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CALOR ESPECÍFICO Y CALOR LATENTE 1. OBJETIVOS  Evaluar experimentalmente el valor del calor específico de diferentes sustancias.  Evaluar experimentalmente el valor del calor latente de fusión del agua.

2. INTRODUCCIÓN El calor es el proceso de transferencia de energía de un cuerpo o sistema a otro debido a la diferencia de temperatura (Agustín, 2000). Una característica de las sustancias relacionadas al calor es el calor específico, que según Ibáñez (1989) es la cantidad de calor que una sustancia necesita para aumentar una unidad de temperatura en Kelvin (o un grado Celsius). La capacidad calorífica de una sustancia depende de la masa de la muestra y del calor específico de la sustancia. Así: C=c∗ m

(1)

Si se necesita un calor de Q para aumentar la temperatura de una sustancia de t1 c=

a

Q m(t 2−t1 )

t2

, entonces el calor específico se puede encontrar como: (2)

Además del calor específico, existe el calor latente específico, el cual según Collieu & Powney (1977) es la cantidad de calor necesaria para pasar de fase una unidad de masa de una sustancia. Para determinar el calor específico de un material, se utiliza el principio de la conservación de la energía, el cual implica según Serway, Faughn, & Escalona (2001) que el calor que sale de un material o una sustancia es igual al que entra en otro material o sustancia. Para calcular el calor específico de una sustancia, se realiza una prueba en un calorímetro, el cual es según Picado, Álvarez (2008) un sistema de instrumentos simples que pueden determinar el cambio de calor, transmitiendo el calor de un material con calor específico conocido al material que

1

se quiere encontrar, tratando siempre de reducir al máximo las pérdidas de calor con el entorno.

3. MATERIALES Y MÉTODOS: MATERIALES 

Calorímetro



Beakers de 400, 600, 1000 cm3



Caldera (TD-8556A)



Balanza



Hielo



Cilindros metálicos de tres metales diferentes (hierro, bronce, cobre o aluminio)



ScienciaWokshop interface 750



Sensor de temperatura o thermistor sensor (pasco – Cl – 6505A) o sensor de temperatura de acero inoxidable (pasco CI 6605)



Probetas de 30 cm3 y 250 cm3



Toallas de papel

PROCEDIMIENTO o EXPERIMENTO A: Determinación de calor especifico de un metal  Colocar agua en la caldera.  Conectar la Interface ScienceWorkshop.  Poner en funcionamiento la Interface.  Activar el programa DataStudio.  Conectar el sensor de temperatura a alguno de los canales.  Agregar una masa conocida de agua en el calorímetro, y determinar la temperatura del agua.  Colocar el sensor de temperatura en el calorímetro, con el programa Data Studio construir una gráfica de temperatura contra tiempo.  Colocar una cantidad conocida de agua caliente en un beaker. 2

 Mezclar en el calorímetro el agua caliente que se encuentra en él, y determinar la temperatura de equilibrio.  Repetir los pasos del 6 al 9.  Colocar el cilindro de metal en la caldera, esperar a que alcance el equilibrio con el agua caliente.  Preparar el agua que se pondrá en el calorímetro, medir la masa y temperatura.  Colocar el sensor de temperatura en el calorímetro, con el programa Data Studio, construir una gráfica de temperatura contra tiempo.  Cuando el cilindro este cerca de 100 ºC, introducirlo en el calorímetro, agitar, determinar la temperatura de.  Registrar el valor más alto alcanzado. o EXPERIMENTO B: Determinación de calor latente de fusión del hielo.  Pesar el calorímetro sin el agua.  Colocar en el calorímetro unos 150 g de agua caliente.  Pesar el calorímetro con el agua.  Colocar el sensor de temperatura en el calorímetro, con en el programa Data Studio, construir una gráfica de temperatura contra tiempo.  Agarrar unos 40 g de hielo y secarlos muy bien con la toalla de papel y añadir el hielo al calorímetro y continuar midiendo la temperatura, finalizar 5 minutos después de medir la temperatura más baja, agitar bien la mezcla.  Pesar el calorímetro con el agua y determinar la masa del hielo agregado.

