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CALORIMETRÍA

CALOR ESPECÍFICO Y CALOR LATENTE A: JUSTIFICACIÓN La termorregulación es la capacidad que tiene un ser vivo homeotermos (de sangre caliente) para modificar su temperatura dentro de ciertos límites, aun cuando la temperatura externa sea muy diferente. El centro termorregulador en los seres humanos está localizado en la región preóptica del hipotálamo anterior, cerca del piso del tercer ventrículo. Esta función de regulación de la temperatura se logra en gran parte gracias a las propiedades particulares del agua, derivadas de su estructura, como lo son el calor específico, alto calor de vaporización, alta tensión superficial, capilaridad, entre otras. Una de las más significativas es su alto calor específico, lo que se traduce en que para aumentar su temperatura se necesita absorber mucho calor por unidad de masa, siendo responsable de ellos los enlaces tipo puentes de hidrogeno. Esta propiedad es de gran importancia en la regulación meteorológica del clima, por ejemplo, el alto calor específico mantiene la temperatura media del agua relativamente constante entre el día y la noche, de igual manera ocurre en los océanos, mares y lagos. El calor específico también es una propiedad que en la industria permite hacer una selección los materiales según sus necesidades, por ejemplo, un disco de freno confeccionado en aluminio, aparte de ofrecer un menor peso frente a uno de acero, presenta un mayor calor específico, siendo capaz de soportar mayores temperaturas y ofrecer así mejor frenada y durante mayor tiempo antes de llegar a fatigarse.

Figura 1: Prendas térmicas

En general el calor específico de los sólidos se utiliza principalmente en la industria de la construcción para evaluar el comportamiento del material de construcción. En verano, las telas con alta capacidad calorífica mantienen las habitaciones frescas durante mucho tiempo. CONCEPTOS CLAVE En invierno, mantienen el calor en los edificios por más tiempo. Calor Específico Calor Latente B: OBJETIVOS Termodinámica - Calcular experimentalmente el valor del calor específico de diferentes sustancias. 1 | © ® [email protected]

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-

Calcular experimentalmente el valor del calor latente de fusión del agua. Identificar una nueva propiedad que permite diferenciar un material de otro.

C: NOTA TEÓRICA El calor es la energía que fluye de un objeto a alta temperatura a un objeto de baja temperatura, debido a la diferencia de temperaturas. La propiedad del agua que permitió la definición original de la caloría, es la medida del cambio de temperatura que experimenta el agua cuando absorbe o libera una cantidad de calor. El término general para esta propiedad es el de capacidad calorífica y se define como la cantidad de calor necesaria para cambiar la temperatura de un objeto en 1 K (1 C°). La capacidad calorífica es una propiedad extensiva, lo que significa que su magnitud depende del tamaño de la muestra. Por ejemplo, para elevar 1 C° la temperatura de 1 g de agua se requieren 4,18 J (1 cal) pero para cambiar la temperatura de 100 g de agua 1 C° se requerirá 100 veces esta energía. La muestra de 1 g tiene una capacidad calórica de 4,18 J/°C, mientras que la muestra de 100 g tiene una capacidad calorífica de 418 J/°C. Una propiedad intensiva que se relaciona con la capacidad calorífica es el calor específico, el cual se define como la cantidad de calor necesaria para elevar 1 °C la temperatura de 1 g de una sustancia. Para el agua, el calor específico es de 4,18 J/ g C°. La mayoría de las sustancias tienen calores específicos mucho más pequeños. Por ejemplo, el hierro tiene un calor específico de sólo 0,452 J / g K. Esto significa que se requiere menos calor para elevar 1 g de hierro que el que se necesita para elevar la temperatura del agua. Lo que significa también que una cantidad dada de calor elevará más la temperatura de 1 g de hierro de lo que haría 1 g de agua. El calor específico elevado del agua modera los efectos que ejerce el mar sobre el clima. Estas grandes masas de agua se enfrían con mayor lentitud en invierno que las grandes extensiones de tierra; de esta manera el aire que llega a Tierra después de pasar sobre el mar nunca estará tan frío como el aire que ha pasado sobre las grandes extensiones de tierra. Similarmente, en verano, el aire cerca del mar estará tan caliente como el aire de la parte central de los continentes, porque el mar se calienta más lentamente que las grandes extensiones de tierra. Si Q es la cantidad de calor que hay que dar (o quitar) a una masa m de un cuerpo para subir su temperatura de t 1 a t2, se puede definir el calor específico promedio del cuerpo entre t 1 y t2 como:

