Práctica 4. Calor específico PDF

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En la práctica de laboratorio se evaluó el cambio de temperatura de tres bloques diferentes, encontrando la temperatura en equilibrio de cada una, por último, se logró identificar el materiales que componía cada bloque, al ser comparados los valores obtenidos, con los valores de distintos material...

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INFORME DE PRÁCTICA DE LABORATORIO PROGRAMA DE BIOLOGÍA APLICADA

Calor Específico Gutiérrez Paula¹, Jurado Aura ², Usaquén Gabriela³ y Verano Cristina⁴

Universidad Militar Nueva Granada [email protected], [email protected], [email protected] y [email protected].

Resumen : La calorimetría es la parte de la física, que estudia la pérdida o ganancia de calor a través de procesos físicos o químicos, donde el calor se define como el proceso por el cual los cuerpos transfieren energía térmica entre ellos o el medio, esta energía térmica es transferida a las partículas de los cuerpos, la cual al aumentar, aumenta la cinética de las partículas, expresando este aumento en la energía térmica, en un cambio en la temperatura, cada cuerpo expresa estas variables de manera distinta. En la práctica de laboratorio se evaluó el cambio de temperatura de tres bloques diferentes, encontrando la temperatura en equilibrio de cada una, por último, se logró identificar el materiales que componía cada bloque, al ser comparados los valores obtenidos, con los valores de distintos materiales contemplados en la literatura, siendo éstos Plata, Latón y Aluminio respectivamente.

define como la cantidad de calor que el cuerpo tiene que intercambiar con su entorno para que su temperatura varíe un kelvin. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el joule por kelvin ( J/K ), aunque también se usa (cal/oC) [7].

Por último, el calorímetro es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Es decir, sirve para determinar el calor específico del cuerpo así como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos [6]. Por medio de esta práctica de laboratorio, se identificó el calor específico de diferentes sustancias, Por medio del simulador de calorimetría de Educaplus se evaluó el cambio de temperatura de 3 bloques de diferente material, en donde se determinó que el bloque A presenta una temperatura máxima de equilibrio en cuarta repetición de medida. Por otro lado, el bloque C Palabras clave: calorímetro, energía térmica, presenta una temperatura máxima de equilibrio en su tercera repetición de medida, y para el bloque F se temperatura, calor. evidenció que su temperatura en equilibrio máxima fue I. INTRODUCCIÓN en su quinta repetición medida, donde la masa del bloque no fue la mayor en cuanto a los valores de masa El calor es el proceso a través del cual se transfiere tomados en las otras repeticiones, Finalmente se energía térmica entre los cuerpos. Debido a que las concluye que distintos materiales tienen diferentes partículas de los cuerpos no están en reposo sino que se capacidades para almacenar energía interna al igual que encuentran en constante agitación [6]. Dicha agitación para absorber energía. o movimiento de partículas en los cuerpos poseen una determinada energía térmica. Lo cual es muy diferente II. JUSTIFICACIÓN a temperatura ya que este solo es un indicador de la energía térmica que tienen los cuerpos, es decir, el calor En sustratos agrícolas y los suelos, las propiedades es la energía total del movimiento molecular en una físicas como la densidad y humedad influyen sobre sustancia, mientras temperatura es una medida de la medida sobre las propiedades térmicas como lo son el energía molecular media [6]. Al igual, el calor calor específico, la conductividad térmica y la específico de una sustancia es su capacidad calorífica difusividad, este último afecta el almacenamiento y por unidad de masa y la capacidad calorífica (C) se flujo de calor sobre los suelos y sustratos. También se

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ha evidenciado que dichas propiedades térmicas son de gran relevancia en la desinfección de patógenos de los suelos para mejorar la producción agrícola, evitando el daño de esta. Por otro lado también es usado en sistemas de enfriamiento y calentamiento de ambientes controlados, beneficiando así los cultivos y sustratos.

III.

MARCO TEÓRICO

La termodinámica es la rama de la física que estudia los procesos donde hay transferencia de energía en forma de calor y de trabajo. Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto térmico entre sí, la temperatura del cuerpo más cálido disminuye y la del más frío aumenta. [1] Donde el calor, (símbolo Q), se define como la energía cinética total de todos los atomos o moléculas de una sustancia. el concepto de calor, se usa para describir la energía que se transfiere de un lugar a otro, es decir es un flujo de calor que se da solo por las diferencias de temperatura.[3] La temperatura es una magnitud escalar relacionada con la medición de la energía interna de un sistema termodinámico, en el cual las moléculas se agitan, vibran y giran con cierta velocidad y de manera irregular. En los primeros años de descubrimiento de la termodinámica, los científicos definieron el calor en términos de los cambios en la temperatura que el calor produce en los cuerpos. Por lo que se definió una unidad de medida del calor, llamada caloría.[2] La caloría entendida como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado celsius desde 14.5º C a 15.5ºC, se elige ese rango de temperatura, porque la cantidad de calor requerida depende levemente de la temperatura, se requiere más calor para elevar la temperatura del agua fría que la del agua a punto de hervir.[5] James Joule fue el primero en establecer la equivalencia entre estas dos formas de energía. Joule encontró que la energía mecánica que se transforma en calor, es proporcional al aumento de temperatura, la

