Práctica 6. Capacidad Térmica PDF

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Universidad Nacional de Facultad de Laboratorio de Practica 6. Equipo . Equipo 1. Mar Diana Laura Montejano Aldama Bryan Antonio Daniela Grupo 21 Profesor: M. en C. Lorena De Anda Aguilar Fecha de entrega: 31 de Marzo de 2017. Objetivo. Identificar un metal mediante la experimental del valor de su c...

Description

Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química  

Laboratorio de Termodinámica

Practica 6. “Capacidad T”

Equipo Luchón  . Equipo 1.

Mar López Diana Laura Montejano Aldama Bryan Antonio Ríos Garcés Daniela

______________ ______________ ______________

Grupo 21

Profesor: M. en C. Lorena De Anda Aguilar

Fecha de entrega: 31 de Marzo de 2017.

Objetivo. Identificar un metal mediante la obtención experimental del valor de su capacidad térmica específica y determinar la capacidad térmica de cilindros huecos del mismo.

Fundamentos de la práctica. Cuando dos sistemas se encuentran en contacto a través de una pared diatérmica y están a diferentes temperaturas, va a ocurrir un proceso , en la frontera entre los dos sistemas denominado: Calor. Este mecanismo de transferencia de energía depende de la masa, la naturaleza química de la sustancia, así como de la diferencia de temperatura entre los sistemas que participen en el proceso. Lo anterior se representa con la siguiente ecuación: Q=mc ΔT . Existen dos importantes propiedades que van a influir en esta transferencia de energía. La primera, (que representa a la variable “c” de la ecuación y normalmente es expresada en unidades de (cal/gºC)) es la capacidad térmica específica y se define como: la cantidad de calor absorbida por una masa unitaria de un gramo para aumentar la temperatura del sistema un grado. Esta propiedad es intensiva y va a caracterizar a cada sustancia. De hecho, el que el agua tenga una gran capacidad térmica, provoca que se necesite mucho calor para elevar su temperatura, en comparación a la arena del mar. La evidencia de esto es que el arena nos quema los pies y el agua no, a pesar de que se les suministra la misma cantidad de calor. La siguiente propiedad, es el producto de la masa por la capacidad térmica específica, este hecho provoca que esta propiedad sea extensiva, por la dependencia con la masa. Esta propiedad es llamada capacidad térmica y se define como la cantidad de calor absorbido por un objeto para aumentar la temperatura un grado. Para ejemplificar esta propiedad imaginemos que se tienen dos recipientes con agua, uno con 5 L y el otro con 500 mL. Se necesita mayor calor para elevar la temperatura en el recipiente de 5 L, a pesar de tener la misma capacidad térmica específica. En consecuencia la capacidad térmica del agua en el recipiente de 5 L es mayor.

Materiales y reactivos. ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

5 cilindros de metal. 1 termómetro de Hg. 1 termómetro digital. 1 vaso de poliestireno de 250 mL con tapa. 1 baño a temperatura constante. 1 vaso de precipitados de 250 mL. 1 resistencia. 1 vaso de precipitados de 500 mL. 1 probeta de 100 mL. Hilo de nylon.

❏ Agua (H2O). Líquido inodoro, incoloro e insípido; no representa ningún riesgo para la salud o el medio ambiente.

Procedimiento experimental.

Lenguaje Termodinámico. Los sistemas a analizar son cerrados y son los cilindros huecos de desconocida composición química. Si el sistema sólo es un cilindro, el sistema es homogéneo, sin embargo, el sistema se volverá heterogéneo cuando la cantidad de cilindros que se analicen aumente, por lo que el número de fases en el sistema será igual a la cantidad de cilindros que se analicen. La pared son rígidas y son los límites del metal entre el agua y el metal. éstas paredes se clasifican como diatérmicas pues es gracias a estas que hay evidencia de la ley cero de la termodinámica. Resultados. ➢ Masa del metal= 42.8277 g ➢ Masa del H2O= 150g Tabla 1. Determinación de Capacidad Térmica. Exp.

Ti (°C) del agua

Ti (°C) del metal

Teq (°C)

△T agua (°C)

△T metal (°C)

Q agua (cal)

Q metal (cal)

1

22.9

39

23.7

0.8

-15.3

120

-120

2

22.8

62.8

24.3

15

-38.5

225

-225

3

22.9

83

25.0

2.1

-58

315

-315

4

24.2

92.6

26.8

2.6

-65.8

390

-390

Ejemplo de cálculo para el experimento 1. T H2O= Tequilibrio  - Ti H2O △T H2O= 23.7°C - 22.9°C = 0.8°C △Tmetal = Tequilibrio - Ti metal △Tmetal = 23.7°C - 39°C = -15.3°C QH2O =  mH2O cH2O (Tequilibrio - Ti H2O) QH2O = (150g) (1cal/g ºC) (0.8ºC) = 120 cal Q ganado = -Q cedido Q H2O = - Q metal Q metal = -120cal= -120 cal

Tabla 2. Determinación de Capacidad Térmica Específica. Exp.

