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CALORIMETRIA, DETERMINACION DEL CALOR ESPECIFICO DE UNMETALAngel Alean, Dityudy Ceballos, Antonio Clavijo. Universidad del Atlántico.ResumenEn este informe se explica cómo se determinó el calor específico de un metal, haciendo uso de un calorímetro. Donde se obtuvo como resultado que 0 cal/g°c es el...

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Nota: 4.8 CALORIMETRIA, DETERMINACION DEL CALOR ESPECIFICO DE UN METAL Angel Alean, Dityudy Ceballos, Antonio Clavijo. Universidad del Atlántico.

Resumen En este informe se explica cómo se determinó el calor específico de un metal, haciendo uso de un calorímetro. Donde se obtuvo como resultado que 0.056 cal/g°c es el calor específico de la plata (Ag) y se concluyó que la transferencia de energía térmica se da desde la sustancia de mayor temperatura hacia la de menor temperatura (o sea desde la más caliente a la más fría).

Palabras clave: Calor, calorímetro, trasferencia, temperatura.

1. INTRODUCCIÓN

El calor es la energía térmica que se transfiere de un objeto a otro cuando entran en contacto mutuo, debido a una diferencia de temperaturas entre ellos. El calor, como el trabajo es energía en tránsito, por lo que se puede entender también como un método para transferir energía. [1] La calorimetría es una rama de la termodinámica que mide esa cantidad de energía que se transfiere de un cuerpo a otro, la calorimetría utiliza el principio de conservación de energía, que argumenta que, cuando dos cuerpos intercambian calor sin interactuar con otros cuerpos, la cantidad de calor recibida por cada uno de ellos es igual, pero de signo contrario a la cantidad de calor cedida por el otro. Esto significa que la suma de los calores intercambiados es cero. [2] El aparato que se encarga de medir esas cantidades transferidas, es el calorímetro. Consta de un termómetro que está en contacto con el medio que está midiendo. En el cual se encuentran las sustancias que dan y reciben calor. Las paredes deben estar lo más aisladas posible ya que hay que evitar al máximo el intercambio de calor con el exterior. De lo contrario las mediciones serían completamente erróneas. También se hace uso de un agitador para mezclar bien antes de comenzar a medir. Básicamente hay dos tipos de calorímetros. Los que trabajan a volumen constante y los que lo hacen a presión constante. En esta práctica se hizo uso de un calorímetro convencional. [3] Uno de los objetivos de este informe fue la determinación del calor específico de un metal. El calor específico es la cantidad de calor que es necesaria suministrarle a la unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en 1°C. (En operaciones de calorimetría se utiliza como unidad la caloría). Cada sustancia tiene su propio valor de calor específico, por lo que cada uno requerirá distintas cantidades de calor para hacer que una misma cantidad de masa

eleve su temperatura en 1°C. [4] En este informe, se determinaron los calores haciendo uso de la ecuación uno.

𝑄𝑠 𝐻2 𝑂 𝐹𝑟í𝑎 + 𝑄𝑠 𝐻2 𝑂 𝐶𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 + 𝑄𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = 0 Ecuación 1

Sabiendo que la fórmula de calor específico es: 𝑄 = 𝑚 . 𝐶𝑒 . ∆𝑡 Donde Q es el cambio en la energía de calor, m es la masa de la sustancia en gramos, Ce es el calor específico de la sustancia, y ∆𝐭 es el cambio de temperatura (diferencia entre la temperatura inicial y final)

También se necesitó hallar la capacidad calorífica, para ello, se hizo uso de la ecuación dos. 𝐶=

𝑄𝑠 ∆𝑇

Ecuación 2

Finalmente, también se necesitó determinar el porcentaje de error, por lo tanto, se utilizó la ecuación tres. %𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 =

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 − 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 × 100 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜

Ecuación 3

En este informe se tuvo como objetivos principales, la construcción de un calorímetro simple, así mismo medir la capacidad de este; y finalmente medir el calor específico de un metal haciendo uso del mismo.

2. METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Se superpuso un vaso de poliestireno de tal manera que uno quedara dentro del otro y se rellenó con 50 ml de agua fría. Con una tapa se selló el vaso y se realizaron unos agujeros en esta por los cuales se introdujeron un termómetro y un agitador. Una vez acabado el montaje del calorímetro se ajito el agua en el interior se midió y registro la temperatura mostrada en el termómetro cada minuto por cinco minutos, posteriormente se agregó al calorímetro 50 ml de agua caliente a una temperatura de 70 C, se procedió a agitar y registrar la temperatura cada 30 segundos por 5 minutos. (tabla 1). Para la segunda parte de la experiencia se determinó el calor especifico de un metal, para esto se armó un montaje de baño de maría en un vaso de precipitado, se colocó 10 gramos de aluminio en un tubo de ensayo el cual se sumergió en el vaso de precipitado, se introdujo un termómetro en el tubo de ensayo para registrar la temperatura y se dejó hasta que el agua hierva; una vez sucedió esto se dejó reposar el metal por otros 10 minutos y se registró la temperatura del metal. Por otro lado, mientras el agua hervía se adiciono 50 ml de agua caliente al calorímetro y se registró la temperatura cada minuto durante 5 minutos. Inmediatamente después que se registró la temperatura del metal se adiciono al calorímetro, se agito y se registraron los datos cada 30 segundos por 5 minutos. (tabla 2). Para la tercera parte de esta experiencia se usó un simulador de un calorímetro de la página web: “pearsoncmg”. [5] Para determinar el calor especifico de un metal, se tomaron 15 gramos de plata a una temperatura de 170 °C la cual se introdujo en el calorímetro que contenía 150 ml de agua a 20 °C.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Para este informe, se realizaron 2 prácticas de laboratorio, para la primera práctica fue necesario determinar la capacidad calorífica de un calorímetro simple, de la siguiente manera:

Tiempo(min) Temperatura© 1 30 2 31 3 32 4 32,5 5 33

Tiempo(min) Temperatura© 1 30 2 31 3 32 4 32,5 5 33 Agua al adicionar el metal 6 70 6,5 65 7 60 7,5 53 8 50 8,5 46 9 38 9,5 36 10 35

Después de adicionar agua 6 52 6,5 50 7 50 7,5 49 8 49 8,5 49 9 49 9,5 49 10 49

Tabla 1

Tabla 2

Primero, se tomó información registrada en la tabla 1 y tabla 2, de las cuales se puede decir que, el agua fría (50 ml) agregada al calorímetro estaba a una temperatura ambiente de 30°C y el agua caliente (50 ml) que se adicionó después, estaba a una temperatura de 70°C, y de manera experimental, por medio del termómetro, se obtuvo una temperatura final del Agua fría + Agua caliente de 49°C.

Con estos datos, se pudo hallar el calor sensible del calorímetro, por medio del siguiente balance de energías: ∑Q= 0 (la suma de todas las energías es igual a cero) 𝑄𝑠 𝐻2 𝑂 𝐹𝑟í𝑎 + 𝑄𝑠 𝐻2 𝑂 𝐶𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 + 𝑄𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = 0 Ecuación 1

Donde, 𝑄𝑠 = 𝑚 × 𝑐𝑝 × ∆𝑇 , a partir de esta formula del calor sensible, el balance de energía se puede descomponer así:

(𝑚𝐻2𝑂 𝑓𝑟𝑖𝑎 + 𝑐𝑝 + ∆𝑇) + (𝑚𝐻2𝑂 𝑓𝑟𝑖𝑎 + 𝑐𝑝 + ∆𝑇) + 𝑄𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = 0

Se reemplazan los valores de la masa la cual es de 50 g tanto en el agua fría y agua caliente, el calor especifico del agua el cual es de 1

𝑐𝑎𝑙

𝑔 °𝐶

y ∆𝑇 es (Tf – To) donde, la temperatura final

es de 49°C y la inicial es de 30°C para el agua fría, para el agua caliente es Tf = 49°C y la To = 70°C: 50 𝑔 + 1

𝑐𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑙 + (49°𝐶 − 70°𝐶) + (49°𝐶 − 30°𝐶) + 50𝑔 + 1 𝑔 °𝐶 𝑔 °𝐶 + 𝑄𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = 0

A partir de aquí se resuelve el balance y se despeja el calor sensible del calorímetro:

(2450 𝑐𝑎𝑙 − 1500 𝑐𝑎𝑙) + (2450 𝑐𝑎𝑙 − 3500 𝑐𝑎𝑙) + 𝑄𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = 0 950 𝑐𝑎𝑙 − 1050 𝑐𝑎𝑙 + 𝑄𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = 0 𝑄𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = −950 𝑐𝑎𝑙 + 1050 𝑐𝑎𝑙 𝑄𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = 100 𝑐𝑎𝑙