c

Q m (t 2  t1 )

(1)

El calor latente es el calor que absorbe o da una cierta unidad de materia durante su cambio de estado físico o químico a temperatura constante. Puede ser por ejemplo, un calor de disolución, de dilución o de reacción química, pero en lo que se refiere a la termodinámica de nuestro curso, los calores latentes que nos interesan son: 

El calor latente de fusión: Calor necesario para hacer pasar la unidad de masa de un cuerpo del estado sólido al estado líquido sin cambiar su temperatura.



El calor latente de vaporización: Calor necesario para hacer pasar la unidad de masa de un cuerpo del estado líquido al estado gaseoso sin cambiar su temperatura.

En general, si Q es la cantidad de calor necesaria que se le debe agregar a una masa m de una sustancia dada, para que esta sufra un cambio de estado, podemos definir al calor latente de ese cambio de estado como:

2 | © ® [email protected]

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h

Q m

(2)

En la Tabla 1 podemos ver los valores de estos para algunas sustancias comunes. Tabla 1: Algunos Datos de importancia para la práctica FUSIÓN Temperatura Calor Latente de fusión Q Tf (J /g) (K) 1356 205 601 22,9 932 399 961 88,2 1808 69,1 273 333,7 -----------

SUSTANCIA Cobre Plomo Aluminio Plata Hierro Agua Agua sólida

EVAPORACIÓN Temperatura Calor de Latente evaporación Q Tev (J /g) (K) 2609 4796 2023 859 2600 10530 2193 2330 3023 6340 373 2259 -----------

Calor Específico c (kJ/kg °C) 0,39 0,13 0,90 0,230 0,450 4,18 2,10

En nuestro experimento emplearemos el procedimiento conocido como método de mezclas, el cual se basa en el principio de conservación de la energía y, por ser el calor una forma de energía, podemos asegurar que cuando dos o más sustancias a diferentes temperaturas se mezclan, la cantidad de calor perdida por una(s) de las sustancias es igual a la cantidad de calor ganada por la(s) otra(s), en el entendido de que no tendremos perdidas de energía al transformarse este en otra forma de energía. El procedimiento permite determinar el calor específico de un sólido al medir la cantidad de calor cedida por cierta cantidad de él a una temperatura alta al mezclarse con agua a baja temperatura en un calorímetro. El calorímetro es un recipiente diseñado para minimizar el flujo de calor hacia (o desde) el ambiente que la rodea. Aun así, siempre habrá flujo de energía entre la mezcla y el ambiente. Obviándolas, podemos plantear la conservación de la energía como: Qcedido + Qganado = 0

(3)

Por ejemplo, si tenemos un trozo de metal de masa m M, al que se quiere determinarle el valor de su calor especifico (c M), el cual se encuentra a una temperatura T M, y lo colocamos en un calorímetro que contiene una masa de agua conocida m H2O y calor especifico c H2O, a una temperatura T H2O, al cabo de cierto tiempo ambos tendrán una misma temperatura (T eq ) de equilibrio, la ecuación (3) toma la forma siguiente: mM *cM * (Teq – TM) + mH20 * c H2O * (Teq – TH2O ) + K * (Teq – T H2O) = 0

(4)

En la ecuación anterior, el termino K * (T eq – TH2O ) representa la posible participación que pueda tener el calorímetro, en caso de que este no participe tomara el valor de cero (K = 0).

