Calor Específicos en Sólidos PDF

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La competencia del informe es evaluar la transferencia de calor entre un cuerpo sólido a diferentes temperaturas y el agua contenido en un calorímetro, para encontrar el calor especifico del sólido.
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Laboratorio de Física Básica

Fluidos y Termodinámica

CALOR ESPECIFICO DE SOLIDOS A. COMPETENCIA ESPECIFICA Evalúa la transferencia de calor entre un cuerpo sólido a diferentes temperaturas y el agua contenido en un calorímetro, para encontrar el calor especifico del sólido. B. INFORMACIÓN TEÓRICA Cuando dos cuerpos A y B (𝑀𝐴 > 𝑚𝐵 ) que tienen diferentes temperaturas se ponen en contacto, después de un cierto tiempo, alcanzan la condición de equilibrio en la que ambos cuerpos están casi a la misma temperatura. Si la temperatura del cuerpo A es mayor que la del cuerpo B (𝑇𝐴 > 𝑇𝐵 ), cuando se pongan en contacto la temperatura de B se eleva hasta que se hace casi iguala a la de A. En el proceso inverso, si 𝑇𝐵 > 𝑇𝐴 , el cuerpo A eleva un poco su temperatura hasta que ambas se igualan.

Figura 1: esquematización de la transferencia de calor Cuando un sistema de masa grande se pone en contacto con un sistema de masa pequeña que está a diferente temperatura, la temperatura de equilibrio resultante está próxima a la del sistema grande. Por tanto, podemos concluir que; una cantidad de calor 𝛥𝑄 se transfiere desde el sistema de mayor temperatura al sistema de menor temperatura. Si consideramos que ● La cantidad de calor transferida es proporcional al cambio de temperatura ΔT. ● La constante de proporcionalidad C se denomina capacidad calorífica del sistema. entonces 𝛥𝑄 = 𝐶 𝛥𝑇

(1)

Si los cuerpos A y B son los dos componentes de un sistema aislado, el cuerpo que está a mayor temperatura transfiere calor al cuerpo que está a menor temperatura hasta que ambas se igualan. Si 𝑇𝐴 > 𝑇𝐵 ● El cuerpo A cede calor: 𝛥𝑄𝐴 = 𝐶𝐴 (𝑇 − 𝑇𝐴 ), entonces 𝛥𝑄𝐴 < 0 ● El cuerpo B recibe calor: 𝛥𝑄𝐵 = 𝐶𝐵 (𝑇 − 𝑇𝐵 ), entonces 𝛥𝑄𝐵 > 0 Como 𝛥𝑄𝐴 + 𝛥𝑄𝐵 = 0 ; la temperatura de equilibrio, se puede obtener mediante LF-007/ 1 de 5

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𝑇=

𝐶𝐴 𝑇𝐴 +𝐶𝐵 𝑇𝐵

(2)

𝐶𝐴 +𝐶𝐵

La capacidad calorífica de la unidad de masa se denomina calor específico 𝑐𝑒 . 𝐶 = 𝑚 𝑐𝑒 El calor específico es la cantidad de calor que hay que suministrar a un gramo de una sustancia para que eleve en un grado centígrado su temperatura El calor específico del agua es 𝑐𝑒𝐻2 𝑂 = 1 cal/(g ºC), entonces, tenemos que suministrar una caloría para que un gramo de agua eleve su temperatura en un grado centígrado Cuando varios cuerpos a diferentes temperaturas se encuentran en un recinto adiabático se producen intercambios caloríficos entre ellos alcanzándose la temperatura de equilibrio al cabo de cierto tiempo. Cuando se ha alcanzado este equilibrio se debe cumplir que la suma de las cantidades de calor intercambiadas es cero. La fórmula para la transferencia de calor entre los cuerpos se expresa en términos de la masa 𝑚, del calor específico 𝑐𝑒 y del cambio de temperatura 𝛥𝑇, 𝛥𝑄 = 𝑚 𝑐𝑒 (𝑇𝑓 − 𝑇𝑜 )

