• Author / Uploaded
• Fredyson Quesada

• Categories
• Calor
• Celsius
• Temperatura
• Ciencia de los Materiales
• Transferencia de calor

Citation preview

UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS ÁREA DE LABORATORIO DE FÍSICA FACULTAD DE INGENIERÍA

CALOR ESPECÍFICO Jaider Gamarra. Ingeniería Laboratorio de Física Calor OndasGrupo: CD

Resumen En el siguiente informe de laboratorio se demuestra cómo se puede calcular la capacidad calórica de un material, el cual consistió consistió en tomar varios sólidos (tungsteno, cobre y aluminio), para luego introducirlos en un generador de vapor a alta temperatura el cual va a transferir energía(calor) a los sólidos. Luego se introducen en un calorímetro que contiene agua a temperatura ambiente esperando a que alcancen el equilibrio térmico para cada uno de los sólidos teniendo en cuenta la capacidad calórica del agua se procede a realizar el cálculo del coeficiente de calor específico de cada material. Palabras claves Calor especifico, aluminio, cobre, Tungsteno, temperatura Abstract The following laboratory report demonstrates how the caloric capacity of a material can be calculated, which consisted of taking several solids (tungsten, copper and aluminum), and then introducing them into a high temperature steam generator which is going to transfer energy (heat) to solids. Then they are introduced into a calorimeter that contains water at room temperature waiting for them to reach the thermal equilibrium for each of the solids taking into account the caloric capacity of the water, the calculation of the specific heat coefficient of each material is carried out.

Keywords Specific heat, aluminum, copper, tungsten, temperature Donde, c es una cantidad denominada calor específico, diferente para cada sustancia. Si se toma el agua como sustancia de referencia, podrá conocerse el calor específico de otro material, al colocarlos en contacto térmico.

1. Introducción El calor es energía que se transfiere entre dos sustancias debido a una diferencia de temperaturas. Exceptuando los cambios de estado, siempre que un cuerpo intercambia calor con su entorno la temperatura del cuerpo varía. Se ha observado que la cantidad de calor Q necesaria para elevar la temperatura de una masa m de cierto material de T1 a T2 es aproximadamente proporcional al cambio de temperatura ∆T=T2 - T1 y a la masa m de material. La cantidad de calor requerida también depende de la naturaleza del material. Agrupando todas estas relaciones, se tiene: 𝑄 = 𝑚𝑐∆𝑇

La medición precisa de calores específicos requiere de gran habilidad experimental. En calorimetría se utiliza el calorímetro para aislar térmicamente del entorno los materiales que serán puestos en contacto térmico. Partiendo de un análisis de las transferencias de energía en forma de calor que se presentan dentro del calorímetro, midiendo para ello masas y cambios de temperatura, podremos determinar el calor

1

UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS ÁREA DE LABORATORIO DE FÍSICA FACULTAD DE INGENIERÍA

específico de un material. Parece sencillo, pero se requiere gran cuidado para evitar o compensar una transferencia de calor no deseada entre la muestra y su entorno.

La constante de proporcionalidad C se denomina capacidad calorífica del sistema. ∆𝑄 = 𝐶 · 𝐷𝑇 Si los cuerpos A y B son los dos componentes de un sistema aislado, el cuerpo que está a mayortemperatura transfiere calor al cuerpo que está a menos temperatura hasta que ambas se igualan Si TA>TB

En esta práctica estableceremos la relación de equilibrio térmico empleadas en un experimento de calorimetría para determinar el calor específico del calorímetro.

𝐸𝑙𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜𝐴𝑐𝑒𝑑𝑒𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟: 𝑇𝐴), entonces ∆𝑄𝐴0 Como ∆𝑄𝐴 + ∆𝑄𝐵 = 0 La temperatura de equilibrio, se obtiene mediante la media ponderada.

Calor Cuando dos cuerpos A y B que tienen diferentes temperaturas se ponen en contacto térmico, después de un cierto tiempo, alcanzan la condición de equilibrio en la que ambos cuerpos están a la misma temperatura. Un fenómeno físico análogo son los vasos comunicantes. Supongamos que la temperatura del cuerpo A es mayor que la del cuerpo B, TA>TB. Observaremos que la temperatura de B se eleva hasta que se hace casi igual a la de A. En el proceso inverso, si el objeto B tiene una temperatura TB>TA, el baño A eleva un poco su temperatura hasta que ambas se igualan. Cuando un sistema de masa grande se pone en contacto con un sistema de masa pequeña que está a diferente temperatura, la temperatura de equilibrio resultante está próxima a la del sistema grande.

Calorímetro Instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Es decir, sirve para determinar el calor específico de un cuerpo, así como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos. El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro (que también puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente.