D: MATERIALES Y EQUIPO 

Equipo de cómputo con los complementos o plug-in activados (Adobe Flash) y conexión a internet.



La experiencia de laboratorio se desarrollara en el siguiente sitio web:

3 | © ® [email protected]

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https://media.pearsoncmg.com/bc/bc_0media_chem/chem_sim/calorimetry/Calor.php E: TRABAJO PREVIO  Investigue cuales son los mecanismos internos de pérdida de calor en los seres humanos.  Investigue al menos una forma de cómo se emplean las propiedades térmicas del agua en la industria. F: PROCEDIMIENTO 1. Ingresar a la página web: https://media.pearsoncmg.com/bc/bc_0media_chem/chem_sim/calorimetry/Calor.php 2. Seleccionar la pestaña “Experiment” 3. Familiarizarse con la plataforma por medio de la demostración del experimento. Para ello darle clic en “Run Demostration” y seguir las instrucciones indicadas. Primeramente observará cómo se mezclan las sustancias. Luego, se repetirá la simulación pero mostrando el comportamiento de ambos fluido por medio de una gráfica de temperatura contra tiempo tiempo y, finalmente se visualiza microscópicamente la interacción entre ambos fluidos. Es necesario contestar las preguntas que van mostrando en el panel izquierdo, luego se debe dar clic en “Next” para poder avanzar con la demostración. Finalizada la demostración, dar clic en la pestaña “Overwiew” o “Learning Outcomes” y luego volver a seleccionar la pestaña “Experiment”. 4. De clic en “Run Experiment” 5. Seleccionar, para el Beaker, un tipo de líquido (Water, Ethanol, Isopropanol, Acetone) con una masa m1 a una temperatura T1 a su elección. Recuerde mostrar y anotar el calor específico del líquido seleccionado. Anote sus datos en la tabla 1, luego de clic en “Next”. 6. Seleccionar, para el calorímetro, el mismo tipo de fluido escogido para el Beaker con una masa m2 y temperatura T2. Luego de clic en “Next”. (procures que entres m1 y m2 la diferencia no sea superior a un 50 %) 7. De clic en “Show graph view” y “Show microscopic view” (No en todos los casos está disponible) y luego presione el botón “Star”. 8. Tanto en el caso anterior como en todos los próximos, recuerde anotar sus observaciones del comportamiento del gráfico y del movimiento de las moléculas. 9. Repetir el experimento para tres pares más de fluidos. (para cada par ambas sustancias diferentes) 10. Repetir la simulación (el experimento) pero utilizando, para el Beaker, una masa m1 de plata (Ag) a una temperatura T1, y en el calorímetro selecciones alguno de los fluidos (Water, Ethanol, Isopropanol, 4 | © ® [email protected]

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Acetone) con una masa m2 de aproximadamente 100 g de agua y una temperatura T2. Luego de clic en “Next”. 11. Repetir la simulación pero utilizando, para el Beaker, una masa m1 de cobre (Cu) a una temperatura T1, y en el calorímetro selecciones alguno de los fluidos (Water, Ethanol, Isopropanol, Acetone) con una masa m2 de aproximadamente 100 g de agua y una temperatura T2. Luego de clic en “Next”. 12. Repetir la simulación pero utilizando, para el Beaker, una masa m1 de hierro (Fe) a una temperatura T1, y en el calorímetro selecciones alguno de los fluidos (Water, Ethanol, Isopropanol, Acetone) con una masa m2 de aproximadamente 100 g de agua y una temperatura T2. Luego de clic en “Next”. 13. Repetir la simulación pero utilizando, para el Beaker, una masa m1 de hielo (H2O(S)) (debe desplazarse hasta el final de la lista de los sólidos) a una temperatura T1, y en el calorímetro selecciones como fluido (Water, Ethanol, Isopropanol, Acetone) con una masa m2 de aproximadamente 100 g de agua y una temperatura T2. Luego de clic en “Next”. Repita este caso una vez más. Tabla 2: Determinación del calor especifico de un metal C A S O