4. MUESTRA DE CÁLCULOS

Ecuación 1:

3

|

% error=

|

% error=

|

( Valor teorico−Valor experimental) × 100 Valor teorico

(3)

|

( 90− 92 ) ×100=2, 12% 90 Q a g u a c a l ien t e + Q a gu aenc al or í me t r o + K ∆ T =0

(4)

12567,21 −14294,21 =87,00 19,85 mM *cM * (Teq – TM) + mH20 * cH2O * (Teq – TH2O) + K * (Teq – TH2O) = 0 (5)

−0.2359∗4190∗(28,77 – 16,2 )−56,77∗(28,77 – 16,2) =919,76 23.1−94.7

mH2O cH2O (TF – TG) + K (TF – TG) – mHIELO hHIELO + mHIELO cH2O (0 – TG) = 0

hhielo =

(6)

0.1755∗4190∗( 36.27 −19.02 ) +56.77 ( 36.27− 19.02 )+ 0.0362∗( 0−19.02 ) =297.77 0.0362

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5. RESULTADOS Y ANÁLISIS

Tabla 1. Determinación del calor especifico de un metal. TEMPERATURA EXPERIMENTO

SUSTANCIA

Evaluación del

MASA

T( ℃ )

m ( kg )

INICIAL

FINAL

Agua fría

0,1511

16,8

(EQUILIBRIO) 36,65

calorímetro

Agua caliente

0,1493

59,5

36,65

Evaluación del

Agua fría

0,1531

17,8

42,14

calorímetro

Agua caliente

0,134

71,1

42,14

Determinación

Agua en

del calor especifico

Calorímetro

0,2359

16,2

28,77

del metal

Cilindro

0,1995

94,7

23,1

0,1776

20,6

23,3

0,2251

92,5

24

0,1876

18,8

25,73

89,7

24,2

Metálico Determinación

Agua en

del calor especifico

Calorímetro

del metal

Cilindro

Determinación

Metálico Agua en

del calor especifico del metal

Calorímetro Cilindro

0,1961 Metálico Fuente: Estudiantes

Mediante los cambios de temperatura del agua en el calorímetro, y tomando en cuenta el valor del calor específico del agua conocido de antemano (4190), se 5

puede medir la cantidad de calor perdido en el medio, en este caso el medio es el calorímetro y así se obtiene que el valor de la constante K = 56.77, obtenido con la ecuación 4 y promediando los 2 resultados de las pruebas realizadas al calorímetro. Para calcular el calor específico de los materiales aluminio, tucsteno y cobre, se utiliza la misma metodología del intercambio de calor con el agua en el calorímetro, los resultados de las pruebas se encuentran en la tabla 1. El proceso de cambio de la temperatura se encuentra graficado en las gráficas de la 1 a la 3, donde se muestra como la temperatura del agua aumenta conforme absorbe el calor desprendido del cilindro del material calentado previamente. Gráfica 1. Temperatura de equilibrio para el cilindro de aluminio.

Fuente: Programa Data-Studio. Gráfica 2. Temperatura de equilibrio para el cilindro de tucsteno.

6

Fuente: Programa Data-Studio. Gráfica 3. Temperatura de equilibrio para el cilindro de cobre.

Fuente: Programa Data-Studio.

Tabla 2. Porcentaje de error del calor específico. Cilindro

Calor específico

Calor específico

Aluminio Tucsteno Cobre

experimental teórico 0,92 0,90 0,14 0,13 0,45 0,39 Fuente: Estudiantes

Porcentaje de error 2,12 7,88 16,60

Como se observa en las gráficas 1, 2 y 3, la temperatura se estabiliza después de un cierto periodo, lo cual nos indica que cesaron los intercambios de calor, con el cambio de temperatura y la ecuación 5 se puede obtener el valor del calor específico del cilindro, en esta ecuación se toma en cuenta el error que se agrega por la absorción de calor del calorímetro, pero sin embargo el medio puede afectar la medición y absorber parte del calor. Para el caso del cilindro de aluminio, luego de realizar el cálculo del calor específico y compararlo con el valor esperado mediante la ecuación 3, se encontró 7

que la diferencia entre ambos es de un 2,12%, lo cual indica que la medición fue correcta y que la afectación del medio fue poca en el proceso. Así mismo, la diferencia entre el calor específico encontrado para el cilindro de tucsteno y el valor esperado para el mismo, fue de un 7,88%. Un mayor porcentaje de error se puede deber a varios factores, como los posibles errores en la medición de la temperatura inicial del cilindro o perdidas de calor a la hora de transferir el cilindro al calorímetro. Para el cilindro de cobre, la diferencia fue de un 16,6%, se sabe que el cobre es el que tiene un menor calor específico, lo cual implica que es el que más fácilmente se calienta ante la presencia de calor y el que más fácilmente se enfría ante la presencia de un medio a menor temperatura, esta característica es la que permite que haya más error en la medición por las pérdidas tan rápidas de calor en el proceso de traslado del cilindro desde la caldera hasta el calorímetro, ya que el cilindro cede calor al aire a temperatura ambiente más rápidamente que los cilindros anteriores.