Decimos que una cantidad de calor DQ se transfiere desde el sistema de mayor temperatura al sistema de menor temperatura. La cantidad de calor transferida es proporcional al cambio de temperatura DT.

2

UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS ÁREA DE LABORATORIO DE FÍSICA FACULTAD DE INGENIERÍA

“termómetros”. Para elevar la temperatura de un cuerpo se le debe añadir calor y la cantidad de calor (Q) requerida es proporcional a la masa m del cuerpo y a la elevación de la temperatura ΔT.

Temperatura La temperatura es la medida de la energía térmica de una sustancia. Se mide con un termómetro. Las escalas más empleadas para medir esta magnitud son la Escala Celsius (o centígrada) y la Escala Kelvin. 1ºC es lo mismo que 1 K, la única diferencia es que el 0 en la escala Kelvin está a - 273 ºC.

Para convertir ésta expresión en una ecuación, introducimos el valor de la constante c. Esta constante c, es una constante de proporcionalidad y se la denomina CALOR ESPECÍFICO".

En la escala Celsius se asigna el valor 0 (0 ºC) a la temperatura de congelación del agua y el valor 100 (100 ºC) a la temperatura de ebullición del agua. El intervalo entre estas dos temperaturas se divide en 100 partes iguales, cada una de las cuales corresponde a 1 grado.

Se define como calor específico de una sustancia a la cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado Celsius la temperatura de 1 g de dicha sustancia. Puesto que el calor es una forma de energía, se podría expresar esta energía en el sistema de unidades métrico, y también en el sistema de unidades británico.

En la escala Kelvin se asignó el 0 a aquella temperatura a la cual las partículas no se mueven (temperatura más baja posible). Esta temperatura equivale a -273 ºC de la escala Celsius.

Si transferimos la misma cantidad de energía en forma de calor a diferentes materiales de la misma masa, el cambio de temperatura es diferente en cada material, es decir los cambios observados en cada material dependen de su capacidad calorífica. Si tomamos el agua como sustancia de referencia (Cagua = 1.0 cal/g oC), podremos saber el calor específico de otro material al colocarlos en contacto térmico. El calor específico se puede definir como la cantidad de calor, en Joules o Calorías, requerido para elevar la temperatura de 1.0°C a 1.0 g del material, es decir,

Para convertir ambas temperaturas, tenemos que tener en cuenta que: 𝑇 (𝐾) = 𝑡(º𝐶) + 273 Calor específico El calor específico es la cantidad de calor que se necesita por unidad de masa para elevar la temperatura un grado Celsius. La relación entre calor y cambio de temperatura, se expresa normalmente en la forma que se muestra abajo, donde c es el calor específico. Esta fórmula no se aplica si se produce un cambio de fase, porque el calor añadido o sustraído durante el cambio de fase no cambia la temperatura.

𝐶 = 𝑄/ 𝑚∆𝑇 [𝑐𝑎𝑙/𝑔 °𝐶] Donde Q es la energía en forma de calor transferida, m es la masa del material y ∆T es el cambio de temperatura. En calorimetría se utiliza el calorímetro para aislar los materiales que serán puestos en contacto térmico y al medir masas y cambios de temperatura se puede determinar el calor específico de un material. Partiendo de un análisis de las transferencias de energía en forma de calor

Calor Específico De Un Sólido La temperatura es una propiedad que tienen los cuerpos, para determinar si están o no en equilibrio térmico con otros. Los instrumentos diseñados para medir la temperatura se los conoce con el nombre de

3

UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS ÁREA DE LABORATORIO DE FÍSICA FACULTAD DE INGENIERÍA

que se presentan dentro del calorímetro, podremos determinar el calor específico. 3.Desarrollo experimental ObjetivosDeterminar el calor específico de un cilindro de cobre, aluminio y tungsteno, con el uso de un calorímetro. Equipo 1. Generador de vapor. 2. Agua. 3. Un cilindro de cobre, aluminio y tungsteno. 4. 20 cm de nylon 5. Balanza 6. Termómetro 7. Calorímetro (de icopor)

Un ejemplo donde se puede determinar el calor especifico de una sustancia o sólido se presenta cuando están involucrados tres materiales k (calorímetro), s (sólido) y a (agua), asumiendo que la energía en forma de calor que transfiere s es completamente absorbida por k y a entonces:

−𝑄𝑠 = 𝑄𝑘 + 𝑄a Donde 𝑄𝑠 = 𝑚𝑠𝐶𝑠∆𝑇𝑠 es el calor cedido por el sólido, 𝑄𝑘 = 𝑚𝑘𝐶𝑘∆𝑇𝑘 es el calor absorbido por el calorímetro y 𝑄𝑎 = 𝑚𝑎𝐶𝑎∆𝑇𝑎 el calor absorbido por el agua, reemplazando valores

