Calor Especifico - ejercicios PDF

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LABORATORIO 2

DETERMINACIÓN DEL CALOR ESPECÍFICO INTEGRANTES: Meza Artica Gabriela Palomino León Evelyn I. OBJETIVO Determinar el calor específico de un alimento por el calorímetro.

II. JUSTIFICACIÓN El calor específico de una sustancia es una medida de la cantidad de energía necesaria para elevar una unidad de temperatura la unidad de masa. El Calor específico es dependiente de la temperatura. Sin embargo, para el propósito de muchos cálculos térmicos, estas variaciones son pequeñas y se usa un valor medio para el rango de temperatura considerado (Lewis, 1993). El calor especifico depende de la naturaleza del proceso de adición de calor en términos tanto de un proceso a presión constante como de un proceso a volumen constante; sin embargo, debido a que los calores específicos de los sólidos y de los líquidos no dependen mucho de la presión, excepto para presiones extremadamente elevadas, y debido a que los cambios de presión en los problemas de transmisión de calor de los materiales agrícolas son usualmente pequeño, se considera el calor especifico a presión constante (Mohsenin, 1980; citado por Sahin y Gülüm, 2009).

Esta propiedad térmica se utiliza para calcular la dosis de energía que es necesario ceder o extraer a un cierto material para que su temperatura varíe en una cantidad deseada. En un proceso por lotes (batch) la cantidad de energía suministrada o extraída para hacer variar la temperatura del alimento viene dado por la expresión del calor sensible: Q  m  Cp  T

(1)

Donde: Q (kJ). m Cp ΔT (K).

= Cantidad de calor sensible = Masa (kg). = Calor específico a presión constante (kJ/ kg-K). = Variación de temperatura

En un proceso continuo, el índice de la transferencia de calor está dado por:

Donde: Q/t = Velocidad de transferencia de calor (kW). m/t = Flujo másico (kg/s). El calor específico de los alimentos se puede obtener a partir de mediciones en experiencias de laboratorio o por predicciones a partir de su composición.

El método de la mezcla es el sistema más ampliamente utilizado para medir el calor específico de materiales alimentarios y agrícolas debido a su simplicidad y precisión. En el cual una masa conocida (m s) de un producto a una temperatura (Ts) entra en contacto con un fluido de temperatura (Tc,) calor específico (Cpc) y masa (mc) conocida en un calorímetro de masa (m k) y calor específico (Cpk) también conocidos. Finalmente se mide la temperatura de equilibrio de la mezcla (Tm). En la determinación del calor específico de la muestra se asume que el calor ganado por la muestra + el calor ganado por el calorímetro es igual al calor perdido por el fluido (principio de la igualdad de los intercambios caloríficos), entonces se tiene:

Donde: ms = masa de la muestra mk = masa del calorímetro mc = masa del fluido caliente Cps = calor específico de la muestra Cpk = calor específico del calorímetro Cpc = calor específico del fluido Ts = temperatura inicial de la muestra Tc= temperatura inicial del fluido Tm = temperatura de equilibrio de la mezcla Tk = temperatura del calorímetro De donde se puede despejar el calor específico de la muestra. La precisión de este método se basa en la suposición de intercambio de calor despreciable entre el calorímetro y la atmosfera que le rodea. En este método se obtiene un valor medio de Cp para el correspondiente intervalo de temperaturas. Si se desea una relación completa calor especifico-temperatura, se deben realizar experimentos adicionales a diferentes intervalos de temperatura (Sahin y Gülüm,

2009). Muchos estudios afirman que se puede predecir el Calor Específico del alimento, a partir de su composición, mediante la aplicación de ecuaciones, una de ellas es la propuesta por Miles et al. (1983), citado por Lewis (1993), quienes distinguen entre grasas y sólidos. La ecuación viene dada por: Cp = (0.5 mg + 0.3 msng + ma) x 4.18 (kJ/kg-K) Donde: Cp = calor específico mg = Fracción en peso de la grasa del alimento msng= Fracción en peso de los sólidos no grasos del alimento ma= Fracción en peso del agua del alimento.

