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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE SEDE LATACUNGA PREPARATORIO DE LABORATORIO DE FISICA

DATOS INFORMATIVOS:

CALIFICACIÓN:

Docente: Ing. Diego O. Proaño M. Msc.

Estudiante o integrantes:

VARGAS CORRALES CARLOS EDUARDO

MATERIA: FÍSICA II

Fecha de realización de la práctica: sábado 21 de junio del 2014 Fecha de entrega de la práctica: miércoles 25 de junio del 2014

LATACUNGA - ECUADOR

Ing. Diego Proaño Molina Msc.

1. 2.

Tema: CONSTRUCCION Y DISEÑO DE UN CALORÍMETRO Objetivos Objetivo General: Construir y diseñar un calorímetro con materiales reciclables y fáciles de encontrar -

Objetivos Específicos:   

3.

Determinar el uso adecuado de un calorímetro a través de nociones básicas Identificar la capacidad calorífica del calorímetro diseñado con materiales reciclables Identificar la primera ley de la termodinámica en el calorímetro

Marco Teórico CALOR

El calor es una cantidad de energía y es una expresión del movimiento de las moléculas que componen un cuerpo. Cuando el calor entra en un cuerpo se produce calentamiento y cuando sale, enfriamiento. Incluso los objetos más fríos poseen algo de calor porque sus átomos se están moviendo Por lo tanto el calor se define como la forma de energía que se transfiere espontáneamente entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo en termodinámica generalmente el término calor significa simplemente transferencia de energía. La energía calórica o térmica puede ser transferida por diferentes mecanismos de transferencia, estos son la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado. Cabe resaltar que los cuerpos no tienen calor, sino energía térmica. La energía existe en varias formas. En este caso nos enfocamos en el calor, que es el proceso mediante el cual la energía se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura.

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CALORIMETRIA La calorimetría es la ciencia de medir el calor de las reacciones químicas o de los cambios físicos. El instrumento utilizado en calorimetría se denomina calorímetro. La palabra calorimetría deriva del latino "calor". El científico escocés Joseph Black fue el primero en reconocer la distinción entre calor y temperatura, por esto se lo considera el fundador de calorimetría. Entonces la calorimetría mide el calor en una reacción química o un cambio de estado usando un instrumento llamado calorímetro. Pero también se puede emplear un modo indirecto calculando el calor que los organismos vivos producen a partir de la producción de dióxido de carbono y de nitrógeno (urea en organismos terrestres), y del consumo de oxígeno. ΔU = cambio de energía interna Como la presión no se mantiene constante, el calor medido no representa el cambio de entalpía. Unidades: Caloría (cal). (Joule, en el S.I.) 1 cal = 4,186 J 1 Cal = 1 Kcal = 1 000 cal = 4 186 J = (3,97 Btu) CALORIMETRO El calorímetro es un 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. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose según se va enfriando el objeto. El calor latente, que no está relacionado con un cambio de temperatura, es la energía térmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa. Cuando la fuente de calor es una reacción química, como sucede al quemar un combustible, las sustancias reactivas se colocan en un envase de acero pesado llamado bomba. Esta bomba se introduce en el calorímetro y la reacción se provoca por ignición, con ayuda de una chispa eléctrica. Los calorímetros suelen incluir su equivalente, para facilitar cálculos. El equivalente en agua del calorímetro es la masa de agua que se comportaría igual que el calorímetro y que Ing. Diego Proaño Molina Msc.

perdería igual calor en las mismas circunstancias. De esta forma, solo hay que sumar al agua la cantidad de equivalentes. La cantidad de calor desarrollada en cualquier reacción que ocurre dentro del calorímetro es igual a la masa del hielo derretida multiplicada por el calor de la fusión del hielo, 333,51 kJ/kg.

CALOR ESPECÍFICO El calor específico es la energía necesaria para elevar 1 °C la temperatura de un gramo de materia. El concepto de capacidad calorífica es análogo al anterior pero para una masa de un mol de sustancia (en este caso es necesario conocer la estructura química de la misma). El calor específico es un parámetro que depende del material y relaciona el calor que se proporciona a una masa determinada de una sustancia con el incremento de temperatura: 𝑇𝑓

𝑄 = 𝑚 ∫ 𝑐 ∆𝑇 𝑇𝑖

𝑄 = 𝑚𝐶∆𝑇

Donde: 

es el calor aportado al sistema.



es la masa del sistema.

 

C es el calor específico del sistema. es el incremento de temperatura que experimenta el sistema.