Masa del metal (g)

Ti del metal (°C)

Ti del agua (°C)

Teq (°C)

∆T del agua (°C)

∆T del metal (°C)

Q agua (cal)

Q metal (cal)

C metal (cal/ºC)

1

9.0021

72

22.2

22.6

0.4

-49.8

60

-60

1.20

2

17.7454

72.5

22.2

22.9

0.7

-50.3

105

-105

2.08

3

29.1224

72

22.3

23.5

1.2

-49.7

180

-180

3.62

4

37.8797

72

22.5

24.1

1.6

-49.5

240

-240

4.85

5

42.8277

72

23

24.9

1.9

-49

285

-285

5.82

Ejemplo de cálculo para el experimento 2. △T H2O= Tequilibrio - Ti H2O △T H2O= 22.6 ºC - 22.2 °C = 0.4°C △Tmetal = Tequilibrio - Ti metal △Tmetal = 22.6°C - 72°C = -49.8°C Q H2O= mH2O cH2O (Tequilibrio - Ti H2O) Q H2O= (150 g) (1 cal/g ºC) (0.4ºC) = 60 cal Q ganado = -Q cedido Q metal = - Q H2O Q metal= -60 cal= -60 cal C metal =  

Q metal −60 cal = −49.8ºC = 1.20 cal/ºC ΔT metal

Análisis de resultados. ❏ Para la Capacidad Térmica.

Capacidad Térmica = 5.1232 cal/ºC Con la gráfica anterior es posible observar que la cantidad de calor transferida es proporcional a la diferencia de temperaturas; entre más grande sea esta diferencia, mayor será el calor que se transfiere La ecuación de dicha gráfica es Q = 5.1232 ∆T - 35.031 donde la pendiente nos indica la capacidad térmica del metal, que en este caso sería 5.1232 cal/ºC ❏ Para la Capacidad Térmica Específica.

En general, en todos los experimentos se pudo observar que la temperatura inicial del metal es mayor que la del agua, por lo tanto la transferencia de calor se da del metal al agua, razón por la cual Q metal < 0. Como bien se sabe, la capacidad térmica es una propiedad extensiva, ya que depende de la masa del sistema. Esta aseveración se puede comprobar en la tabla 2 cuando al aumentar la masa del objeto de estudio (en este caso el metal) la capacidad térmica del mismo cambia aumentando también su valor, por lo que se tienen resultados diferentes de C para cada experimento (como se muestra en la tabla 3), así se puede deducir que ambas propiedades están relacionadas directamente. Tabla 3. Capacidad Térmica para cada experimento. Exp.

Masa del metal (g)

Capacidad Térmica (cal)

1

9.0021

1.20

2

17.7454

2.08

3

29.1224

3.62

4

37.8797

4.85

5

42.8277

5.82

Con los resultados obtenidos en el segundo procedimiento experimental, se realizó una gráfica de capacidad térmica del metal en función de de la masa del mismo. Si se aplica el método de cuadrados mínimos se obtiene una línea de tendencia, la cual relaciona los puntos de la manera más próxima posible. La ecuación de la recta es: C = 0.1357 ± 0.0346189(masa del metal) − 0.1926 , de manera que la pendiente de la recta es igual a la capacidad térmica específica del metal. En consecuencia, la capacidad térmica específica es igual a 0.1357± 0.0346189 cal/g ºC. Esto indica que si se tiene una masa de un gramo de esta sustancia, se necesitarán 0.1357± 0.0346189 calorías para elevar su temperatura 1 ºC. Este valor tan pequeño, tiene sentido porque el metal “se enfría y calienta” con mucha rapidez y “facilidad”, por lo que necesita poca transferencia de calor. Una vez que se obtuvieron los valores correspondientes a la capacidad térmica y capacidad térmica específica o calor específico, se pudo determinar la identidad del material con el que se trabajó. Si el calor específico experimental fue de 0.1357± 0.0346189 cal/gºC y las opciones de metal eran latón y aluminio cuyos valores de Capacidad térmica específica son 0.220 cal/gºC y 0.094 cal/gºC respectivamente, se puede calcular el % de error para cada uno de los materiales y así determinar el metal que se utilizó en el experimento. |V alor teórico − V alor experimental| V alor teórico

De ⇒ %Error = ● Para Aluminio.

× 100

| cal/g °C − 0.1357 cal/g °C | %Error = 0.22 × 100 = 38.31% 0.22 cal/g °C ● Para Latón.

%Error =

0.094 | cal/g °C − 0.1357 cal/g °C | 0.094cal/g °C

× 100 = 44.36%

Si se considera haber tenido un error experimental “bajo” se podría decir que el material con el que trabajó fue aluminio, sin embargo al comparar las características físicas de ambos materiales queda muy claro que los cilindros de metal no estaban compuestos por aluminio, si no por latón. Cilindro de Aluminio

Cilindro de Latón

Se obtuvo un porcentaje de error bastante alto que se le puede atribuir a errores sistemáticos como lo fue el momento de transferencia de los cilindros de metal del baño a temperatura constante al calorímetro, pues se perdía cantidad de calor considerable, ya que este metal tiene un calor específico muy pequeño y transfiere o absorbe calor con gran facilidad.

Conclusión. El metal con el que se trabajó fue con el latón, cuya capacidad térmica específica experimental fue de 0.1357± 0.0346189 cal/gºC con un porcentaje de error del 44.36 %. Las diferencias entre capacidad térmica específica y capacidad térmica es que la primera es intensiva y la segunda es extensiva porque depende de la masa. A demás calor específico es una propiedad de una sustancia, mientras que capacidad térmica es una característica de un objeto.

Bibliografía. 1. Anónimo. (s/f). “Calor específico y capacidad calorífica”. Consultado el 29/03/17. Recuperado de: http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/131-calor-especifico-y-capacida d-calorifica.html 2. Cervantes, L (s/f). “Capacidad térmica específica y capacidad térmica”. C  onsultado el 30/03/17. Recuperado de: http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/Capacidad_Termica_21418.pdf...