−𝑚𝑠𝐶𝑠∆𝑇𝑠 = 𝑚𝑘𝐶𝑘∆𝑇𝑘 + 𝑚𝑎𝐶𝑎∆𝑇a Donde ∆𝑇𝑠 = 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝑇𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙,𝑠, ∆𝑇𝑘 = 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝑇𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙,𝑘 y ∆𝑇𝑘 = 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙– 𝑇𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙,𝑎, por tanto

1. Mida la masa del calorímetro (𝑚𝑘) que va a utilizar (debe estar vacío y seco). Repórtelo en la tabla 2. 2. Escoja un sólido y mida su masa (𝑚𝑠) y repórtelo en la tabla 2. 3. Caliente aproximadamente 500 ml de agua en el generador de vapor. 4. Acople un nylon para la muestra y suspéndala en agua hirviendo (tape el generador de vapor manteniendo el sólido suspendido en el agua), espere unos 2 minutos para calentar el sólido (tome la temperatura inicial del sólido como 𝑇𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙,𝑠 = 100 °C).

Despejando el calor especifico del sólido se obtiene que,

Teniendo en cuenta que la temperatura inicial del calorímetro (hecho de icopor) no cambia con el tiempo, la expresión anterior se puede resumir como,

4

UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS ÁREA DE LABORATORIO DE FÍSICA FACULTAD DE INGENIERÍA

5. Llene el calorímetro aproximadamente 250 ml de agua a temperatura ambiente. 6. Mida la masa (𝑚𝑎) y la temperatura (𝑇𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙,𝑎) del agua contenida en el calorímetro. Reporte los datos en la tabla 2. 7. Inmediatamente después de medir la temperatura, retire el sólido del agua hirviendo, de manera rápida sáquelo y luego suspéndalo en el agua que se encuentra a temperatura ambiente en el calorímetro (el sólido debe estar completamente cubierto, pero no debe tocar el fondo del calorímetro), asegúrese de mantener tapado el calorímetro en este proceso. 8. Agita el agua por 1 minuto y determine el valor de la temperatura final (𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙), registre este valor en la tabla 2. 9. Repita los pasos del 1 al 8 para los otros dos sólidos y repórtelos en la tabla 2.

5

UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS ÁREA DE LABORATORIO DE FÍSICA FACULTAD DE INGENIERÍA 𝐶𝑜𝑏𝑟𝑒 𝐸𝑟 % = 2,1%

4. Datos obtenidos del laboratorio.

𝐴𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜 𝐸𝑟 % =

Tabla 2. Valores tomados en la práctica Materiales

Masa (g)

T0ambiente(c°)

T0x(c°)

Te(c°)

Cxcuerpo(𝐶𝑎𝑙/g °𝐶)

Cx%

Cobre

188.3

25,1

99

30,7

0,091

2,1%

Aluminio

199.2

25,1

99

37,4

0,215

0%

Tungsteno

230.9

26,1

99

28,4

0,030

6,2%

5. Cálculos y análisis de resultados 1.Determine el valor del calor específico de los tres sólidos y repórtelos en la tabla 2. 𝑚𝑎 × 𝐶𝑎 (𝑇𝑒 − 𝑇0𝑎 ) + 𝑚𝑥 × 𝐶𝑥 (𝑇𝑒 − 𝑇0𝑥 ) = 0

|0,2150 − 0,215| × 100 0,2150

𝐴𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜 𝐸𝑟 % = 0%

𝑚𝑎 × 𝐶𝑎 (𝑇𝑒 − 𝑇0𝑎 ) 𝐶𝑥 = 𝑚𝑥 (𝑇0𝑥 − 𝑇𝑒 )

𝑊𝑡𝑢𝑛𝑔𝑠𝑡𝑒𝑛𝑜 𝐸𝑟 % =

𝐶𝑐𝑜𝑏𝑟𝑒 215𝑔 × 1 𝑐𝑎⁄𝑔 (30,7℃ − 25,1℃) = 192,4𝑔 (99℃ − 30,7℃)

|0,0320 − 0,030| × 100 0,0320

𝑇𝑢𝑛𝑔𝑠𝑡𝑒𝑛𝑜 𝐸𝑟 % = 6,2%

3.Teniendo en cuenta el equipo que utilizó en la práctica indique, ¿Cuáles son las principales fuentes de error de este experimento? Sea claro y concreto al señalar las fuentes de error.