Se obtiene que el calor sensible del calorímetro es de 100 cal, eso quiere decir que el calorímetro recibe 100 calorías de la fuente de calor. A partir de esto se puede hallar la capacidad calorífica a través de la ecuación:

𝐶=

𝑄𝑠 ∆𝑇

Ecuación 2

Donde, 𝑄𝑠 es 100 calorías y ∆𝑇 es (49 °C – 30 °C), se reemplazan los siguientes valores en la ecuación: 𝐶=

100 𝑐𝑎𝑙 (49°𝐶 − 30°𝐶)

𝐶 = 5,26

𝑐𝑎𝑙 °𝐶 𝑐𝑎𝑙

La capacidad calorífica del calorímetro es de 5,26 °𝐶 .

Este resultado obtenido, se discutió entre los integrantes del grupo y se llegó a la conclusión de que este calorímetro roba o absorbe 5,26 calorías por cada grado centígrado que se calentó de agua, en este caso se calentó 19 °C, es decir que, 100 cal absorbe el calorímetro en total. También se concluyó que, este calorímetro no es un sistema tan aislante, ya que hay una cantidad de energía un poco grande que se pierde. Después de esto, se realizó una segunda práctica en la que fue necesario determinar el calor especifico de un metal (aluminio), de la siguiente manera: Se tenía 10 g de aluminio que fue calentado en un baño de maría hasta obtener una temperatura de 98°C (TO) y luego al ser mezclado con el agua en el calorímetro obtuvo una temperatura final de 35°C. Por otro lado, los 50 gramos de agua, inicialmente tenía una temperatura inicial de 30°C y luego, al agregar el metal su temperatura final era de 35°C. Con estos datos se pudo realizar un balance de energía y se obtuvo el calor especifico del aluminio a través de varios despejes, así: ∑Q = 0 𝑄𝑆

𝐴𝑙

+ 𝑄𝑆 𝐻2𝑂 = 0

𝑄𝑆 𝐻2𝑂 = − 𝑄𝑆 𝐴𝑙 De otra forma:

Y LA CAPACIDAD CALORIFICA DEL CALORIMETRO?

− 𝑄𝑆 𝐴𝑙 = 𝑄𝑆 𝐻2𝑂 Con esta ecuación obtenida, se pudo discutir que, la energía no se crea ni se destruye, pero si puede ser transferida de un sistema a otro, en este caso la energía que poseía el aluminio fue transferida al agua, por tal razón, el signo del calor sensible del aluminio es negativo, ya que este, pierde o cede energía, en cambio, el signo del calor sensible del agua es positivo, ya que este recibe o gana energía. Por otro lado, también se observo en las tablas que se encuentran en la parte de metodología experimental que, cuando el metal calentado se agrega al calorímetro con el agua, la temperatura del aluminio descenderá y la temperatura del agua se elevará. Después de esto, se descompone la ecuación anterior, de la siguiente manera: −(𝑚𝐴𝑙 × 𝑐𝑝 × ∆𝑇) = (𝑚𝐻2𝑂 × 𝑐𝑝 × ∆𝑇) Se reemplazan los valores: 𝑐𝑎𝑙 × (35°𝐶 − 30°𝐶) −( 10 𝑔 × 𝑐𝑝 𝐴𝑙 × (35°𝐶 − 98°𝐶)) = 50 𝑔 × 1 𝑔 °𝐶 Luego, se despeja el calor especifico del aluminio: 𝑐𝑝 𝐴𝑙 =

𝑐𝑎𝑙 50 𝑔 × 1 𝑔 °𝐶 × (35°𝐶 − 30°𝐶) −(10 𝑔 × (35°𝐶 − 98°𝐶))

𝑐𝑝 𝐴𝑙 =

250 𝑐𝑎𝑙 630 𝑔 °𝐶

𝑐𝑝 𝐴𝑙 = 0,39

𝑐𝑎𝑙 𝑔 °𝐶 𝑐𝑎𝑙

De manera experimental se obtuvo que el calor específico del aluminio es de 0,39𝑔 °𝐶 . Más tarde, se determinó el porcentaje de error entre el calor especifico experimental (0,39 cal/g °C) y el calor especifico teórico del aluminio (0,21 cal/ g °C), a través de la siguiente ecuación: %𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 =