(3)

donde, 𝑇𝑓 es temperatura final y 𝑇𝑜 es temperatura inicial. Si 𝑇𝑜 > 𝑇𝑓 el cuerpo cede calor 𝑄 < 0 Si 𝑇𝑜 < 𝑇𝑓 el cuerpo recibe calor 𝑄 > 0 Cosiderando los enunciados y términos descritos anteriormente se puede demostrar que 𝑐𝑒 = 𝑘=

(𝑀+𝑘) (𝑇𝑒 −𝑇𝑜 ) 𝑚 (𝑇−𝑇𝑒 ) 𝑚 (𝑇−𝑇𝑒 ) (𝑇𝑒 −𝑇𝑜 )

−𝑀

Donde 𝑘: equivalente en agua del calorímetro y se expresa en gramos de agua 𝑀: masa de agua en el calorímetro 𝑚: masa de agua en recipiente 𝑇: temperatura inicial de agua en el recipiente 𝑇𝑜 : temperatura inicial de la masa de agua que se encuentra en el calorímetro 𝑇𝑒 : temperatura de equilibrio de la mezcla

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(4) (5)

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C. MATERIALES Y ESQUEMA ⮚ Uso de PC o Laptop ⮚ Acceso con conexión a internet

Figura 2. Esquema representativo del sistema para la experimentación

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Fluidos y Termodinámica

APELLIDOS Y NOMBRES:

CUI:

Velasquez Camasca Jeaneiry Monserrath

20200481

ESCUELA PROFESIONAL: Ingeniería de Minas

FECHA: 01/12/2020

HORARIO: Lunes 9:40 a 11:30 am

FIRMA:

PROFESOR (A): Enriqueta Victoria Campos Falcón

NOTA:

CALOR ESPECIFICO DE SOLIDOS D. CUESTIONARIO PREVIO (4p) 1.

¿Qué es un calorímetro y cuáles son sus características principales? Explique. El calorímetro es un dispositivo que se utiliza para medir el cambio de temperatura de una cantidad de sustancia (por lo general agua) de calor específico conocido. Este cambio de temperatura se debe al calor absorbido o desprendido en el proceso que se está estudiando; químico si es una reacción, o físico si consiste de un cambio de fase o estado.

2.

Demuestre y describa la ecuación (4) de la sección B (INFORMACIÓN TEÓRICA). 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 = 𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 (𝑀 × 𝑐𝑒𝐻2 𝑂 + 𝑘)(𝑇𝑜 − 𝑇𝑒 ) = (𝑚 × 𝑐𝑒𝑥 )(𝑇𝑒 − 𝑇) (𝑀 × 𝑐𝑒𝐻2 𝑂 + 𝑘)(𝑇𝑜 − 𝑇𝑒 ) = 𝑐𝑒𝑥 𝑚(𝑇𝑒 − 𝑇) •

Calor Específico del agua = 1cal/g°C, entonces: (𝑀 + 𝑘)(𝑇𝑜 − 𝑇𝑒 ) = 𝑐𝑒𝑥 𝑚(𝑇𝑒 − 𝑇)

3.

Cuál es la diferencia entre calor especifico y equivalente en agua. El calor específico es la cantidad de calor que es necesaria suministrarle a la unidad de masa de un sistema termodinámico para elevar en una unidad su temperatura, en cambio, el equivalente en agua es la cantidad de agua que absorbe o desprende el mismo calor que el calorímetro.

4.

Demuestre y describa la ecuación (5) de la sección B (INFORMACIÓN TEÓRICA). LF-007/ 4 de 5

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(𝑀 + 𝑘 )(𝑐𝑒𝐻2𝑂 )(𝑇𝑜 − 𝑇𝑒 ) + 𝑚(𝑐𝑒𝐻2𝑂 )(𝑇𝑒 − 𝑇) = 0 (𝑐𝑒𝐻2𝑂 )[(𝑀 + 𝑘)(𝑇𝑜 − 𝑇𝑒 ) + 𝑚(𝑇𝑒 − 𝑇)] = 0 •

Calor Específico del agua = 1cal/g°C, entonces: (𝑀 + 𝑘 )(𝑇𝑜 − 𝑇𝑒 ) + 𝑚(𝑇𝑒 − 𝑇) = 0 𝑘=

𝑚(𝑇𝑒 − 𝑇) −𝑀 (𝑇𝑜 − 𝑇𝑒 )

