TÍTULO: DETERMINACIÓN DEL CALOR ESPECÍFICO DE SÓLIDOS

RESUMEN:

En la experiencia se logró determinar el calor específico para sólidos haciéndose uso del método de mezclas, lo cual implica el uso de la siguiente ecuación:

mC cC (T C−T e )=mcal ccal (Te−T a )+ma ca (T e−T a )

Donde: cC :calor específico del cuerpo ccal :calor específicodel calorímetro

mC :masadel cuerpo ma :masadel agua

T C : temperatura delcuerpo ca :calor específicodel agua

T e : temperaturade equilibrio T a: temperatura del agua

mcal :masadel calorímetro

Además se concluyó que el calor específico expresa que cantidad de calor que necesita absorber un gramo de un cuerpo para variar su temperatura en un grado Celsius.Se demostró que el método de mezclas se basa en el principio de balance de energía.

Q ganado=Q perdido

INTRODUCCIÓN:

En el presente informe se abordará el cómo determinar el calor específico para sólidos mediante el método de mezclas, para ello se debe conocer ciertas observaciones previamente:

La cantidad de calor Q disipado o absorbido por cuerpos de la misma sustancia es directamente proporcional a la variación de la temperatura T:

Q∆T

= Q'∆T '

…(1)

Además, el calor cedido o ganado para cuerpos distintos, pero de la misma sustancia, son directamente proporcional a la masa:

Qm

=Q 'm'

… (2)

El calor específico (c ) de un cuerpo está definido como:

c= 1mdQdT

… (3)

Donde: dQ :elemento de la cantidad decalor que intercambianlos cuerpos dT :elemento de variaciónde temperaturaque e xperimentan los cuerpos

Como ya se mencionó, se empleará el método de mezclas para calcular el calor de un cuerpo, el cual se basa en un balance de energía.

Sea una cierta cantidad de agua ma en un calorímetro mcal, ambos a la temperatura T a y otro cuerpo de masa mc a otra temperatura T c>T a, además siendo ca el calor específico del agua, ccal calor específico del calorímetro y cC calor específico del cuerpo,

Después de un tiempo de haberse mezclado el agua con el cuerpo, el sistema adquirirá una temperatura de equilibrio T e.

Q perdido=Q ganado

Q p(cuerpo)=Q g(calorímetro)

+Qg(agua)

mC cC∆T C=mca lccal∆T cal+ma ca∆Ta

mC cC (T C−T e )=mcal ccal (Te−T a )+ma ca (T e−T a )… (4)

Con esta ecuación se determina el calor específico para un cuerpo.

MÉTODO EXPERIMENTAL:

Para esta experiencia es necesario emplear los siguientes equipos y materiales: un mechero de Bunsen (para elevar la temperatura de la muestra a analizar), un soporte universal y un clamp (para sostener el cuerpo sumergido en agua), un calorímetro de mezclas (donde mezclamos el agua y la muestra), una probeta (para medir el volumen de agua a utilizar), una balanza (para determinar la masa del calorímetro de las muestras), un termómetro (para medir la temperatura del agua y de la muestra y la temperatura de equilibrio), un vaso de precipitado (donde calentamos la muestra). Observar la Fig.1.

Fig.1

Se determina la masa del calorímetro y de las muestras.

mcal=47.6 gm1=48.2(cobre)m2=27.0(aluminio)m3=39.9( plomo)

Se toma la temperatura del calorímetro que contiene agua y de la muestra (ésta estando sumergida en agua hirviendo), luego se introduce la muestra en el calorímetro, estableciéndose el equilibrio.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN:

En este punto del informe se mostrará la tabla con los valores de la temperatura para cada muestra y para el agua, y las masas de cada muestra y se usa la ecuación (4) para determinar el calor específico para cada muestra, y se sabe que ccal=0.22cal /g°C

Se calcula el calor específico para cada muestra:

Para el cobre (muestra 1)

cCobre=mcal ccal (T e−T a )+ma ca (Te−T a )

mC (TC−Te )=0.22×47.6× (24.8−22.5 )+150×1×(24.8−22.5)

