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Informe de Laboratorio Curso: FÍSICA III. Laboratorio #: 4. Grupo #: 15-2.

INFORME DE LABORATORIO NºIV CALORIMETRÍA Avellaneda Bernal David Roberto1, Estepa Angie2 (201721212) ([email protected]) , Martinez Jose2 (201610218)([email protected]), Muñoz Andrea2 (201911638).([email protected]) 1Profesor de Laboratorio Avellaneda Bernal David, Facultad de Ciencias, Escuela de Física, U.P.T.C. Tunja. 2Estudiantes de Laboratorio 15-2, Facultad De Ingeniería, Escuela de Ingeniería de Transporte y Vías, U.P.T.C. Tunja

RESUMEN: El siguiente laboratorio evidencia que no todas las sustancias necesitan la misma cantidad de calor para elevar o disminuir su temperatura en un grado Celsius. Si dos cuerpos A y B de igual masa, pero de diferentes materiales se les suministra la misma cantidad de calor, la temperatura final de los dos cuerpos es diferente debido a una propiedad que caracteriza a cada material denominada calor especifico este será medido y comparado en tres fases con gráficos y tablas, finalmente se analizará y se dará respuestas a las preguntas. ABSTRACT: The following laboratory shows that not all substances need the same amount of heat to raise or lower their temperature by one degree Celsius. If two bodies A and B of equal mass, but of different materials are supplied with the same amount of heat, the final temperature of the two bodies is different due to a property that characterizes each material called specific heat, this will be measured and compared in three phases with graphs and tables, finally it will be analyzed and answers to the questions will be given. PALABRAS CLAVE: calor, temperatura, unidad de masa, análisis, observación.

mayoría de los casos es más significativo comparar los calores específicos molares de las sustancias De acuerdo con la ley de Dulong y Petit, el calor especifico molar de la mayor parte de los sólidos, a temperatura ambiente y por encima, es casi constante A más baja temperatura, los calores específicos caen a medida que los procesos cuánticos se hacen significativos. El comportamiento a baja temperatura se describe por el modelo EinsteinDebye para el calor especifico.

INTRODUCCIÓN Este experimento demuestra que, si transferimos la misma cantidad de energía en forma de calor a diferentes materiales de la misma masa, el cambio de temperatura es diferente en cada material, es decir los cambios observados en cada material dependen de su capacidad calorífica. Si tomamos el agua como sustancia de referencia, podremos saber el calor específico de otro material, al colocarlos en contacto térmico. El calor especifico del agua es 1 caloría/gramo C = 4,186 julios/gramo "C que es más alto que el de cualquier otra sustancia común. Por ello, el agua desempeña un papel muy importante en la regulación de la temperatura. El calor especifico por gramo de agua es mucho más alto que el de un metal, como se describe en el ejemplo agua-me tal. En la

1. OBJETIVOS

• Comprobar experimentalmente la ley cero de la termodinámica. • Calcular la capacidad calorífica del agua

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• Determinar el calor especifico de cuerpos utilizando un calorímetro y la capacidad de absorber calor de estos

específicos cuando conocemos los dos restantes. En esta práctica primeramente determinaremos el calor especifico del material del que está hecho el vaso interior del calorímetro (usualmente es de aluminio) suponiendo que conocemos su valor para el caso del agua En una segunda fase determinaremos el calor especifico de algún material sólido conocidos los valores para el agua y el material del calorímetro, los cuales se obtendrán utilizando la última ecuación. Si llamamos la temperatura inicial como T0, la temperatura de equilibrio Te y la capacidad calorífica del calorímetro que se use como k, tenemos la expresión del calor especifico que será:

2. MARCO TEÓRICO

Calor específico es la cantidad de calor, en Joules o Calorías requeridos para elevar la temperatura a 1.0°C a 1.0 g de material, es decir:

(1) Donde Q es la energía en forma de calor transferida, m es la masa del material y es el cambio de temperatura En calorimetría se utiliza el calorímetro para aislar los materiales que serán puestos en contacto térmico y al medir masas y cambios de temperatura se puede determinar el calor especifico de un material Partiendo de un análisis de las transferencias de energía en forma de calor que se presentan dentro del calorímetro, podremos determinar el calor especifico Por ejemplo si en este proceso están involucrados tres materiales a, b y c, y si la energía en forma de calor que transfiere a es completamente absorbida por b y c entonces Energía cedida por a = Energía absorbida por b + Energía absorbida por c Relación que podemos expresar como:

(4) Sabiendo que un calorímetro es un sistema adiabático y aislado de factores externos a él tenemos que: (5) Despejando k obtenemos la ecuación que nos permite conocer la capacidad calorífica del calorímetro, entonces:

(6) Por ser una práctica en la que existen errores, estos se verán reflejados al comparar valores obtenidos y los valores que por la literatura se dicen reales, podemos representar estos errores como un error relativo y está dado por la expresión:

(2)

ɛ𝑟 =

o haciendo uso de la primera ecuación podemos escribir:

𝑉𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜 −𝑉𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑉𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜

∗ 100

(7)

Requisitos • Conocimiento sobre las leyes de la termodinámica • Aplicar el principio de conservación de energía en transferencias de calor

