[“CALOR ESPECIFICO Y CAMBIOS DE FASE”]
PRACTICA #5
INTRODUCCIÓN
Diferentes sustancias requieren diferentes cantidades de calor para producir un cambio
dado en su temperatura. Por ejemplo, para incrementar la temperatura de
de agua en
una cantidad
de temperatura se requiere alrededor de 10 veces más calor que para
incrementar en esta misma cantidad
la temperatura de
de cobre.
Este comportamiento de los materiales es caracterizado cuantitativamente por el calor
específico, que es la cantidad de calor necesaria para incrementar la temperatura
de
de sustancia en 1°C. Así, el agua tiene un calor específico de mayor valor que el
cobre.
El calor específico de un material es característico para cada sustancia y depende de su
estructura interna. Como puede ser visto de la definición, el calor específico de una
sustancia dada puede ser determinado mediante la entrega de una cantidad de calor
conocida a una cantidad de masa determinada de la sustancia y con un apropiado registro
del cambio en su temperatura. El propósito de este experimento es determinar el calor
específico de un material en particular mediante los métodos de calorimetría.
OBJETIVO
Comprender y aplicar el concepto de calor especifico, equivalente mecánico de calor y entalpia
de vaporización.
ACTIVIDADES
1) Determinar el calor específico de un metal.
2) Calcular el equivalente mecánico de calor
3) Calcular la entalpia.
4) Calcular la entalpia de vaporización
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PRACTICA #5
MATERIAL Y EQUIPO
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1 Parrilla eléctrica de 750W
1 Cronometro
1 Calorímetro (recipiente de aluminio)
2 Termómetros
1 Vaso de precipitado 250 ml
1 Vaso de precipitado 500 ml
1 Balanza Granataria
1 Multímetro
1 pesa de 1 Kg
1 pesa de ½ Kg
1 guante de asbesto
1 agitador de vidrio
1 cubo de metal
Agua potable
1 cafetera opcional
1 una pinza de sujeción
1 una resistencia de inmersión
ASPECTOS TEORICOS
Calor específico (Ce) de una sustancia es igual a la capacidad calorífica de dicha sustancia entre su
masa:
El Calor específico de una sustancia se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un
grado la temperatura de una masa unitaria de la sustancia.
Equivalente mecánico de calor
Es la conversión de la energía mecánica en térmica debido al calentamiento causado por la fricción de las
moléculas.
Cambio de fase
Un cambio de fase es cuando la materia pasa de un estado a otro, la fase de la materia depende de su
temperatura y de la presión que se ejerce sobre ella. En los cambios de fases produce normalmente una
transferencia de energía.
a) Evaporación: Cambia de fase de líquido a gas que se lleva a cabo en la superficie del líquido;
este cambio de fase sucede en un proceso de calentamiento
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PRACTICA #5
b) Es la transformación de un gas a líquido; este cambio de fase sucede en un proceso de
enfriamiento.
c) Ebullición:Es el cambio de fase que ocurre en cualquier región del líquido y se forman
burbujas.
Calor latente de vaporización
Es la cantidad de calor que se requiere para cambiar 1gr de líquido en ebullición a 1 grde vapor,
manteniendo constante la temperatura.
Calor sensible
Es aquel que al ser suministrado a una sustancia, esta eleva su temperatura sin llegarlo a cambiar de
estado.
DESARROLLO
ACTIVIDAD I: CALOR ESPECÍFICO DE UN SOLIDO
Calibrar la balanza2.
Medir la masa del calorímetro.
Verter en el calorímetro aproximadamente 1/3 de agua fría, determinar su masa y su
temperatura.
Determinar la masa del metal.
En un vaso de precipitados, verter aproximadamente 200ml de agua.
Introducir el metal en el vaso de precipitados.
Colocar el vaso en la parrilla. Conectar a la toma de corriente.
Introducir el termómetro en el vaso para medir la temperatura de ebullición- (esta es
considerada como la temperatura inicial del metal T1m).
Una vez que le agua este hirviendo, con la pinzas sacar el trozo del metal e introducirlo en
el calorímetro.
Medir la temperatura máxima que alcanza el agua en el calorímetro (T2 H2O). (Esta es
considerada como la temperatura que se alcanza en el equilibrio termodinámico entre el
metal y el agua)
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El calor específico se determina con un balance térmico:
Dónde:
Entonces:
Por lo tanto:
Nota: Ce es positivo, ya que TM1>T2H20.