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APELLIDOS Y NOMBRES:

CUI:

Aragón Huamán, Jair Caleb

20200492

Centeno Quispe, Brayam

20204555

Chora Iquiapaza, Milwar Elvis

20200482

Córdova Cruz, Jean Carlos

20202066

Mamani Mamani, Ricardo Fabian

20202067

Mantilla Alvaro Edison

20200485

Layme Anchapuri Yim Brandon

20200501

Velasquez Camasca, Jeaneiry Monserrath

20200481

ESCUELA PROFESIONAL: Ingeniería de Minas

FECHA: 01/12/2020

HORARIO: Lunes 9:40 a 11:30 am

FIRMA:

PROFESOR (A): Enriqueta Victoria Campos Falcón

NOTA:

A.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL (3p)

1.

Ingrese al siguiente link.

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/calor/calorimetro/calorimetro.html 2.

En el simulador elija la opción “Equivalente en agua” y según le indique su profesor elija

los valores para: M = 150 ( g ) ; m = 50 ( g ) ; T o = 18 (°C) 3.

Seguidamente deberá de hacer click en “Prepara”, y luego click en “Calcular”; ahora

anote el valor de la T e con su correspondiente T en la Tabla 1. Luego, para completar la Tabla 1 repita el proceso anterior para diferentes T e con su correspondiente T . Así mismo para los cálculos de la Tabla 1 considere P = T e − T o y Q = (T − T e ) m . Tabla 1: variación de la temperatura para el equivalente en agua del calorímetro. Lectura

T (°C)

T e (°C)

P (°C)

Q (°Cg)

1

60

27

9

1650

2

70

29

11

2050

3

80

31

13

2450

4

90

33

15

2850

5

100

35

17

3250

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4.

Después de realizar los procedimientos anteriores, en el simulador elija la opción “Calor

específico del sólido” y según le indique su profesor anote el nombre del material y su ce . Aluminio ce = 0.215.( cal/g°C  ), así sismo, escoja la masa del material m = 70 ( g ); luego se recomienda elegir los mismos valores de M = 150 ( g ) ; T o = 18 ( °C ) de E.2. 5.

Para completar la Tabla 2 deberá de variar la temperatura T y anotar su correspondiente

Te . Para los cálculos correspondientes en la Tabla 2 considerar: R = (T − T e ) m y S = (M + k ) (T e − T o ) Nota: antes de realizar los cálculos de la Tabla 2, primero deberá de calcular k Por lo tanto complete el punto F.1. y G.1. según corresponda Tabla 2: variación de la temperatura para el calor específico del sólido Lectura

T (°C)

T e (°C)

R ( g°C )

S ( g°C )

1

60

21

2730

600

2

70

22

3360

800

3

80

22

4060

800

4

90

23

4200

1000

5

100

24

5320

1200

B. ANÁLISIS DE DATOS(4p) 1.

Con los datos de la Tabla 1, grafique Q en función de P para obtener la gráfica 01,

luego determine la ecuación de esta gráfica; y obtenga el valor de la pendiente e intercepto, con sus respectivas unidades según el sistema internacional

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El valor de la pendiente es la relación entre Q y P, por lo tanto, tendrá una magnitud de 200 con las unidades en gramos (g). Por otro lado, el intercepto de la gráfica es -150 que lleva las unidades en gramos por grados centígrados (g/°C). 2.

Con los datos de la Tabla 2, grafique S en función de R para obtener la gráfica 02, luego

determine la ecuación de esta gráfica; y obtenga el valor de la pendiente e intercepto, con sus respectivas unidades según el sistema internacional.

El valor de la pendiente es la relación entre S y R, por lo tanto, tendrá una magnitud de 0.3104 calorías sobre gramo por grado centígrado (cal/g°C). Por otro lado, el intercepto de la gráfica es -242.89 calorías (cal). C.

COMPARACIÓN Y EVALUACIÓN(3p)

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1.

A partir de la pendiente de la gráfica 01, obtenga el valor de k (equivalente en agua del

calorímetro). Recuerde que este valor se deberá de utilizar para completar los cálculos en la Tabla 2. k=

m(T −T e ) (T e −T o )

k=

Q P

−M

−M

k = p endiente − M k = 200 g − 150 g k = 50 g 2.