constante de proporcionalidad, llamada calor específico, es igual a 4.186 J/(g ºC). Se demuestra que una caloría, que se conoce como el equivalente mecánico del calor, es exactamente igual a 4.186 J, sin importar quien produce el aumento de temperatura. También se puede definir el calor específico molar de una sustancia como la capacidad calorífica por unidad de moles, entonces una sustancia que contiene n moles, tiene un calor específico que se mide en J/(mol K) o J/(mol ºC).[4]

IV.

MATERIALES Y PROCEDIMIENTO

Por medio del simulador de calorimetría de Educaplus se evaluó el cambio de temperatura de 3 bloques de diferente material después de introducir cada uno de estos en agua, para el agua se mantuvo el valor de la temperatura igual en los 3 procedimientos (20℃), se realizaron 5 repeticiones para cada bloque, en cada repetición se varió su masa y temperatura, además también se modificó el valor de la masa del agua. El simulador arroja el dato de temperatura a la cual los dos cuerpos (bloque desconocido y agua) logran el equilibrio térmico, a partir de estos datos y teniendo en cuenta el valor del calor específico del agua, se procedió a calcular el calor específico para cada uno de los bloques, este proceso se realizó en cada repetición y los datos obtenidos por bloque fueron promediados para luego calcular la incertidumbre de cada cuerpo. Por último estos valores de calor específico se compararon con los hallados en literatura para así identificar el material de cada bloque. Es importante resaltar que los valores de masa fueron llevados de gramos (g) a kilogramos (Kg) y los de temperatura de Celsius (℃) a Kelvin (K), esto con el fin de ajustar los datos al sistema internacional.

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V.

RESULTADOS

Fig 1. Ejemplo del procedimiento realizado con el bloque “A” en la primera repetición, se observan los datos de masa y temperatura del bloque “A” de material desconocido, los del agua y el valor de la temperatura a la cual alcanzan el equilibrio. Tabla 1. Valores de masa y temperatura (T.) del bloque “A” en cada una de las 5 repeticiones, masa y temperatura del agua y temperatura de equilibrio, los valores de masa se presentan en kilogramos (Kg) y los de temperatura en Kelvin (K). Masa T. Bloque Bloque # A (Kg) A (K)

Masa Agua T. Agua T. de (Kg) (K) equilibrio (K)

1

0.030

353.15

0.050

293.15

295.09

2

0.028

310.15

0.030

293.15

293.99

3

0.020

337.15

0.060

293.15

293.95

4

0.088

371.15

0.040

293.15

301.70

5

0.062

408.15

0.070

293.15

298.58

Con los valores expuestos en la Tabla 1, se calcularon 5 valores de calor específico, los cuales se van a promediar para comparar este valor final con la literatura e identificar el material del bloque “A”, este proceso se realizará de igual manera con los siguientes bloques.

Fig 2. Ejemplo del procedimiento realizado con el bloque “C” en la primera repetición, se observan los datos de masa y temperatura del bloque “C” de material desconocido, los del agua y el valor de la temperatura a la cual alcanzan el equilibrio. Tabla 2. Valores de masa y temperatura (T.) del bloque “C” en cada una de las 5 repeticiones, masa y temperatura del agua y temperatura de equilibrio, los valores de masa se presentan en kilogramos (Kg) y los de temperatura en Kelvin (K). Masa T. Masa T. de Bloque Bloque Agua T. Agua # C (Kg) C (K) (Kg) (K) equilibrio (K) 1

0.032

328.15 0.070

293.15

294.56

2

0.047

318.15 0.080

293.15

294.43

3

0.073

411.15

0.045

293.15

308.48

4

0.082

349.15 0.065

293.15

298.97

5

0.067

413.15 0.090

293.15

300.46

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Se realiza el despeje correspondiente de la ecuación anterior de modo que la ecuación final que se obtiene para hallar el calor específico de cada bloque es la siguiente:

𝐶 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 = 𝑝

Fig 3. Ejemplo del procedimiento realizado con el bloque “F” en la primera repetición, se observan los datos de masa y temperatura del bloque “F” de material desconocido, los del agua y el valor de la temperatura a la cual alcanzan el equilibrio. Tabla 3. Valores de masa y temperatura (T.) del bloque “F” en cada una de las 5 repeticiones, masa y temperatura del agua y temperatura de equilibrio, los valores de masa se presentan en kilogramos (Kg) y los de temperatura en Kelvin (K). Masa T. Bloque F Bloque # (Kg) F (K)