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 − 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 × 100 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 Ecuación 3

Se reemplazaron los valores: 𝑐𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑙 0,39 𝑔 °𝐶 − 0,21 𝑔 °𝐶 %𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = × 100 𝑐𝑎𝑙 0,21 𝑔 °𝐶 %𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 85, 71 %

Se discutió que algunos errores que se presentaron en la práctica pudieron ser provocados por la imprecisión del termómetro en el momento de registrar la temperatura, por tal razón, convendría mejor tener un termómetro con una apreciación de error menor en el laboratorio, o también pudo ser error en el cronómetro que estaba siendo utilizado para tomar el tiempo en que tenía que registrarse la temperatura. Por otro lado, también se realizó una práctica a través de un simulador, en el cual era necesario determinar el calor especifico del metal que se utilizó. En esta práctica, se agregó 15 g de plata (Ag) a 170 °C y 150 ml de agua a 20 °C, obteniendo una temperatura final de 20,84°C. Estos datos fueron reemplazados en la siguiente ecuación: 𝑚𝐴𝑔 = 15 𝑔 20,84 °𝐶 𝑐𝑝 𝐻2𝑂 = 1

𝑚𝐻20 = 150 𝑔

𝑇𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝐴𝑔 = 170 °𝐶

𝑐𝑎𝑙 𝑔 °𝐶 −𝑄𝐴𝑔 = 𝑄𝐻2𝑂

𝑇𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝐻20 = 20°𝐶 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 =

− (15𝑔 × 𝑐𝑝 𝐴𝑔 × (20,84 °𝐶 − 170°𝐶)) = 150 𝑔 × 1

𝑐𝑎𝑙 × (20,84°𝐶 − 20°𝐶 ) 𝑔 °𝐶

Se despejó el calor especifico del metal: 𝑐𝑝 𝐴𝑔

𝑐𝑎𝑙 150 𝑔 × 1 𝑔 °𝐶 × (20,84°𝐶 − 20°𝐶 ) = −(15𝑔 × (20,84 °𝐶 − 170°𝐶)) 𝑐𝑝 𝐴𝑔 =

3126 𝑐𝑎𝑙 − 3000 𝑐𝑎𝑙 −312,6 𝑔 °𝐶 + 2550 𝑔°𝐶 𝑐𝑝 𝐴𝑔 = 0,056

𝑐𝑎𝑙 𝑔 °𝐶 𝑐𝑎𝑙

Se obtuvo como resultado que el calor especifico de la plata (Ag) es de 0,056 𝑔 °𝐶 , es decir, se requiere 0,056 calorías para elevar la temperatura de un gramo de Ag en 1 °C.

4. CONCLUSIONES

-El calor especifico es la capacidad de un material de almacenar energía en forma de calor, de esta manera es la energía necesaria para incrementar en una unidad de temperatura una cantidad de sustancia. - Un sistema cerrado no se considera totalmente aislado, ya que, las paredes del calorímetro y cubierta absorben energía y lo liberan hacia el exterior, por lo que hay una pérdida de calor, y entre menor sea esa pérdida de calor o capacidad calorífica, más aislante serán las paredes del calorímetro. - El calorímetro a presión constante se utiliza para medir los cambios de calor que ocurren en los procesos físicos y químicos. En este dispositivo pueden hallarse el cambio de calor de muchas reacciones químicas que absorban o liberen calor, es muy útil no solo para la química sino también para trabajadores de otros campos como la física. -La transferencia de energía térmica se da desde la sustancia de mayor temperatura hacia la de menor temperatura (o sea desde la más caliente a la más fría).

5. REFERENCIAS - [1] Calorimetría, recuperado el 12 de diciembre de 2020, en “Fisica 10 y 11” web site: (http://bit.ly/3nCMP7C)

-[2]Calorimetría equivalente térmico, recuperado el 12 de diciembre de 2020, en “Slideshare” web site: (http://bit.ly/3mjG6hG) - [3]Que es la calorimetría, recuperado el 12 de diciembre de 2020, en “Química y algo más” web site: (http://bit.ly/3aifR8X) - [4]Calorimetría, recuperado el 12 de diciembre de 2020, en “Fisica 10 y 11” web site: (http://bit.ly/3nCMP7C) [5]Simulador de química, recuperado el 12 de diciembre de 2020, de “personcmg” web site: (http://bit.ly/2WoySOK)...