(3)

3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

De esta expresión podemos, midiendo las masas y los cambios en temperaturas, alguno de los calores

Para el desarrollo de esta práctica se hizo uso de la plataforma curso de física interactivo, la cual nos

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Informe de Laboratorio Curso: FÍSICA III. Laboratorio #: 4. Grupo #: 15-2. brinda las herramientas necesarias para determinar la capacidad calorífica del agua y el calor especifico de ciertos metales, partiendo de una simulación que nos permite hallar estas magnitudes de manera experimental. Equipos a utilizar: la plataforma interactiva cuenta con un calorímetro, una probeta y un termómetro. El simulador permite variar las masas del agua dentro del calorímetro y de la probeta, así como las temperaturas a las que se someten los mismos.

completar la tabla, calculando el valor de K por cada integrante del grupo. 4. A continuación, debe ingresar a la última simulación aquí encontrara diferentes sustancias, debe registrar la masa del agua y temperaturas para calcular el calor especifico de los materiales propuestos. 5. Finalmente se deben realizar los análisis de los resultados calculados en las simulaciones anteriores .

5. RESULTADOS

Parte A: capacidad calorífica del calorímetro Seguido a tomar los valores desde el simulador se procedió a calcular el valor de k (capacidad calorífica del calorímetro). Haciendo uso de la expresión (6) y remplazando los valores obtenidos fue posible encontrar la magnitud de k y posteriormente calcular un promedio para este valor.

Figura 1: plataforma “curso de física interactivo” Tomado de [1] 4. METODOLOGÍA

1. ingresar al primer simulador, leer las instrucciones propuestas en la página web para su debido funcionamiento y siguiendo los pasos en la guía. 2. Registrar los valores de masa de agua y temperaturas proporcionadas en el simulador con la cual podrá obtener la capacidad calórica del calorímetro. 3. En el siguiente paso se ingresa al enlace del simulador B, aquí encontrara, las instrucciones de manejo de la aplicación, encontrara 7 materiales disponibles, debe registrar los valores necesarios para

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Tabla 1. Datos tomados del simulador

Parte B: calor especifico de un sólido Usando el valor promedio de k se hallo el calor especifico de siete metales, con la ayuda de la expresión (4)

2. Con los datos de k de la tabla 3 y los datos de los calores específicos registrados en la literatura, indique a que material se le podría asociar el k hallado.

Solido K (cal/g°C) Material k(cal/g°C) A 0,05594883 Plata 0,056 B 0,0306157 Plomo 0,031 C 0,09209571 Hierro / Cobre 0,107 D 0,09323634 Cobre 0,092 E 0,14879833 vidrio 0,199 F 0,21459208 aluminio 0,215 Tabla 5. Valores obtenidos de K asociado al posible material.

Tabla 2. Datos obtenidos Parte C. Calor especifico del material. Usando la simulación calcular el valor de C metal de cada una de las sustancias propuestas, a partir de la ecuación [4] podemos obtener los valores de C de cada sustancia Solido

M (g)

To(°C)

T

m (g)

Te (°C)

A B C D E F

30 30 30 30 50 40

24,2 20 20 20 25,2 25

163 157 220 220 143 220

80 111 75 100 92 61

42,22 33,94 57,43 67,42 50,52 73,08

K

3. Si existen un error, indique las causas de incertidumbre y como se podrían minimizar.

(cal/g°C)

0,05594883 0,0306157 0,09209571 0,09323634 0,14879833 0,21459208

En situaciones donde se hace uso de simuladores se pueden presentar discrepancias de acuerdo a los valores de referencia con los que se ha programado, así mismo se descartan variables importantes como presión atmosférica o condiciones de ambiente en donde se realiza el estudio que pueden hacer variar los valores de temperatura o tiempos de equilibrio.

Tabla 3. Valores obtenidos para el cálculo del calor especifico de algunos sólidos. 6.

ANÁLISIS

7. CONCLUSIONES

1. Calcule el error porcentual para cada muestra de la tabla 2, con la ayuda de la información obtenida en el laboratorio y los valores teóricos registrados en la literatura.

A partir de los datos y ensayos realizados se logró obtener los valores de calor especifico de algunos materiales propuestos, así mismo se pudo determinar algunos errores que se presentan al comparar los valores calculados en la práctica con los que presenta la literatura.

8. BIBLIOGRAFÍA [1] Calor especifico de un sólido. (2016). Franco García, A. recuperado de: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/calor/calorim etro/calorimetro.html

Tabla 4. Valores obtenidos de error relativo para cada material

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Informe de Laboratorio Curso: FÍSICA III. Laboratorio #: 4. Grupo #: 15-2. [2] Calorimetría. Química Y algo Más. Recuperado 01 de febrero de 2021. Disponible en : https://quimicayalgomas.com/fisica/que-es-lacalorimetria/#:~:text=La%20Calorimetr%C3%ADa %20es%20la%20parte,esas%20cantidades%20es% 20el%20calor%C3%ADmetro. [3] Capacidad Calórica. HIRU. Recuperado 02 de febrero de 2021. Disponible en: https://www.hiru.eus/es/fisica/calorimetriacapacidad-calorifica-y-calor-especifico

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