Si es posible obtener un análisis aproximado del alimento, puede utilizarse la siguiente ecuación: Cp = 4.18ma + 1.22mc + 1.9mp + 1.9mg + 0.8mz Donde: Cp = calor específico ma = Fracción en peso del agua del alimento mc= Fracción en peso de los carbohidratos del alimento mp= Fracción en peso de las proteínas del alimento mg= Fracción en peso de la grasa del alimento mz= Fracción en peso de las cenizas del alimento

3.2 MÉTODOS a).  

Determinar el Calor específico del calorímetro Pesar el calorímetro. De manera muy rápida verter 300 g de agua fría (conocer la temperatura exacta)



Inmediatamente verter 300 g de agua caliente (conocer la temperatura exacta) dentro del calorímetro.



Cerrar el calorímetro e introducir el termómetro de tal manera que el bulbo esté en el centro geométrico.



Colocar el sistema en un medio aislante, para no disipar calor al medio ambiente.

  b).

Esperar y registrar la temperatura de equilibrio del sistema. Realizar los cálculos correspondientes y determinar el ck del calorímetro. Determinar el Calor específico de la muestra  Pesar 300 g de muestra. (ms)  Medir la temperatura de la muestra (Ts)  Colocar los 300 g de muestra dentro del calorímetro  Verter inmediatamente 300 g de agua caliente (conocer la temperatura exacta)  Cerrar el calorímetro e introducir el termómetro de tal manera que el bulbo esté en el centro geométrico.  Colocar el sistema en un medio aislante, para no perder calor al medio ambiente.  Esperar y registrar la temperatura de equilibrio (Tm) del sistema.  Realizar los cálculos correspondientes y determinar el cp (cs) de la muestra

IV

c)

Realizar el item a y b utilizando los dos Calorímetros

d)

Comparar el Calor específico promedio experimental con valores teóricos

RESULTADOS Y DISCUSIÓN: Discutir sobre los videos observados, usando teoría

Montes (2013) Nos dice que cuando el calor fluye hacia o de una sustancia, su temperatura cambia. La medición del flujo de calor se llama calorimetría, asimismo el calorímetro es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. En la información procesada en el primer y tercer video comprobamos dicha teoría ya que informan que un calorímetro es un dispositivo que mide la transferencia de energía como calor teniendo un dispositivo para medir temperatura y una pared adiabática que impide la transferencia de calor hacia los alrededores. Montes (2013) También nos menciona que el calorímetro adiabático no permite el intercambio de energía en forma de calor entre la celda y los alrededores, para sistemas aislados permite hacer la relación calor generado y diferencia de temperatura, entre sus métodos conocidos que evitan el intercambio de calor entre el sistema y sus alrededores es el uso de una resistencia térmica, lo cual se observo en el primer video como es que evitan el intercambio de calor aislando al sistema con algodón, así que elaboraron un buen calorímetro adiabático. Arrivillaga (2018) Nos menciona que los metales generalmente conducen el calor mejor que otros sólidos. En los metales, algunos de los electrones no están pegados a átomos individuales, sino que fluyen libremente entre los átomos. Esto hace que los metales sean tan buenos conductores del calor, por ello observamos en el segundo video que los cuerpos de prueba son metales

conocidos para que se pueda conducir mejor el calor sin tener intercambios en el sistema. Bolivar (2010) Nos dice que la calorimetría adiabática nos permite determinar propiedades como la entropía y se considera como la mejor técnica para medir la capacidad calorífica, una de sus aplicaciones es determinar el intercambio de calor que ocurre en una reacción química, también en la conservación de los alimentos y cultivos, evalúa la interacción de las nanopartículas con las proteínas, lo cual se verifica con lo expuesto en el primer video donde nos dan la acotación que sus aplicaciones incluyen mediciones de poder calorífico para productos alimenticios y suplementos, estudios termodinámicos de materiales combustibles, estudios de balance de energía en ecología y la enseñanza de métodos termodinámicos básicos que se relacionan con lo mencionado por el autor V

CONCLUSIONES: 





En el primer video se identificó el adecuado proceso para elaborar un calorímetro con su correcta sustentación y el respectivo uso, previamente explicándonos que es calorimetría, la función del calorímetro y sus aplicaciones. Por consiguiente, en el segundo video se relaciono la importancia de los metales con la transferencia de calor ya que se expuso una cocineta con un calorímetro de los cuales tenían que estar distanciados debido a la captación de calor para que no haya transferencia del sistema que se estaba evaluando y también de los cuerpos de prueba. Finalizando con el tercer video, se aclaró y se entendió lo que es calorímetro como funciona y para que se usa, y la importancia que es aplicarlo en un sistema cerrado.