Las unidades más habituales de calor específico son J / (kg · K) y cal / (g · °C). El calor específico de un material depende de su temperatura; no obstante, en muchos procesos termodinámicos su variación es tan pequeña que puede considerarse que el calor específico es constante.

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DETERMINACION DEL CALOR ESPECÍFICO DE UNA SUSTANCIA Con el calorímetro de las mezclas se procede así: 1. Se coloca en el vaso una cantidad conocida de agua. El termómetro indicara su temperatura, por ejemplo: 15°C 2. Se introduce luego un cuerpo cualquiera de masa m, conocida, y que está a una temperatura dada, por ejemplo: 100°C. 3. Tapamos perfectamente los dos vasos, y con el agitador tratamos de que toda la masa de agua alcance una temperatura uniforme. 4. Durante el proceso de agitado estaremos observando detenidamente el termómetro. La columna mercurial comienza a ascender, pues el cuerpo a 100°C cede calor al agua y la calienta. 5. Llegara un momento en que el termómetro no asciende as. En ese instante anotamos la temperatura que es la llamada temperatura final, por ejemplo: 47°C

4. Materiales: Material y/o Código Equipo a)Vaso de Sin código unicel

b)Termómetro

Sin código

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Canti dad 2

Característic as Recipiente de 12 cm de alto, de color blanco

1

Instrumento físico con un interior de mercurio que permite medir las variaciones de temperatura

Figura

c)Palitos de madera

Sin código

1

Palos de madera pequeños con terminación en punta

d)Sorbetes

Sin código

1

Tubo cilíndrico de vidrio que permite el paso de líquidos

e)Plastilina

Sin código

2

Pastico termo estable de colores variados, muy maleable.

f)Tapa de unicel

Sin código

1

Cubierta de unicel para el recipiente de unicel

g)Papel aluminio

Sin código

1

Son hojas delgadas de aluminio de un grosor inferior a 0,2 mm, es muy moldeable

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5.

6.

Grafico o Esquema:

Procedimiento De montaje: 1. A la tapa del vaso unicel se realizan dos perforaciones, una en el centro y la segunda perforación a una distancia de 3 cm aproximadamente. 2. En la perforación desfasada del centro de la tapa colocamos el termómetro introduciendo así una distancia prudencial. 3. Alrededor del termómetro colocamos plastilina haciendo base en la tapa evitando así que exista fuga de calor por los bordes del termómetro. 4. Con el palo de pincho perforamos el sorbete, el mismo que doblaremos para que tome forma de aspas y aseguraremos al palo de pincho, este será nuestro agitador. 5. Introducimos el agitador en el orificio del centro en la tapa. 6. Al igual que el termómetro se debe colocar alrededor plastilina para así conseguir que no exista fuga de calor. 7. Recubrimos el vaso interno con papel aluminio 8. Unimos los dos vasos de unicel y colocamos la tapa.

De utilización: 1. Una vez listo nuestro calorímetro está listo para introducir sustancias, lo que debemos hacer es comprobar que no absorbe ni cede calor con el ambiente. 2. Colocar 250 gr de agua a temperatura ambiente y mezclar con 250 gr de agua a una temperatura más alta. Ing. Diego Proaño Molina Msc.

3. Cada periodo de tiempo agitar la sustancia dentro del vaso con el agitador y volver a sella con la plastilina en agitador. 7. -Tabla de datos DILATACIONES DE LÍQUIDOS Ensayo 1 Parámetro físico Dimensión Símbolo Masa del agua a F T²/L M1 temperatura ambiente Temperatura del agua a To1 ∅ temperatura ambiente Masa del agua caliente F T²/L M2 Temperatura del agua To2 ∅ caliente Temperatura en el punto Tf ∅ de equilibrio Tiempo T t Ensayo 2 Parámetro físico Masa del agua a temperatura ambiente Temperatura del agua a temperatura ambiente Masa del agua caliente Temperatura del agua caliente Temperatura en el punto de equilibrio Tiempo Ensayo 3 Parámetro físico Masa del agua a temperatura ambiente Temperatura del agua a temperatura ambiente Masa del agua caliente Temperatura del agua caliente Temperatura en el punto de equilibrio Tiempo

