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CALOR ESPECÍFICO DE SÓLIDOSCALOR ESPECÍFICO DE SÓLIDOS
1. OBJETIVO
1.1 Medir el calor específico de un sólido metálico. 1.2 Comprender el principio de conservación de energía.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO
El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor que se requiere para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de ella. De acuerdo a esta definición, la cantidad de energía calorífica Q absorbida o cedida por un cuerpo de masa m al calentarse o enfriarse es proporcional a la variación de temperatura ^ Tf^ Tiy a la masa del cuerpo según la fórmula: Q =mcΔ T, (1) Donde c es el calor específico. Cuando no hay intercambio de energía (en forma de calor) entre dos sistemas, decimos que están en equilibrio térmico. Las moléculas individuales pueden intercambiar energía, pero en promedio, la misma cantidad de energía fluye en ambas direcciones, no habiendo intercambio neto. Para que dos sistemas estén en equilibrio térmico deben estar a la misma temperatura. El calor específico es una propiedad física dependiente del material. Sin embargo, cuando se mide esta magnitud, se encuentra que varía con la presión y volumen del sistema. Normalmente, para sólidos y líquidos, estos dos valores se diferencian en sólo un pequeño porcentaje que es a menudo despreciado. En la Tabla 1 se muestran los valores del calor específico de algunas sustancias sólidas y líquidas a temperatura ambiente y presión atmosférica. TABLA 1. Valores del calor específico de algunas sustancias. Sustancia (^) J /kg Calor específico, º C cal /^ g c ºC Plomo (Pb) 128 0, Oro (Au) 129 0, Plata (Ag) 234 0, Germanio (Ge) 320 0, Diamante (C) 333 0, Bronce (Cu - Sn) 360 0, Latón (Cu - Zn) 385 0, Cobre (Cu) 387 0, Hierro (Fe) 448 0, Silicio (Si) 795 0, Asbesto 816 0, Vidrio 837 0, Aluminio (Al) 900 0, Hormigón 921 0, Madera 1716 0, Hielo (H 2 O a - 5 ºC) 2093 0, Parafina 3265 0, Mercurio (Hg) 138 0, Aceite de máquina 1674 0, Alcohol (R-OH) 2512 0, Glicerina 2428 0, Agua (H 2 O a 15 ºC) 4186 1,
Conocer el valor del calor específico es fundamental en el estudio de las propiedades de los materiales. A saber, las propiedades térmicas de los superconductores han sido estudiadas en forma amplia en base a las mediciones del calor específico del material. Debido a que la energía térmica afecta a sólo unos pocos electrones, éstos proporcionan únicamente una pequeña contribución al calor específico de un metal. En consecuencia, según se calienta un metal, la mayoría de la energía utilizada en elevar la temperatura de éste va a incrementar la energía vibracional de los átomos y lo restante se utiliza para incrementar la energía cinética de los electrones de conducción.
En otro aspecto, el calor específico está íntimamente relacionado con la inercia térmica de los cuerpos, que
indica la dificultad que éstos ofrecen para variar su temperatura. Si un edificio tiene gran inercia térmica,
no se producen diferencias drásticas de temperatura. Esto basado en que su masa tiene la capacidad de almacenar energía en forma de calor, la que puede ser liberada nuevamente al ambiente. La capacidad de acumulación térmica de los elementos constituyentes de la edificación permite, en los mejores casos, obtener valores altos de inercia térmica y por ende conseguir la estabilidad térmica en su interior, evitando las oscilaciones de temperatura originadas por las fluctuaciones térmicas climáticas. MEDIDA DEL CALOR ESPECÍFICO. CALORIMETRÍA La calorimetría es una técnica de análisis térmico que permite medir los cambios energéticos de una sustancia en presencia de un material de referencia. La medición del calor específico de una sustancia consta en calentar la sustancia hasta cierta temperatura, colocarla después en un recinto adiabático con una determinada masa de agua a temperatura conocida, para finalmente medir la temperatura de equilibrio del sistema sustancia-agua. El dispositivo en el cual ocurre esta transferencia de calor recibe el nombre de calorímetro , el cual también experimenta ganancia de calor, la cual puede ser despreciada si la masa del calorímetro no es significativa respecto de la masa de agua. Sea ms la masa del sólido con calor específico cs desconocido, con una temperatura inicial alta Ts; y análogamente, sean ma, ca y Ta los correspondientes valores para el agua. Si T es la temperatura de equilibrio del sistema, a partir de la ecuación (1) se encuentra que, i) el calor ganado por el agua: Q^ a ^ maca(TTa), ii) y el calor perdido por el sólido. Q^ s ^ mscs(TTs). La cantidad de trabajo mecánico realizado durante el proceso es pequeña y, en consecuencia, despreciable. La ley de conservación de energía requiere que el calor que cede la sustancia más caliente (de calor específico desconocido) sea igual al calor que recibe el agua. Por lo tanto, m (^) a ca(T Ta)mscs(TTs ) (2) Despejando cs de la expresión anterior se tiene:
m (T T )
c m c (T T^ )
s s s a a^ a
Con unidades de cal^ /g^ ºCo J^ /kg^ K, estas últimas de acuerdo al Sistema Internacional.