48.2×(100−24.8)=0.1008

Para el aluminio (muestra 2)

c Aluminio=mcal ccal (T e−Ta )+maca (T e−T a)

mC (T C−T e)=0.22×47.6× (25.9−23.1 )+150×1×(25.9−23.1)

27.2×(100.1−25.9)=0.2226

Para el plomo (muestra 3)

c Plomo=mcal ccal (T e−T a )+ma ca (T e−T a )

mC (T C−T e )=0.22×47.6× (23.7−23.0 )+150×1×(23.7−23.0)

43 .0×(100.2−23.7)=0.0341

Tabla 1

BLOQUEMUESTRA 1

(COBRE)MUESTRA 2 (ALUMINIO)

MUESTRA 3 (PLOMO)

T a(°C ) 22.5±0.05 23.1±0.05 23.0±0.05

T C(°C ) 100±0.05 100.1±0.05 100.2±0.05

T e(° C) 24.8±0.05 25.9±0.05 23.7±0.05

mC(g) 48.2±0.05 27.32±0.05 43.0±0.05

ma(g) 150±0.05 150±0.05 150±0.05

cC(cal /g°C) 0.1008 0.2226 0.0341

Luego de obtener el valor del calor específico para cada muestra, se comparan estos valores con los valores teóricos en las tablas de manuales de Física, y se halla el error porcentual para cada muestra.

Para el cobre

%error=|c teórico−cexperimentalc teórico |×100%=|0.0940−0.10080.0940 |×100%=7.2340%

Para el aluminio

%error=|c teórico−cexperimentalc teórico |×100%=|0.2110−0.22260.2110 |×100%=5.4976%

Para el plomo

%error=|c teórico−cexperimentalc teórico |×100%=|0.0320−0.03410.0320 |×100%=6.5625%

Se observa que el error porcentual es ligeramente bajo, este error se puede deber a que al momento de retirar la muestra a 100°C del agua hirviendo, si se demora demasiado tiempo en introducir la muestra en el calorímetro afectará su temperatura.

CONCLUSIONES:

- De la experiencia realizada se concluye que el calor específico de un cuerpo se expresa la cantidad de calor que debe absorber un gramo del cuerpo para variar su temperatura en un grado Celsius.

- Además se concluye que si un cuerpo pierde o libera calor existe otro cuerpo que absorbe o gana esa cantidad de calor, a lo que se denomina balance de energía.

- Se concluye también que el calorímetro es un instrumento muy útil para determinar calores específicos desconocidos de determinados cuerpos.

- También se concluye que para cuerpos con mayor calor específico requieren más calor para calentarlos y los de menor calor específicos menor calor.

RECOMENDACIONES:

Se recomienda al momento de mezclar la muestra (cilindro) en el agua caliente sin tocar el fondo del vaso, para así obtener un calentamiento homogéneo.

También se recomienda sumergir completamente la muestra (cilindro) en el agua sin tocar el fondo del recipiente, para evitar un calentamiento desproporcionado.

Además se recomienda al retirar el cilindro del agua hirviendo introducirlo rápidamente en el calorímetro, para evitar una variación de su temperatura al contacto con la temperatura ambiental.

REFERENCIAS:

[1] Leyva Naveros, Humberto “Física” Tomo II. Ed. Moshera 2001

[2] Rojas Saldaña, Ausberto “Física” Tomo II. Ed. San Marcos 2002

[3] Koshkin N.I., Shirkévicj M.G. Manual de Física Elemental. Editorial Mir 1975

http://html.rincondelvago.com/calorimetros.html

EVALUACIÓN:

1. ¿Qué es un calorímetro? Descríbalo y explique cómo funciona.

Es un recipiente térmicamente aislante (sistema adiabático) que encuentra aplicación para determinar experimentalmente calor específico desconocido. Existe un agujero donde se introduce un termómetro que indica la temperatura antes de la mezcla y después de hacerla, en el equilibrio térmico.

2. Investigue cuántos tipos de calorímetros hay en el mercado y cuáles son sus usos de cada uno de ellos.

Existen diversos tipos de calorímetros:

DRY LOAD CALORIMETER

En comparación con los instrumentos posteriores la precisión era muy modesta con una incertidumbre de 2% para la versión coaxial y uno a 2.5% para las versiones de guía de ondas. No obstante, estos diseños establecieron la dirección general para los siguientes instrumentos.

