FF- Práctica 3. Capacidad Calorífica PDF

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Practica de laboratorio para determinar la capacidad calorífica de diferentes materiales, en el contenido del documento se encuentra la teoría, formulas a aplicar y preguntas en base a la practica a desarrollar ...

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UNIVERSIDAD DEL CAUCA FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES, EXACTAS Y DE LA EDUCACIÓN DEPARTAMENTO DE FÍSICA LABORATORIO DE FÍSICA DE FLUIDOS

PRÁCTICA

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CAPACIDAD CALORÍFICA O EQUIVALENTE EN AGUA DE UN CALORÍMETRO 1. OBJETIVOS  

Determinar experimentalmente la capacidad calorífica o equivalente en agua de un calorímetro y sus accesorios mediante el método de las mezclas. Comprobar la influencia del recipiente en los intercambios caloríficos entre cuerpos contenidos en él. 2. MARCO TEÓRICO

Al mezclar dos cantidades de líquidos a distinta temperatura se genera una transferencia de energía en forma de calor desde el más caliente al más frío. Dicho tránsito de energía se mantiene hasta que se igualan las temperaturas, cuando se dice que ha alcanzado el equilibrio térmico. El calor por lo tanto, es una forma de energía. Si el calor es una forma de energía, entonces sus unidades serán julios (J), ergios o libras-pie, pero usualmente se utiliza una unidad de energía calórica llamada caloría (cal). La cantidad de calor Q que se transfiere desde el líquido caliente, o la que absorbe el frío, responde a la expresión 𝑸 = 𝒎𝑪𝒆 ∆𝑻

(1)

Donde 𝒎: masa del líquido [g] 𝑪𝒆 : Calor específico [kJ/kg.°C = kJ/kg.K ∆𝑻: Variación de temperatura [°C o K] Recordar que 1°C = 1K y por ello ΔT [°C] = ΔT [K]. Es necesario aclarar dos conceptos indispensables en esta práctica: capacidad calorífica y calor específico. La capacidad calorífica o equivalente en agua de una sustancia, es la razón de la cantidad de calor que hay que suministrarle a la sustancia, al correspondiente incremento de temperatura. Mientras que el calor específico o

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capacidad calorífica específica de una sustancia, es la razón entre la capacidad calorífica y la masa de dicha sustancia. 2.1 Medida del equivalente en agua de un calorímetro Se busca encontrar el equivalente en agua del calorímetro como experiencia previa a la determinación del calor específico de distintos materiales, en el trabajo práctico siguiente. El calorímetro de mezclas está compuesto por un recipiente metálico aislado térmicamente del exterior. Su superficie externa tiene un pulido muy brillante (una superficie muy reflectante es muy mala emisora) y está colocado dentro de otro recipiente impermeable al calor (paredes adiabáticas). Está provisto de un agitador y un termómetro. 2.1.1 Principio de conservación de la energía: “Cuando dos cuerpos se ponen en contacto en un sistema aislado del exterior (proceso adiabático), la cantidad de calor que pierde uno es igual a la cantidad de calor que gana el otro”. |𝑸𝒄𝒆𝒅𝒊𝒅𝒐 | = |𝑸𝒈𝒂𝒏𝒂𝒅𝒐 | O también ∑𝒊=𝒏 𝒊=𝟏 𝑸𝒊 = 𝟎 Donde 𝑄𝑖 es la cantidad de calor intercambiada por el elemento i con los otros elementos del calorímetro, en kJ. 2.1.2 Principio de las transformaciones inversas: “La cantidad de calor que hay que suministrarle a un cuerpo para que aumente su temperatura un cierto ΔT, es igual a la cantidad de calor que debería perder para disminuir la misma temperatura”. Es válida para ambos casos la ecuación (1). Si el intercambio de calor se efectuara solamente entre dos masas de agua, tendríamos: 𝒎𝟏𝑪𝒆𝟏∆𝑻𝟏 + 𝒎𝟐𝑪𝒆𝟐 ∆𝑻𝟐 = 𝟎

(2)

Pero el calorímetro, el termómetro, el agitador, etc., absorben calor. Para simplificar la operación de hallar las masas y los calores específicos (a veces desconocidos) de cada elemento, se calcula el Equivalente en Agua del Calorímetro, que no es otra cosa que Práctica 7 – Página 2

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una masa de agua hipotética que intercambiará la misma cantidad de calor que dichos elementos. Para ello se vierte en el calorímetro una masa 𝒎𝟏 de agua, se deja estabilizar y luego se mide la temperatura 𝑻𝟏 . Se calienta (en otro recipiente) una masa 𝒎𝟐 de agua y se le mide su temperatura 𝑻𝟐 . A continuación se vierte rápidamente esta masa de agua caliente en el calorímetro, tapando éste inmediatamente. Finalmente, se lee la temperatura de equilibrio Tf. Luego: 𝒎𝟐𝑪𝒂𝒈𝒖𝒂(𝑻𝒇 − 𝑻𝟐 ) + [∑](𝑻𝒇 − 𝑻𝟏) = 𝟎 ∑ = 𝒎𝟏𝑪𝒂𝒈𝒖𝒂 + 𝒎𝒄𝒂𝒍𝒐𝒓í𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐 𝑪𝒄𝒂𝒍 + 𝒎𝒕𝒆𝒓𝒎ó𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐 𝑪𝒕𝒆𝒓 + 𝒎𝒂𝒈𝒊𝒕𝒂𝒅𝒐𝒓 𝑪𝒂𝒈 = 𝟎 E. Cagua 𝒎𝟐𝑪𝒂𝒈𝒖𝒂(𝑻𝒇 − 𝑻𝟐 ) + [(𝒎𝟏 + 𝑬)𝑪𝒂𝒈𝒖𝒂 ](𝑻𝒇 − 𝑻𝟏) = 𝟎 El equivalente en agua del calorímetro es: (𝑻𝟐 −𝑻𝒇 )