CUESTIONARIO 1. Realice un cuadro comparativo entre 3 o más métodos para calcular el calor específico.

Mezclas

METODOS PARA CALOR ESPECIFICO Presión atmosférica Propiedades termo físicas(conservación)

Para determinar el calor específico de una substancia que no reacciona químicamente con el resto del sistema, consiste, en el caso de un sólido, en introducir éste en una masa conocida de agua, que se encuentra a una temperatura diferente de la del sólido. Si se prescinde de los intercambios de calor con el ambiente (difíciles de evitar), se tendrá que la mezcla sólidoagua-calorímetro alcanza una temperatura de equilibrio, de modo que el calor cedido por el sólido será igual al calor absorbido por el agua y por el instrumento. dicho de otra forma: (cedido por el sólido) = (absorbido por el agua) + (absorbido por el instrumento)

Las propiedades termofísicas se realiza utilizando el instrumento KD2 (Decagon Devices, Inc., Pullman, WA). Con dicho instrumento se obtuvieron la conductividad y la resistividad (no reportada), así como la temperatura a la que se realizó la medición. Para el cálculo del calor específico de los alimentos, se utilizaron las correlaciones: Cp X = + ap (arriba del punto de congelación) Cp X = + ap (abajo del punto de congelación) Donde el Cp es el calor específico (kcal/kg°C) y X ap es el porcentaje de agua en el alimento. Finalmente, la difusividad térmica fue evaluada en base a los valores obtenidos de densidad, conductividad térmica, y calor específico.

El equipo DSC permite determinar la temperatura y el flujo de calor asociados a transiciones en función de la temperatura y del tiempo. Para la medida, la muestra se depositó en una cápsula de aluminio, cerrada herméticamente para evitar la evaporación del agua. Esta cápsula y la cápsula de referencia (vacía) están situadas en un disco termoeléctrico rodeado de un sistema calefactor A medida que la temperatura del calefactor cambia (calentando con una velocidad lineal), el calor se transfiere a la muestra y a la referencia a través del disco termoeléctrico. El DSC trabaja con un software (Universal Analysis 2000, Versión 4.1 D. TA Instruments) y un ordenador personal que permiten introducir las condiciones del experimento y analizar los resultados El calor específico a presión atmosférica, cp0(J/kg·K), en función de la temperatura

2. Grafique y explique toda la curva de calentamiento para el agua a presión atmosférica (desde hielo a vapor).

3.

Calcule el calor necesario para vaporizar 10kg de hielo desde -4 °C hasta 120°C

4. Una muestra de 25.64 g de un sólido se calentó en un tubo de ensayo a 100°C en agua hirviendo y se agregó cuidadosamente a un calorímetro taza de café con 50g de agua. La temperatura del agua se incrementó a 25.10 a 28.49°C. ¿cuál es la capacidad calorífica específica del sólido? Asuma que todo el calor fue ganado por el agua

VI.

BIBLIOGRAFÍA  ALVARADO, J; AGUILERA, J.M. 2001. Métodos para medir propiedades físicas en Industria de Alimentos. Editorial ACRIBIA S.A. Zaragoza.  ARRIVILLAGA H., 2018, ¿Por qué los metales son buenos conductores del calor?, recuperado de: https://es.quora.com/Por-qu%C3%A9-los-metales-sonbuenos-conductores-del-calor#:~:text=Los%20metales %20generalmente%20conducen%20el,buenos %20conductores%20de%20la%20electricidad.

 BOLIVAR G., 2010, Calorimetría: qué estudia y aplicaciones, recuperado de: https://www.lifeder.com/calorimetria/  LEWIS, M.J. 1993.Propiedades Físicas de los Alimentos y de los Sistemas de Procesado. Editorial ACRIBIA S.A. Zaragoza. España.  MONTES D., 2013, Calorímetros: Tipos, usos y aplicaciones, recuperado de: https://prezi.com/a5vqlnbv1zt/calorimetros-tipos-usos-y-aplicaciones/  SAHIN S. GÜLÜM, S. 2009. Propiedades físicas de los alimentos. Editorial Acribia S.A. Zaragoza, España. Traducción de la edición en inglés....