Nueva precisión en cargas y conectores desarrollados en los años 60 llevaron a una nueva generación de calorímetros coaxiales con mejor performance e incertidumbres debajo de 0.5% para frecuencias arriba de los 8 GHz.

Los calorímetros operan a niveles de potencia entre 100 mw y 10 w respectivamente.

COMPONENTES ESENCIALES (DRY LOAD TYPE)

La carga donde la potencia es disipada. Línea de transmisión aislada isotérmicamente la cual conecta la entrada a la carga Un sensor de temperatura

FUNCIONAMIENTO BÁSICO

Muchos calorímetros utilizan el principio de carga dual, en el cual una absorbe mientras que la segunda actúa como temperatura de referencia.

El sensor de temperatura registra la diferencia entre las temperaturas de las 2 cargas.

En teoría los efectos de las fluctuaciones de la temperatura externa se cancelan debido a la simetría, sin embargo si los alrededores no tienen una temperatura uniforme el gradiente de temperatura puede causar error.

El elemento de absorción de la carga es usualmente un thin film resistor, aunque dieléctricos de bajas pérdidas son usados para las versiones de guías de ondas. El sensor de temperatura es montado en el lado de afuera de la carga en una posición donde no es influenciado directamente por los campos electromagnéticos. Siendo esta una de las características distintivas de un calorímetro y es esencial para su alta precisión.

EL MICROCALORÍMETRO

Es el tipo de calorímetro más usado. Estrictamente hablando, no es un medidor de potencia pero es un instrumento para determinar la eficiencia efectiva de un montaje bolométrico.

Fue originalmente inventado para la calibración de metal wire bolometers, pero termistores y películas bolometricas también pueden ser calibrados por este método.

FUNCIONAMIENTO:

Antes de comenzar la medición, el montaje bolometrico es insertado dentro del calorímetro, donde actúa como la carga, cuando la medición es completada el bolómetro es removido y entonces puede ser usado como una referencia calibrada.

CALORÍMETRO DE FLUJO

La potencia es medida a través del calor de un fluido que fluye a través de la carga. Una indicación de la potencia es dada por la subida en la temperatura del fluido pasando del orificio de entrada al de salida.

CARACTERISTICAS

Las versiones de guías de ondas utilizan como fluido de trabajo agua. Mientras que el coaxial utiliza aceite y es construido para bajas frecuencias. Aire también puede ser usado, pero el uso de gases crea un problema adicional a causa del calor debido a la compresibilidad

Los calorímetros de flujo pueden manejar mayores potencias que los tipos estáticos. Su principal aplicación es para potencias de muchos watts. Para medir las subidas de temperatura en un calorímetro usualmente se emplean termopilas, termómetros de resistencia y algunas veces termistores.

CALORÍMETRO DE CAMBIO DE ESTADO

Este tipo de calorímetro no es muy usado. El calor a ser medido funde una cantidad de sólido o hierve una cantidad de líquido. El medio está en equilibrio térmico y por eso todo el calor entrante es usado para producir el cambio de estado.

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSUniversidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS

LABORATORIO DE FÍSICA II

HOJA DE EVALUACIÓN DE EXPERIENCIA DE LABORATORIO

Laboratorio: N°10 Determinación del calor específico de sólidos

Alumno: Figueroa Ayala, Branco José Código: 11070116 E.A.P: 0.72

Grupo: Jueves

Horario: 8-10 Fecha: 28 – 04 – 12

Criterios Puntos

A. Planificación de la investigación

A.1. Definición del problema de investigación y formulación de hipótesisA.2. Selección, manipulación y diseño de método para el control de variablesA.3. Diseño de un método de obtención de datos y selección de equipo y materiales apropiados

B. Recolección de la información

B.1. Obtención y registro de datos brutos

B.2. Organización y presentación de datos brutos

C. Análisis de la información, SU procesamiento y

presentación

C.1. Procesamiento de datos brutos

C.2. Presentación de los datos procesados

D. Conclusión y Evaluación

D.1. Extracción de conclusionesD.2. Evaluación de procedimientos y resultadosD.3. Mejora de la investigación

NOTA DEL INFORME