3. MATERIALES E INSTRUMENTOS ( )
térmico con el agua. Luego mida la temperatura del sistema, que será la temperatura alcanzada por el sólido, Ts. Anote este valor en la Tabla 2. 4.5 Retire el sólido del agua en ebullición e introdúzcalo rápidamente en el calorímetro (ver Figura 2). Tape el calorímetro y coloque el termómetro en la posición correspondiente. Agite ligeramente el calorímetro para asegurar la homogenización de la temperatura en el sistema aislado. Mida la temperatura de equilibrio, T. Anote el valor en la Tabla 2. 4.6 Repita cuatro veces más los pasos anteriores con otros sólidos del mismo material, pero con masas de mayor valor. Por cada aumento de masa de sólido incremente 100g de agua en el calorímetro. Muestras de Cobre 4.7 De acuerdo al proceso anterior, realice las mediciones con el segundo sólido (masa inicial aproximada 32 g), pero reemplazando en el ítem 4.2 la masa de agua, ma , por una de 75 g. Anote los valores en la Tabla 3. Recomendaciones: El calorímetro debe estar totalmente seco antes de verter el agua dentro de éste. No cambie la ubicación del termómetro directamente del recipiente con agua en ebullición al calorímetro. Como paso intermedio, coloque el termómetro en contacto con agua a temperatura ambiente y luego séquelo con una franela o papel absorbente. Al realizar las medidas correspondientes de masa de las muestras sólidas, medir la masa de las muestras juntas para evitar propagar los errores debido a mediciones indirectas. TABLA 2. Datos experimentales correspondientes a muestras de Bronce. N Ma (g) Ta (ºC) ms (g) Ts (ºC) T (ºC) Cs 1 143g 25º 50g 94º 29º 0.176 cal/g ºC 2 146g 24º 60g 96º 29º 0.304 cal/g ºC 3 125g 24º 70g 95º 31º 0.195 cal/g ºC
5. PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS ( )
5.1 Use la ecuación 3 para calcular el calor específico de los sólidos en estudio. Con los datos de la Tabla 2 y 3 halle: Las variaciones de temperatura del agua T^ a^ TTa y del sólido T (^) s Ts T. Los resultados colóquelos en las Tablas 4 y 5 respectivamente. TABLA 4. Valores del calor específico.
N
Bronce T (^) a(º C)
T s (ºC) c^ (cal/g.ºC)^ c^ (J/kg.K) 1 4 65 0.176 cal/g ºC^ 736. 2 5 67 0.304 cal/g ºC^ 1272. 3 7 64 0.195 cal/g ºC^ 816.
PROMEDIO 0.184 cal/g ºC 770.
5.2 ¿Cómo se sabe que un cuerpo ha recibido o cedido calor?
Midiendo la temperatura del cuerpo y luego la del medio ambiente en lo cual todo este
procedimiento lo explica la ley de enfriamiento de Newton.
5.3 Con los datos de las Tablas 4 y 5 calcule los valores del calor ganado por el agua Q^ a , el calor perdido por los sólidos Q^ s y la discrepancia, Q^ = |Qa-Qs|, entre ambos para cada caso. Los resultados anótelos en las Tablas 6 y 7. TABLA 6. Sistema calorímetro-agua-Bronce. N Qa(J) Qs(J) (^) experimentalQ^ = |Q a-Qs| (J)ideal 1 4 65 -61 0 2 5 67 -62 0 3 7 64 -57 0
5.4 ¿Cuál es el valor esperado para la discrepancia entre el calor ganado por el agua y el cedido por el sólido? Explique.
El agua siempre ganara temperatura, debido a una propiedad anómala que posee al recibir
calor, sus moléculas vibran y generan calor, y el solido disminuirá su temperatura, esto podrá ser medidio luego por la temperatura del medio que es el promedio de ambos, cuando pierden y ganan calor.
5.5 Determinar la discrepancia relativa porcentual entre los valores promedio del calor específico (cE), hallados en el ítem 5.1, y los valores dados en la Tabla 1 (cT).
i) cT^ c T^ cE ^100 0.02%
6. RESULTADOS ( ) Magnitud Material C (J/kg.K)^
Discrepancia relativa porcentual Bronce 56.28 56.28%
8.3 ¿Qué cambios en la Ecuación 2 es necesario realizar si consideramos que el calorímetro absorbe energía calorífica? ¿Qué entiende por equivalente en agua del calorímetro?
Sería de poner el valor del aluminio porque el también recibe calor y además agregar el peso del vaso de precipitación y el transcurso que nos demoramos para pasarlo al calorímetro, o sea el tiempo transcurrido que demoramos al pasarlo bueno eso creo que sería lo que cambiaríamos en la ecuación 2 para que salga bien. Bueno digamos se ponen M gramos de agua en el calorímetro, se agita, y después de un poco de tiempo, se mide su temperatura T0. A continuación, se vierten m gramos de agua a la temperatura T. Se agita la mezcla y después de un poco de tiempo, se mide la temperatura de equilibrio Te.
Como el calorímetro es un sistema adiabáticamente aislado tendremos que: (M+k) (Te-T0) +m(Te-T) =
9. BIBLIOGRAFIA ( )
http://fisicapararendir.blogspot.pe/p/calor-y-temperatura_8934.html.
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/enfriamiento/enfriamiento.h
tm
10. PUNTUALIDAD ( )