Masa Agua (Kg)

T. Agua (K)

T. de equilibrio (K)

1

0.095

323.15

0.030

293.15

305.28

2

0.030

403.15

0.075

293.15

301.84

3

0.056

373.15

0.045

293.15

310.01

4

0.100

363.15

0.095

293.15

306.04

5

0.094

433.15

0.060

293.15

328.37

Para calcular el calor específico de la sustancia se utiliza la siguiente ecuación: 𝑚 𝐶𝑝 𝑎

𝑎

× (𝑇 − 𝑇 ) = 𝑒

𝑖

− 𝑚 𝐶𝑝 (𝑇 − 𝑇 ) 𝑠

𝑠

𝑒

𝑖

𝑚𝑎×𝐶𝑝𝑎(𝑇𝑒−𝑇𝑎) 𝑚 ×(𝑇 −𝑇 ) 𝑠

𝑠

𝑒

Para el cálculo del calor específico se realiza un ejemplo tomando el primer valor de la tabla 1, del siguiente modo:

𝐶𝑝𝐴 =

0.050 𝐾𝑔 ×4180

𝐽 𝐾𝑔·𝐾

(295.09𝐾−293.15𝐾)

0.030 𝐾𝑔×(353.15 𝐾−295.09𝐾)

𝐶𝑝𝐴 = 232. 782

𝐽 𝐾𝑔·°𝐾

Para la tabla 2 se toman los valores de la repetición número 3 como ejemplo, el resultado es el siguiente:

𝐶𝑝𝐶 =

0.045 𝐾𝑔 ×4180

𝐽 𝐾𝑔·𝐾

(308.48𝐾−293.15𝐾)

0.073 𝐾𝑔×(411.15 𝐾−308.48 𝐾)

𝐶𝑝𝐶 = 384. 738

𝐽 𝐾𝑔·°𝐾

Por último, se toma el valor de la segunda repetición de la tabla 3 para ver un ejemplo del bloque F:

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𝐶𝑝𝐹 =

0.075 𝐾𝑔 ×4180

𝐽 𝐾𝑔·𝐾

(301.84𝐾−293.15𝐾)

𝐶𝑝𝐴 = 233. 118 𝐽/𝐾𝑔 * 𝐾 ±

Σ(232.782−233.118) 5−1

2

5

0.030 𝐾𝑔×(403.15 𝐾−301.84 𝐾)

𝐶𝑝𝐴 = 233. 118 𝐽/𝐾𝑔 * 𝐾 ± 0. 08 𝐽/𝐾𝑔 * 𝐾 𝐶𝑝𝐹 = 896. 363

𝐽 𝐾𝑔·°𝐾

La incertidumbre del bloque “C” corresponde a:

Tabla 4. Valores de calor específico para cada repetición llevada a cabo con cada uno de los bloques, así mismo se encuentra el valor del promedio de estos.

#

𝐽

𝐽

𝐶𝑝𝐴( 𝐾𝑔·𝐾 ) 𝐶𝑝𝐶( 𝐾𝑔·𝐾 )

𝐽 𝐾𝑔·𝐾

𝐶𝑝𝐹(

1

232.782

383.825

896.004

2

232.797

383.940

896.363

3

232.222

384.738

896.920

4

233.909

384.298

896.274

5

233.879

364.230

896.831

Promedio

233.118

380.206

896.478

)

La incertidumbre para cada cuerpo se halló mediante la siguiente ecuación: 𝐶𝑝 Donde ∆𝐶𝑝

𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜

𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜

∆𝐶𝑝 =

= 𝐶𝑝

𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜

± ∆𝐶𝑝

𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜

corresponde a:

2

σ

𝑛−1

𝑁

; σ𝑛−1es igual a

Σ(𝑥 −𝑥) 𝑖

𝑁−1

𝑁 corresponde al número de repeticiones totales (5) Para el bloque “A” la incertidumbre es igual a:

𝐶𝑝𝐶 = 380. 206 𝐽/𝐾𝑔 * 𝐾 ±

Σ(383.825−380.206) 5−1

2

5

𝐶𝑝𝐶 = 380. 206 𝐽/𝐾𝑔 * 𝐾 ± 0. 81 𝐽/𝐾𝑔 * 𝐾 Por último, la incertidumbre correspondiente al bloque “F” es igual a:

𝐶𝑝𝐹 = 896. 478 𝐽/𝐾𝑔 * 𝐾 ±

Σ(896.004−896.478) 5−1

5

𝐶𝑝𝐹 = 896. 478 𝐽/𝐾𝑔 * 𝐾 ± 0. 10 𝐽/𝐾𝑔 * 𝐾 VI.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Valores de masa y temperatura de los bloques Teniendo en cuenta los valores obtenidos a partir del simulador, se determinó que el bloque A presenta una temperatura máxima de equilibrio en cuarta repetición de medida, esto puede atribuirse a su comparación de masas referente a las otras repeticiones (0.088kg), a una mayor masa habrá una mayor concentración de energía que será expresada en su liberación de temperatura. Por otro lado, el bloque C presenta una temperatura máxima de equilibrio en su tercera repetición de medida, sin embargo, en este valor no se presenta el fenómeno anteriormente evidenciado, ya que su masa no corresponde a la mayor en cuanto a las mediciones, no obstante, estos valores pueden variar dependiendo del material que constituye a los bloques. Finalmente, para el bloque F se evidenció que su temperatura en equilibrio máxima fue en su quinta repetición medida, donde la masa del bloque no fue la

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mayor en cuanto a los valores de masa tomados en las otras repeticiones, y esto se le atribuye al material que constituye el bloque. Cálculo del Calor Específico de los Bloques Teniendo en cuenta la ecuación principal para el cálculo del calor específico de una sustancia, se despejaron los valores en función del calor específico de un sólido, en el cual se evaluaron valores obtenidos de los bloques en el simulador, determinando el promedio total de la suma de los calores específicos de cada bloque a partir del número de repeticiones de medidas realizadas, dando como resultado lo siguiente: Para el Bloque A se calculó un calor específico de 233.118 J/kg*K, de acuerdo a la literatura [8], este valor corresponde al calor específico del material Plata, siendo este de 236 J/kg*K. El Bloque C obtuvo un valor de calor específico de 380.206 J/kg*K, en comparación con la literatura, se determina entonces que el material que constituye este bloque es Latón, que posee un calor específico de 380 J/kg*K [8], y finalmente el bloque F mostró un calor específico de 896.478 J/kg*K, siendo comparado con la literatura, el material que conforma este bloque es Aluminio, que posee un calor específico 897 J/kg*K [8], y este a su vez, presenta el mayor valor en cuanto a capacidad calorífica específica refiere, siendo su transferencia de energía mayor en comparación con los otros dos materiales.

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VII. CONCLUSIONES Se estableció que el calor es energía que es transferida de un sistema a otro, debido a que se encuentran a diferentes niveles de temperatura. Por esta razón, al poner los dos cuerpos en contacto, el que se encuentra a mayor temperatura transfiere calor al otro hasta que se logra el equilibrio térmico. Distintos materiales tienen diferentes capacidades para almacenar energía interna al igual que para absorber energía y una buena parte de la energía hace aumentar la intensidad

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de las vibración de las redes atómicas y este tipo de movimiento es el responsable del aumento en la temperatura. Esto se ve evidenciado en los valores de masa y temperatura obtenidos para cada bloque, donde los bloques C y F difieren de su temperatura máxima de equilibrio y su masa mayor, debido a sus propiedades físicas. Se determinó que los valores de la capacidad calorífica específica de los bloques estudiados mediante el simulador permitió la identificación de los materiales que componían cada bloque, al ser comparados los valores obtenidos, con los valores de distintos materiales contemplados en la literatura, siendo éstos Plata, Latón y Aluminio respectivamente. Se determinó que los valores del calor específico calculados para cada bloque son considerablemente próximos a los contemplados en la literatura, donde el valor con un mayor desfase se evidencia en el calor específico del bloque A, el cual se establece que está constituido por Plata.

REFERENCIAS [1] Castro, M.J. (2005) Transporte de momentum y calor, teoría y aplicaciones a la ingeniería en proceso. Ediciones de la universidad autónoma de Yucatán: Mérida, Yucatán, México. [2] Gálvez, F.J., López, R., Llopis, A. y Rubio, C. (1998) Física curso teórico-práctico de fundamentos físicos de la ingeniería. Universidad Politécnica de Valencia, editorial Tebar. [3] García, C., Burbano, E. y Burbano, S. (2010) Física General, 32 edición. España: Editorial Tebar. [4] Kern, Q. (2009). Procesos de transferencia de calor. Editorial Reverte S.A. [5] Rodríguez, J. y Segura. J. (1993) Problemas de termodinámica técnica, Barcelona-Bogotá-Buenos Aires-Caracas-México: Editorial Reverté S.A.

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[6] Ercilla, S. B., García, E. B., & Muñoz, C. G. (2006). Física general: Estática, cinemática y dinámica . Tébar. [7] Fernández, J. (2017) Calor. Recuperado de:https://www.fisicalab.com/apartado/calo r#contenidos [8] Sánchez, R. (2014). Tabla de Calor específico (capacidad calorífica específica) de diversos materiales. Recuperado de: http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/fis/calorespec. pdf....