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ACTIVIDAD II: EQUIVALENTE MECANICO DE CALOR
Realizar los cálculos necesarios para obtener el equivalente mecánico de la cantidad de calor utilizado en
la práctica. Anotar los resultados en la tabla
ACTIVIDAD III: ENTALPIA DE EVAPORACION
1. Medir la resistencia de la resistencia de inmersión y el voltaje de línea.
2. Verter 1/3 de agua en el calorímetro o en la cafetera.
3. Determinar la masa del agua, restándole la masa de la cafetera.
4. Conectar la resistencia de inmersión a la toma de corriente
5. Con el agitador de vidrio, mezclar continuamente para alcanzar una temperatura uniforme dentro
del calorímetro a la cafetera.
6. Esperar a que el agua alcance su temperatura de ebullición (92ºC aprox.). en ese momento,
cronometrar el tiempo un lapso de 5min, para que se consuma parte del agua.
7. Desconectar la cafetera y colocarla en la balanza, medir la masa del agua que se evaporo,
(restando la masa inicial del agua fría con la masa final del agua caliente).
Para determinar el calor que se requiere para evaporar el agua, se usa el modelo:
Dónde:
: Calor de vaporización (Joule).
: Masa de vaporización (gr).
: Entalpia de vaporización (Joule/gr).
Potencia eléctrica de la resistencia:
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Potencia calorífica suministrada al agua:
Dónde:
P= potencia de la resistencia (watts).
R=resistencia de la parrilla (Ω).
V=voltaje de línea (volts).
Q=calor (J).
t = tiempo que tarda en evaporizarse la masa de agua (Seg).
Por lo tanto:
TABLAS DE LECTURAS
ACTIVIDAD 1
Tabla 1: Datos Actividad 1.
Concepto
Calorímetro
Masa del agua
Masa del metal
Temperatura inicial del Agua (T1)
Temperatura final del Agua (Tf)
Temperatura inicial del Metal (Tm1)
Temperatura final del Metal (Tm2)
Unidad
gr
gr
gr
°C
°C
°C
°C
Lectura
90
355
255.6
21
31
92
31
Unidad
Ohm
Volt
gr.
gr.
gr.
Seg.
Lectura
90
355
255.6
21
91
300
ACTIVIDAD 2
Concepto
Resistencia de Inmersión
Voltaje de Línea
Masa inicial del Agua (m1)
Masa final del Agua (m2)
Masa de vapor
Tiempo de Evaporización
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MEMORIA DE CÁLCULO
Calculo del calor específico del Metal:
Calculo de la Energía absorbida por el agua:
Calculo del Equivalente Mecánico:
1 caloría = 4.189 Joules
Por lo que:
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Calculo del Calor de Vaporización:
Calculo de la entalpia de Vaporización
TABLAS DE RESULTADOS
Tabla 1. Calor especifico del metal.
Concepto
Ce Metal
KJ/Kg°K
0.9697
Unidades
Cal/gr°C
0.2315
BTU/Lb°F
0.4166
Tabla 2. Equivalente Mecánico del calor de la energía absorbida por el agua.
Concepto
Equivalente Mecánico
del calor
Joules
14870.5
Unidades
Caloría
3550
BTU
14.09
Tabla 3. Resultados calor de vaporización y entalpia de vaporización.
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Concepto
Calor de Vaporización
Entalpia de
Evaporización
Joule
203701.8
J/gr
2238.5
Unidades
Caloría
48627.8
Cal/gr
534.4
PRACTICA #5
BTU
193
BTU/lb
2.12
CUESTIONARIO FINAL
1) Explicar los estados de la materia y sus cambios, investigar qué tipo de calor
manejan.
Se observa que, para cualquier sustancia o elemento material, modificando sus
condiciones de temperatura o presión, pueden obtenerse distintos estados o fases,
denominados estados de agregación de la materia, en relación con las fuerzas de
unión de las partículas (moléculas, átomos o iones) que la constituyen.
Todos los estados de agregación poseen propiedades y características diferentes, los
más conocidos y observables cotidianamente son cuatro, las llamadas fases sólida,
líquida, gaseosa y plasmática. Otros estados son posibles, pero no se produce de forma
natural en nuestro entorno por ejemplo: Einstein, condensado y las estrellas de neutrones.