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Tabla 3. Método de Rowland.

SITUACIÓN / MASA ANTES DE AGREGAR EL HIELO Masa de agua mH2O =0,1755 g DESPUÉS DE AGREGAR

Primer Caso

Segundo Caso

Temperatura

Temperatura

35,9

19,02

-0,4

19,02

EL HIELO Masa de hielo mHIELO =

0,0362

g

Fuente: Estudiantes

Gráfica 4. Calor latente de fusión de hielo.

Fuente: Programa Data-Studio.

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Para la determinación del calor latente de fusión del hielo se utilizaron tanto los datos de la tabla 3 método de Rowland y de la gráfica 4 la cual fue construida gracias al programa Data-Studio, y con ayuda de la ecuación 6 en la parte de muestra de cálculos.

Primeramente el hielo debe estar seco, por lo que se colocó la masa de hielo en el congelador con anterioridad para evitar que contenga partículas de agua pegadas al hielo ya que esto presentaría un error, al principio el agua está a mayor temperatura y el proceso es más rápido pero al ir derritiéndose el hielo la temperatura del agua, el calorímetro absorbe calor del ambiente en todo el proceso por lo que este es otro error que se presenta en realización de la práctica. En la gráfica 4 se puede observar la variación de temperatura con el tiempo que se experimenta cuando se le agrega hielo al calorímetro, este contiene agua a una temperatura con unos 10°C mayor a la temperatura ambiente. La línea AB es el disminución de la temperatura en el calorímetro antes de ponerle el hielo, esto es ya que el calorímetro pierde calor ya que no se está en un ambiente ideal ni con las herramientas o equipo de mejor calidad ya que es un calorímetro casero, la curva que se extiende desde el punto B a al punto D muestra la variación al introducir el hielo en el calorímetro y éste procede a derretirse y el segmento de recta del punto D al punto E muestra el aumento en la temperatura del calorímetro una vez que el hielo se derritió y se mezcló con el agua. La línea FG representa el proceso donde se derrite el hielo y se enfría el agua. Y posterior se obtiene un temperatura de 19,02 °C que es la temperatura donde el hielo se transforma completamente en agua, o sea corresponde a la temperatura de equilibrio, y con ayuda de la ecuación 5 se obtiene el calor latente de fusión del hielo, se puede observar la muestra y su resultado en la ecuación 5 en la parte de muestra de cálculos, obteniéndose un calor latente de fusión de 297,77 J. Además se calcula el porcentaje de error obteniéndose un 10,77 % de 10

error, que este se presenta debido a que a las causas ya mencionados como que el equipo no es el correcto por completo y por lo tanto el calorímetro presenta perdida de calor, otra es que el hielo puede llevar adheridas partículas de agua, entre otras.

6. CONCLUSIONES Se puede concluir que el calorímetro presenta una participación en el proceso de determinación del calor especifico alta, esto es ya que el calorímetro no es el correcto, ya que presenta perdida y absorción de calor con el ambiente, se puede ultimar que para los diversos materiales el porcentaje de error para el calor especifico cumplen con un porcentaje de error pequeño, excepto para el cobre que el que presenta el porcentaje d error mayor esto es ya que se presentó con una participación muy alta con el ambiente por lo tanto no se encontraba con el ambiente ideal. Para la parte de la obtención del calor latente de fusión del hielo en un calorímetro que contiene agua con una temperatura un poco mayor al ambiente se obtuvo que su valor es cercano al real ya que se presenta un error aceptable, este valor conseguido se logró gracias a la gráfica que se obtuvo por medio de la interfaz del prima Data-Studio, con este se obtuvo su temperatura de equilibro del proceso de fusión del hielo, lográndose el objetivo de la práctica.