𝐶𝑐𝑜𝑏𝑟𝑒 = 0,091(Cal/g °C) 𝐶𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜 215𝑔 × 1 𝑐𝑎⁄𝑔 (37,4℃ − 25,1℃) = 199,2𝑔 (99℃ − 37,4℃)

Uno de los motivos es:

𝐶𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜 = 0,215(Cal/g °C)

-Uso inadecuado de los equipos. -Precisión inexacta de los equipos en la medición. -Factores que influyen en la práctica que en este caso sería la temperatura. -

𝐶𝑇𝑢𝑔𝑛𝑠𝑡𝑒𝑛𝑜 230𝑔 × 1 𝑐𝑎⁄𝑔 (37,4℃ − 28,8℃) = 230𝑔 (99℃ − 28,4℃) 𝐶𝑇𝑢𝑛𝑔𝑠𝑡𝑒𝑛𝑜 = 0,030(Cal/g °C)

4. ¿Cómo se compara los calores específicos de los diferentes materiales con el calor específico del agua?

2.Compare los valores teóricos (tabla 1) del calor específico de los tres sólidos con los obtenidos experimentalmente y calcule Er %. 𝐸𝑟 % =

La capacidad calorífica específica, calor específico o capacidad térmica específica es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad, ésta se mide en varias escalas. En general, el valor del calor específico depende del valor de la

|𝑉𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑉𝑜𝑑𝑠𝑒𝑣𝑎𝑑𝑜 | × 100 𝑉𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜

𝐶𝑜𝑏𝑟𝑒 𝐸𝑟 % =

|0,0930 − 0,091| × 100 0,0930

6

UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS ÁREA DE LABORATORIO DE FÍSICA FACULTAD DE INGENIERÍA

temperatura inicial. Se le representa con la letra c (minúscula). De forma análoga, se define la capacidad calorífica como la cantidad de calor que se debe suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). Se la representa con la letra C (mayúscula).

mayor que la cantidad de calor que absorbe 1g de hielo para elevar su temperatura en 1ºC. 5. Conclusiones Con esta experiencia podemos concluir que existe una relación entre el cambio de temperatura, la estructura del material y el cambio de la longitud debido al fenómeno de dilatación lineal. Dicha relación se puede expresar como el coeficiente de dilatación lineal.Además, se concluye que la magnitud de este valor está entre el intervalo de 10-5 cantidad pequeña, lo que nos sugiere que el cambio de longitud en un cuerpo debido a la variación de la temperatura es pequeño, pero en algunos casos significativos cuando de precisión se trata.Arrojando un resultado en de Cobre Cxcuerpo(𝐶𝑎𝑙/g °𝐶) 0,091 con un error porcentual de 2,1%, Aluminio Cxcuerpo(𝐶𝑎𝑙/g °𝐶) 0,215 con un error porcentual de 0% y TungstenoCxcuerpo(𝐶𝑎𝑙/g °𝐶) 0,030 con un error porcentual de 6,2%.

5. ¿Por qué la temperatura final de equilibrio no quedó muy cerca de la temperatura del agua? La energía cinética de sus átomos aumenta de tal modo que las distancias entre las moléculas crecen, expandiéndose así el cuerpo, o contrayéndose si es enfriado. Estas expansiones y contracciones son, por tanto, causadas por variación de temperatura en el medio que le rodea. La temperatura es una magnitud asociada con la sensación de lo frio y caliente. Por lo general, un objeto más "caliente" tendrá una temperatura mayor. Físicamente es una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico. El calor es el proceso mediante el cual se transmite energía de un cuerpo de mayor temperatura a otro cuerpo de menor temperatura.

Bibliografía 1.

2.

6. ¿Por qué se utilizan vasos de poli estireno (icopor) para servir café? Explique.

3.

Porque el poli estireno presenta la conductividad térmica más baja de todos los termoplásticos, por lo que se suele utilizar como aislante térmico, es decir funciona como una barrera al paso del calor entre dos medios que naturalmente tenderían a igualarse en temperatura. 7. ¿Por qué el agua y el hielo tienen diferentes calores específicos? El calor específico del agua es 1,000cal y el del hielo es 0,505cal; esto significa que la cantidad de calor que absorbe 1g de agua es

7

SEARS, Francis; ZEMANSKY, Mark. Física Universitaria. Volumen. 9° edición Ed. Pearson Educación. México. 2000. Pag 236. BENSON, Harris. Física universitaria. Volumen. Primera edición. Ed. Cecsia. SERWAY, Raymond. Física. Tomo II. 4° edición. Ed. Mc Graw Hill. México. 2002. Pag 456.

UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS ÁREA DE LABORATORIO DE FÍSICA FACULTAD DE INGENIERÍA

8