Luego el calor especifico de la muestra 1 es:CeM1=0.062cal/g.ºC



MUESTRA “2”:

Masa del agua: 150grMasa de la muestra 2 : 27gTemperatura de inicio: 23ºCTemperatura de la pieza: 97ºCT. de equilibrio: 24ºC

Cálculo del calor específico de la muestra 2:150g(1cal/g°C) (24-23)+300(24-23)=27(CeM2) (97-24)Luego el calor especifico de la muestra 2 es:CeM2 =0.228 cal/g.ºC

MUESTRA “3”:

Masa del agua: 150grMasa de la muestra 3 : 137gTemperatura inicial: 22ºCTemperatura de la pieza: 98ºCT. de Equilibrio: 23ºC

Cálculo del calor específico de la muestra 3:150g(1cal/g°C) (23-22)+300(23-22)=137 (CeM3) (98-23)Luego el calor específico de la muestra 3 es:CeM3 =0.043 cal/g.ºC

TABLA 2

Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3C (cal/g°C) 0.062 0.228 0.043

VI. TAREA

I. Busque los valores de los calores específicos de los bloques trabajados en clase y halle el error porcentual con los valores que halló en el laboratorio. Si el error le sale mayor a 10%, justifique ¿por qué?



Bloque Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3

C (cal/g°C) exp. 0.062 0.228 0.04

C (cal/g°C) teór. 0.054 0.217 0.03

Error exp. 14.81% 5.069% 33.3%

Los errores experimentales presentes pueden ser consecuencia de:

Por ejemplo se observó que en nuestro aislador térmico existe un pequeño agujero por el cual se introduce el termómetro por el cuál variaría levemente nuestros cálculos.

También que el termómetro con el cual hacemos todas nuestras mediciones al usarlo para medir temperaturas extremas no se estabiliza y podría variar nuestros cálculos.

Además que debido a los años de los materiales, se pudo observar los golpes y capas de oxido en uno de ellos lo cual podría modificar levemente nuestros cálculos.

Se observa claramente al momento de medir el peso de cada pieza que se trata de materiales distintos.

En la determinación de la capacidad calorífica del calorímetro solo puede

ser determinada de manera indirecta debido a que contamos con un termo como calorímetro.

Las piezas al estar en el agua caliente sufrieron una leve variación en su volumen pero esto no influye en el cálculo del calor específico.

II. ¿Qué es un calorímetro? Descríbalo y explique cómo funciona

El calorímetro es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Es decir, sirve para determinar el calor específico de un cuerpo, así como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos.



El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro (que también puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose según se va enfriando el objeto. El calor latente, que no está relacionado con un cambio de temperatura, es la energía térmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa.

III. Investigue cuántos tipos de calorímetros hay en el mercado y cuáles son sus usos de cada uno de ellos.

Tipos de calorímetros

estáticos. no estáticos. permanentes.



pretermicos

Calorímetros comúnmente usados

dry load calorimeter microcalorímetro calorímetro de flujo calorímetro adiabático calorímetro de cambio de estado

Dry load calorimeter

En comparación con los instrumentos posteriores la precisión era muy modesta con una incertidumbre de 2% para la versión coaxial y uno a 2.5% para las versiones de guía de ondas. no obstante, estos diseños establecieron la dirección general para los siguientes instrumentos.

Nueva precisión en cargas y conectores desarrollados en los años 60 llevaron a una nueva generación de calorímetros coaxiales con mejor perfomance e incertidumbres debajo de 0.5% para frecuencias arriba de los 8 ghz.

Los calorímetros operan a niveles de potencia entre 100 mw y 10 w respectivamente.

La carga de un calorímetro es un elemento crítico. Es deseable que esta pueda ser acoplada eléctricamente y que tenga un muy pequeño error de equivalencia, que es igual a la rf disipada y a la potencia dc que pueden producir la misma lectura de temperatura.

Componentes esenciales:

la carga donde la potencia es disipada. línea de transmisión aislada isotérmicamente la cuál conecta la entrada a

la carga un sensor de temperatura

Funcionamiento básico

Muchos calorímetros utilizan el principio de carga dual, en el cual una absorbe mientras que la segunda actúa como temperatura de referencia.

El sensor de temperatura registra la diferencia entre las temperaturas de las 2 cargas.



En teoría los efectos de las fluctuaciones de la temperatura externa se cancelan debido a la simetría, sin embargo si los alrededores no tienen una temperatura uniforme el gradiente de temperatura puede causar error.

El elemento de absorción de la carga es usualmente un thin film resistor, aunque dieléctricos de bajas perdidas son usados para las versiones de guías de ondas. El sensor de temperatura es montado en el lado de afuera de la carga en una posición donde no es influenciado directamente por los campos electromagnéticos. Siendo ésta una de las características distintivas de un calorímetro y es esencial para su alta precisión.

Efecto Peltier

Consiste en que la circulación de corriente en un sentido produce un calentamiento y al circular en el otro sentido produce un enfriamiento.

Microcalorímetro

Es el tipo de calorímetro más usado. Estrictamente hablando, no es un medidor de potencia pero es un instrumento para determinar la eficiencia efectiva de un montaje bolométrico.

Fue originalmente inventado para la calibración de metal wire bolometers, pero termistores y películas bolométricas también pueden ser calibradas por este método.

Funcionamiento

Antes de comenzar la medición, el montaje bolométrico es insertado dentro del calorímetro, donde actúa como la carga, cuando la medición es completada el bolómetro es removido y entonces puede ser usado como una referencia calibrada.

Procedimiento de calibración

El puente suple una dc para mantener la resistencia del elemento bolómetro a un valor especificado r. Antes de comenzar la medición rf la sensitividad g1 de la termopila es determinada (v/w) notando la subida en voltaje de salida de la termopila cuando la dc es aplicada.

Cuando la potencia rf es aplicada, la potencia disipada en el elemento es mantenida constante por el puente, pero la potencia es disipada adicionalmente en las paredes y en cualquier otro lugar del montaje.



Calorímetro de flujo

La potencia es medida a través del calor de un fluido que fluye a través de la carga. Una indicación de la potencia es dada por la subida en la temperatura del fluido pasando del orificio de entrada al de salida.

Características

Las versiones de guías de ondas utilizan como fluido de trabajo agua. Mientras que el coaxial utiliza aceite y es construido para bajas frecuencias. Aire también puede ser usado, pero el uso de gases crea un problema adicional a causa del calor debido a la compresibilidad.

Los calorímetros de flujo pueden manejar mayores potencias que los tipos estáticos. Su principal aplicación es para potencias de muchos watts. Para medir las subidas de temperatura en un calorímetro usualmente se emplean termopilas, termómetros de resistencia y algunas veces termistores.

VII. 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.

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.

VIII. RECOMENDACIONES

Al momento de cambiar de material el agua que se encuentra en el calorímetro debe de ser cambiada y esperar a que regrese a su temperatura normal.

No esperar que la temperatura del agua llegue a los 100grados ya que se notaria la existencia de una calor latente.



Se recomienda que al momento de cerrar el termo debe taparse con un papel el agujero por donde atraviesa el termómetro para lograr un equilibrio mejor.

Al momento de registrar la temperatura debe de ser rápido y no tomar por mucho tiempo el termómetro ya que nuestra T. influenciaría en la del sistema.

Se recomienda en el cálculo del calor específico de los sólidos esperar un tiempo de 8 o 10 minutos para que se logre un equilibrio más estable.

Se recomienda que entre la determinación de cada muestra esperar un tiempo necesario para que el calorímetro regrese a su temperatura inicial evitando valores viciados en la experiencia.


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