RECIPIENTE

1

Beaker Calorímetro Beaker Calorímetro Beaker Calorímetro Beaker Calorímetro Beaker Calorímetro Beaker Calorímetro

2 3 4 5 6 7

SUSTANCIA

TEMPERATURA Ti (°C)

CALOR ESPECIFICO c (J/g°C)

TEMPERATURA DE EQUILIBRIO Tf (°C)

OBSERVACIONES

Plata (Ag) Cobre (Cu) Hierro (Fe)

Beaker Calorímetro Beaker Calorímetro

8

MASA m (g)

Agua Hielo Agua Hielo

G: RESULTADOS I.

Llamaremos a la sustancia en el beaker la sustancia en estudio, aplicando un balance de energía se tiene la expresión para el calor específico la siguiente expresión: (Ver balance de energía en nota al final de la guia)

5 | © ® [email protected]

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m2c 2 Teq  T2 m1 T  Teq1 

 c1

(6)

m2: masa de las sustancia en el calorímetro, en gramos c2: capacidad calorífica de la sustancia en el calorímetro, en J/g°C Teq: Temperatura de equilibrio del sistema, en °C. T2: Temperatura inicial de la sustancia en el calorímetro, en °C. T1: Temperatura inicial de la sustancia en el beaker, en °C. c1 capacidad calorífica de la sustancia en el beaker, en J/g°C

donde:

Anote sus resultados en la tabla 3. Tabla 3: Calores específicos experimentales. Sustancia en el Beaker

Calor especifico C1 (J/g°C)

% de error*

* Emplee como valor teórico los datos de la tabla 1.

% error  II.

cteórico  cexperimental cteórico

100

Para el caso del hielo, si se realiza un balance de energía se puede obtener la siguiente expresión para el calor latente de fusión del hielo: h fusión 

magua cagua Tagua  Teq   mhielo chielo Thielo  mhielo c agua Teq

(7) mhielo Emplee la expresión anterior para determinar el calor latente de fusión del hielo, anote sus resultados en la tabla 4. Tabla 4: Calores latente de fusión del hielo. Sustancia en el Beaker Hielo Hielo 6 | © ® [email protected]

Calor latente de fusión hfusión (J/g°C)

% de error*

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H: CUESTIONARIO 1. ¿Qué implicación tiene que una sustancia tenga un alto valor del calor específico? 2. ¿Por qué se emplean distintas sales para almacenar energía? 3. ¿Qué característica debe tener un calorímetro ideal? ¿Cómo se construyen? I: COMPLEMENTOS Todo sobre las propiedades del agua: http://pilarvsroly.blogdiario.com/1195863300/el-agua/ _____________________ Nota 1: Balance de energía en el caso de mezclas sin fusión QCEDIDO QGANADO  0

(a)

QBEAKER  QCALORÍMETRO  0

(b)

mc T BEAKER  mc T CALORÍMETRO

0

m1 c1  Teq  T1  m2 c2  Teq  T2   0

m2c 2 Teq  T2 m1  T  Teq 1 

 c1

(c) (d)

(e)

Nota 2: Balance de energía en el caso de mezclas con fusión QCEDIDO  QGANADO  0 mhielo  chielo  0  Thielo   mhielo  h fusión  mhielo  c agua  Teq  0  m agua c agua  T eq  Tagua  0

h fusión 

magua c agua  Tagua  Teq  m hielo c hielo Thielo  m hielo c agua T eq

mhielo Nota 3: Esta práctica fue elaborada principalmente por Joshua Castro Zuñega y Randall Figueora Mata 7 | © ® [email protected]

(f) (g)

(h)...