También es importante mencionar como ya se ha hecho en reiteradas ocasiones las fuentes de error que se presentan en este laboratorio, tal vez la más importante o la que tiene mayor influencia es que el calorímetro utilizado es casero por lo tanto presenta una pérdida o absorción del calo con el ambiente importante, esto se pudo evitar si se tuviera el equipo ideal en un ambiente con el menor contacto con el ambiente exterior; otro error es que a la hora de obtener el calor específico para los diversos materiales al momento de sacarles de la caldera presentaban una pérdida de calor ya que en el traslado del material desde la 11

caldera al calorímetro se podían presentar corrientes de aire disminuyendo de manera importe el calor absorbido mientras se encontraba dentro de la caldera. Y para la obtención del calor latente de fusión del hielo en calorímetro se presenta de igual manera la perdida y absorción del calorímetro con el ambiente, además de que el hielo debería de estar completamente seco por lo que se colocó en el congelador con anterioridad, pero a la hora se sacar el hielo del congelador y en su traslado a la mesa de trabajo y posterior colocación dentro del calorímetro se presenta una absorción por parte del hielo del calor exterior y por lo tanto se adhieren partículas de agua al mismo y empieza a derretirse muy rápido.

7. CUESTIONARIO

1. ¿Enumere los principales errores cometidos en este experimento?  El calorímetro utilizado es casero por lo tanto presenta una pérdida o absorción del calor con el ambiente importante.  Otro error es que cuando se procede a determinar el calor específico para los diversos materiales al momento de sacarles de la caldera presentan una pérdida de calor ya que entran en contacto con el ambiente.  Además es que el hielo debería de estar completamente seco, pero presenta una absorción del hielo del calor exterior y por lo tanto se adhieren partículas de agua. 2. ¿De qué forma se pueden corregir los errores cometidos en esta experiencia de laboratorio? Trabajar en un ambiente ideal con el menor contacto con ambiente exterior para disminuir la mayor pérdida o absorción del calor exterior

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Trabajar con un el equipo ideal ya que el calorímetro al ser un calorímetro casero hay muchas variables que afectan su correcto funcionamiento. 3. ¿Qué característica debe tener un calorímetro ideal?  Según Antón, 2009: el calorímetro ideal consiste en un dispositivo que dispone de una cámara de reacción, donde esta es donde se intercambia el calor de la reacción con una masa determinada de agua en el interior del calorímetro, el calor de reacción se mide por la diferencia de temperatura que se presenta en el agua del baño. La cámara de reacción es un vaso presurizado de acera inoxidable, de modo que el calorímetro es un contenedor con un baño de agua interno en el que se introduce la cámara de reacción, el contenedor que encierra el baño de agua es diametrito, y este está inmerso en un baño de agua externo, con una temperatura constante e igual a la del baño interno atreves de un calentador para evitar el flujo de energía desde el baño interno al externo y viceversa, y así el proceso sea completamente adiabático. Por lo tanto el calorímetro consta de tres partes la cámara de reacción, el baño de agua interna y el contenedor de ambas partes, todos separados por paredes diatérmicas con equilibrio térmico. [ CITATION Jua09 \l 5130 ].

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8. BIBLIOGRAFÍA 1) Agustín, V. D. (2000). Diccionario de ciencias. Madrid: Editorial Complutense. 2) Antón, J. L. (2009). Química 2º Bachillerato. Editex. 3) Collieu, A. M. B., & Powney, D. J. (1977). Propiedades mecánicas y térmicas de los materiales. Barcelona: Reverte. 4) Figueroa, R. (2010). Manual de Laboratorio de Física II. Escuela de Física, Universidad de Costa Rica. 5) Ibáñez, M. J. A., Martín, R. E., & Zamarro, M. J. M. (1989). Física. Murcia: Universidad de Murcia. 6) Picado, A.B., Álvarez, M. (2008). Química I. Costa Rica, San José: EUNED. 7) Serway, R. A., Faughn, J. S., & Escalona, G. H. (2001). Física. México: McGraw-Hill.

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Aspecto a evaluar

Puntos

Puntos

máximos obtenidos Presentación general Organización 3 Presentación 3 Redacción y ortografía 4 Introducción Nota teórica 10 Objetivos 1 Trabajo previo* 4 Materiales y métodos Materiales y equipo 1 Procedimiento 1 Resultados Presentación de tablas y datos tomados

5

Muestra de cálculos solicitados Resultados

10 10

Gráficos construidos cuando corresponda**

10

Observaci ones

Discusión y conclusiones Interpretación de resultados 13 Discusión de grado de aproximación con los 10 resultados esperados Conclusiones 10 Bibliografía Referencias 5 Total 100 *En caso de no haber, los puntos se le asignan al apartado de nota teórica. ** En caso de no solicitarse, los puntos se le asignan al apartado de resultados.

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