A partir de la pendiente de la gráfica 02, obtenga el valor del ce del material y compárelo

con el valor del ce de la sección E.4. Justifique su respuesta. ce =

(M +k )(T e −T o ) m(T −T o )

ce =

S R

ce = p endiente ce = 0 .2240 cal/g°C ce = 0 .215 cal/g°C

…. Valor Experimental …. Valor Teórico

| C omparación |%| = || 0.215−0.224 0.215 | × 1 00 = 4 .2% CONCLUSIONES(2p) ● El calor específico de un cuerpo a otro se da por diferentes niveles de temperatura , esto nos dimos cuenta al colocar el material de mayor temperatura al agua a temperatura ambiente , pudimos observar que el material se enfriaba y el agua se calentaba a medida que pasaba el tiempo hasta que tuviese una temperatura uniforme , esto se da por la conservacion de energia. ● Concluimos que el incremento de temperatura de dos cuerpos cuando se calientan aproximadamente esta será proporcional a la energía suministrada ● Determinamos que de lo mostrado que cuando dos cuerpos tienen masas iguales de distinta naturaleza y a la misma temperatura estas almacenan distinta cantidad de calor , para cuantificar este fenómeno hicimos uso del concepto de calor especifico; ya que esta dependerá del tipo de material . ● Terminando llegamos que el aluminio como tenía un alto calor específico este absorbe mejor la energía , ya que las moléculas internas del material se movían con mayor rapidez.

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● Finalmente podemos decir que el calor específico es una propiedad intensiva de la materia, por lo que es representativo de cada sustancia; por el contrario, la capacidad calorífica una propiedad extensiva representativa de cada cuerpo o sistema particular. D. 1.

CUESTIONARIO FINAL(4p) ¿Por qué el hielo, agua y vapor de agua tienen diferentes calores específicos? Justifique

su respuesta. Bueno esto es debido a que están en diferentes estados, si nos ponemos a pensar la temperatura es la energía cinética promedio de las moléculas del compuesto a estudiar y el calor específico no indica el calor necesario para poder elevar la temperatura un grado por unidad de masa del compuesto, pero al estar en diferentes estados, obviamente esto va a variar. Cuando es sólido, sabemos que el movimiento de sus moléculas es vibratorio, por ello se necesita más energía cinética promedio para subir una unidad de masa en un grado (en teoría). Cuando está en estado líquido, las moléculas pueden desplazarse y vibrar, debido a ello, es más fácil obtener energía cinética. Cuando es vapor esta tiene un desplazamiento mucho más libre, por ello será más fácil aumentar dicha energía. No obstante sucede algo muy curioso cuando hablamos del agua, la densidad en su estado líquido es superior a su densidad en estado sólido (comportamiento anómalo) por ello necesita más energía en aumentar su temperatura que en el estado sólido. 2. ¿Sería posible realizar esta práctica si el agua en el calorímetro estuviera a 100 °C a la presión atmosférica? No, debido a que el agua entraría en fase de vaporización, y al estar en este estado sería muy dificultoso realizar el experimento. 3. ¿Este experimento se puede adaptar para medir el calor específico de un líquido? Si se podría hallar el calor específico del líquido siempre y cuando nos den los datos necesarios. Al determinar la capacidad calorífica del calorímetro y verter el líquido puede obtenerse el calor específico del agua. E.

BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL

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Laboratorio de Física Básica

Autor

Título

Serway, R. A., &

Física para ciencias e

Jewett, J. W.

ingeniería con física moderna.

Sears, F. W., Ford, A. L., & Freedman, R. A. Tippens, P. E., Orozco, J. H. C., & Ruiz, Á. C. G.

Edición

Año

8

2009

11

2005

7

2007

FÍSICA UNIVERSITARIA CON FÍSICA MODERNA VOL I (Vol. 1). Física: conceptos y aplicaciones



F.

BIBLIOGRAFÍA DE REFERENCIA 1. Guías de Laboratorio de Física Básica, Departamento Académico de Física UNSA, Año 2016. 2. Ángel Franco García, Curso Interactivo de Física en Internet, 2015 http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/index.html 

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