Otros estados, como plasmas de quark-gluón, se cree que son posibles.
.
En los estados se manejan el tipo de “Calor Latente” y el “Calor Sensible”.
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PRACTICA #5
2) Demostrar mediante la primera ley de la termodinámica la relación entre los
calores específicos y la constante particular de los gases.
CALOR ESPECÍFICO DE UN GAS IDEAL
La ecuación estado para un gas ideal es
(69)
Donde
es el número de moles del gas en el volumen . El comportamiento del gas
ideal representa una aproximación extremadamente buena al comportamiento de gases
verdaderos para una amplia variedad de usos. Sin embargo, se debe tener en mente, que
describir una sustancia como un gas ideal constituye un modelo de la situación física real,
y que los límites de la validez del modelo deben estar siempre presentes.
Uno de los aspectos importantes de un gas ideal es que su energía interna depende
solamente de su temperatura. (Par ahora, esto se puede contemplar como otro aspecto
del modelaje de sistemas reales que el gas ideal representa, pero se puede demostrar
que ésta es una consecuencia de la forma de la ecuación estado.) Ya que
depende
solamente de
de la ecuación:
Podemos escribir
(70)
O bien
(71)
Donde
indica que el calor específico a volumen constante es sólo función de la
temperatura.
3) ¿Por qué causa más daño una quemadura con vapor de agua que una
quemadura con agua hirviendo?
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R= Porque el agua hirviendo alcanza una temperaturamáxima de 100°C mientras
que el vapor de agua su temperatura es mayor ya que este es calor latente y este
es mayor de 100°C por lo que puede ser más dañino.
4) ¿Qué significa afirmar que un material tiene una capacidad calorífica grande
o pequeña?
R= Al decir que tiene capacidad calorífica grande, quiere decir que puede adquirir
grandes cantidades de calor rápidamente y si es pequeña no absorbe mucho
calor.
5) ¿Por qué los lagos y estanques se congelan de arriba hacia abajo y no de
abajo hacia arriba?
R= La temperatura de congelación del agua disminuye con el aumento de la presión. En la
superficie el agua tiene la presión atmosférica, a medida que de desciende bajo el agua se suma
la presión del agua que está por encima, por lo que bajo el agua llega un momento en que no se
congela más debido a la presión.
6) Investigar tres formas de transmisión de calor.
Por conducción entre cuerpo sólidos en contacto
Por convección en fluidos (líquidos o gases)
Por radiación
7) ¿Determinar el error porcentual, relativo y absoluto del calor específico del
calorímetro de aluminio?
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8) ¿Qué tipos de errores se cometieron al efectuar la práctica, y como podrías
evitarlos?
R= Se cometieron errores de Medicion y probablemente de calibración, los errores
de Medicion no se pueden evitar pero sin embargo se puede hacerlo de la mejor
manera posible para obtener una buena medicion, y para poder evitar los errores
de calibración se podría comprar equipo nuevo de buena calidad, y calibrarlos de
una manera correcta, cambiando el equipo viejo por nuevo.
CONCLUSIONES
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Se determinóel calor especifico de un calorímetro de aluminio el cual nos dio un valor muy
cercano al real, con un error muy bajo, lo que implica que la práctica y los cálculos se
realizaron de una manera correcta, obteniendo mediciones precisas y buen uso del
equipo del laboratorio, también se comprendió el concepto de equivalente mecánica el
cual estipula que 1 calorías = 4.189 Joules. Finalmente por medio de una resistencia
eléctrica de inmersión la cual permitió aplicar calor a una cantidad determinada de agua,
pudimos obtener la entalpia de evaporización de una cantidad determinada de agua,
comprobando la definición de entalpia, la cual fue determinada por medio del calor
suministrado por la resistencia y la cantidad de agua que se evaporo.
BIBLIOGRAFÍA
M i c h a e l J. M o r a n Fundamentals of Engineering Thermodynamics
ThermodynamicsCendel 7th edition
Tippens ”Física Conceptos y Aplicaciones, sexta edición Mc Graw Hill
Manrique “Termodinámica”, Tercera Edición, Editorial Alfaomega
Wikipedia:
http://es.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:
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