𝑬 = 𝒎𝟐 (𝑻

𝒇 −𝑻𝟏 )

− 𝒎𝟏 [𝒌𝒈]

(3)

donde (𝑇2 > 𝑇𝑓 > 𝑇1 )

3. MONTAJE EXPERIMENTAL 3.1 Consideraciones antes de comenzar  Lea completa y detenidamente esta guía antes de llevar a cabo cualquier medida.

 Realice la experiencia cuidando que las influencias externas (Viento, vibraciones, polvo, orden del equipo) no interfiera en la mesa de trabajo con el equilibrio del sistema.  Para la mayoría de los casos prácticos puede tomarse el calor específico del agua como igual a 1 cal/g °C = 4.186 J/g°C  Para la presente práctica utilice el hecho de que un milímetro de agua tiene una masa de un gramo. Práctica 7 – Página 3

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 El campo de la física relacionado con la medida de propiedades térmicas se denomina calorimetría y constituye una de las ramas más difíciles de las ciencias experimentales.

 Atienda las recomendaciones del profesor. 3.2 Materiales y Equipo: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Calorímetro con tapa y agitador. Termómetro de 0 a 60 °C. Termómetro de 0 a 100 °C. Probeta graduada de 250 ml Calentador eléctrico Embudo de vidrio

Figura 1. Esquema del Calorímetro y accesorios.

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 

Introducir en el calorímetro una masa de agua, con m 1 entre 200 y 300 cm3 (previamente medida en la probeta graduada). Introduzca en el calorímetro el agitador y tápelo.



Mida la temperatura hasta que se estabilice en T1. Continuamente agitar el agua.



Viértase en el calentador eléctrico entre 200 y 300 cm3 de agua, m2 (previamente medida en la probeta graduada). Luego conecte el calentador eléctrico, introduzca el termómetro, agite continuamente hasta que marque una temperatura T2 superior a 60°C (60 a 70°C). Desconecte el calentador.



Cuando la temperatura deseada se estabilice en T2, rápidamente vierta el agua del calentador en el calorímetro. Tape el calorímetro y agite la mezcla, lea y anote la temperatura de estabilización pasados unos instantes.



Calcule los valores de la cantidad de calor cedido y calor ganado. Con los datos y valores anteriormente obtenidos complete la tabla 1.

Es conveniente que las dos masas sean similares (una masa muy grande va a predominar con su temperatura y ΔT será muy pequeño). También es importante ocupar el volumen del calorímetro lo máximo posible. Práctica 7 – Página 4

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Al terminar su experimentación limpie y ordene los elementos de trabajo, luego haga entrega de ellos a su laboratorista.

5. ANÁLISIS, PREGUNTAS Y CÁLCULOS 1. A partir de los datos tabulados y utilizando las ecuaciones correspondientes, calcule la capacidad calorífica o equivalente en agua del calorímetro. 2. Contraste los valores obtenidos con los valores estándar de capacidad calorífica. Existen diferencias? Cuál es el motivo? Cuál es el error relativo? 3. ¿Tiene sentido hablar de la capacidad calorífica de una sustancia? 4. ¿Por qué es usual expresar la capacidad calorífica de un calorímetro en “gramos de agua”? 5. Describa como utilizaría un calorímetro de agua para determinar el calor específico de una sustancia sólida. Escriba las ecuaciones correspondientes. 6. Una muestra de 50 g de una sustancia a la temperatura de 100 °C se deja caer dentro de un calorímetro que contiene 200 g de agua a la temperatura inicial de 20 °C. El calorímetro es de cobre y su masa de 100 g. La temperatura final del calorímetro es 22 °C. Calcule el calor específico de la muestra. 7. Un calorímetro de cobre cuya masa es de 200 g contiene 500 g de agua a la temperatura de 15 °C, se deja caer dentro del mismo un bloque de cobre de 560 g, a la temperatura de 100 °C y se observa que la temperatura sube hasta 22.5 °C. Despreciando las pérdidas por radiación, halle el calor específico del cobre.

6. BIBLIOGRAFÍA     

Física, Searz Zemansky. Editorial Aguilar, Segunda reimpresión, 1970. Física I, Resnick y Halliday. Compañía Editorial Continental, S. A. Séptima impresión en Español, 1965. Tomas, A. Moore, Física Seis Ideas Fundamentales. MCGRAW HILL. Serway, Raymond A. y jewett, Física I, tomo I Editorial Thomson. University Laboratory Experiments Physics. Volumen 1. Edición 94/95.

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APENDICE 1. TABLAS DE DATOS Tabla 1. Guía para la consignación de resultados de la práctica LÍQUIDO 1 m1 (g)

m2 (g)

T1 (°)

T2 (°)

Tf (°)

E (kg)

Qc (cal)

Qg (cal)

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