Valor 250

Unidades gr

14

ºC

250 55

gr ºC

34

ºC

5

Min

Dimensión F T²/L

Símbolo M1

Valor 250

Unidades gr

∅

To1

14

ºC

F T²/L ∅

M2 To2

250 42

gr ºC

∅

Tf

27

ºC

T

t

5

Min

Dimensión F T²/L

Símbolo M1

Valor 250

Unidades gr

∅

To1

14

ºC

F T²/L ∅

M2 To2

250 58

gr ºC

∅

Tf

35

ºC

T

t

5

Min

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8. Cálculos Ensayo 1 𝑄𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 = − 𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 𝐶𝑝 ∗ ∆𝑇 + 𝑚 ∗ 𝐶𝑒 ∗ ∆𝑇 = −𝑚 ∗ 𝐶𝑒 ∗ ∆𝑇 𝐶𝑝 ∗ (34 − 14) + 250 ∗ 1 ∗ (34 − 14) = −250 ∗ 1 ∗ (34 − 55) 20𝐶𝑝 + 5000 = 5250 𝐶𝑝 = 12.5 𝑐𝑎𝑙⁄℃ Ensayo 2 𝑄𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 = − 𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 𝐶𝑝 ∗ ∆𝑇 + 𝑚 ∗ 𝐶𝑒 ∗ ∆𝑇 = −𝑚 ∗ 𝐶𝑒 ∗ ∆𝑇 𝐶𝑝 ∗ (27 − 14) + 250 ∗ 1 ∗ (27 − 14) = −250 ∗ 1 ∗ (27 − 42) 13𝐶𝑝 + 3250 = 3750 𝐶𝑝 = 38.46 𝑐𝑎𝑙⁄℃ Ensayo 2 𝑄𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 = − 𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 𝐶𝑝 ∗ ∆𝑇 + 𝑚 ∗ 𝐶𝑒 ∗ ∆𝑇 = −𝑚 ∗ 𝐶𝑒 ∗ ∆𝑇 𝐶𝑝 ∗ (35 − 14) + 250 ∗ 1 ∗ (35 − 14) = −250 ∗ 1 ∗ (35 − 58) 21𝐶𝑝 + 5250 = 5750 𝐶𝑝 = 23.809 𝑐𝑎𝑙⁄℃ 9. Variables Ensayo 1 Parámetro físico Capacidad calorífica del calorímetro

Dimensión 𝑀𝐿2 𝑇 −2 ∅−1

Símbolo Cp

Valor 12.5

Unidades 𝑐𝑎𝑙⁄ ℃

Ensayo 2 Parámetro físico Capacidad calorífica del calorímetro

Dimensión 𝑀𝐿2 𝑇 −2 ∅−1

Símbolo Cp

Valor 38.46

Unidades 𝑐𝑎𝑙⁄ ℃

Ensayo 3 Parámetro físico Capacidad calorífica del calorímetro

Dimensión 𝑀𝐿2 𝑇 −2 ∅−1

Símbolo Cp

Valor 23.809

Unidades 𝑐𝑎𝑙⁄ ℃

10. Análisis de resultados: Con los ensayos realizados se pudo determinar tres capacidades caloríficas del calorímetro, estas capacidades fueron tomadas en casi las mismas condiciones de temperatura, pero si con las mismas masas de agua.

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Cp Calorimetro 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

En la gráfica se puede apreciar que los valores de la capacidad calorífica tienen una variación muy notables, estos valores van a depender de las condiciones en las que se encuentre inicialmente el agua fría como el agua caliente para la medición. Por la gráfica y por los valores recolectados en cada ensayo se puede ver que los factores que más influyen son la temperatura del agua y de la masa de agua, es decir que de acuerdo a la cantidad de masa que se tenga de cada liquido con su característica de caliente o frio, la capacidad calorífica va a variar. Para tener la capacidad calorífica más aproximada y real del calorímetro se debe hacer un promedio entre los valores recolectados en cada ensayo, por lo que se tendría lo siguiente: Ensayo1 Ensayo2 Ensayo3 Sumatoria Cp Promedio

12.5 38.46 23.809 74.760/3 24.923

Entonces con estas condiciones se determina que la capacidad calorífica del calorímetro echo con materiales reciclables es 24.923 cal/gr°C. 11. Conclusiones 



El calorímetro es un instrumento de laboratorio muy sencillo de realizar, pero a la vez es muy importante saber que su manera de uso es fundamental, ya que este va a conservar el calor en su interior, es por lo cual que si se deja escapara aunque una minina cantidad de calor, la práctica se verá afectada en su exactitud. La capacidad calorífica del calorímetro es fundamental para las practicas, ya que esta es una condicionante esencial para que las practicas sean valideras, esta característica se determina con varios ensayos los cuales se realizó con agua caliente y fría, para al final darnos como resultado la capacidad calórica promedio del calorímetro

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

La primera ley de la termodinámica trata sobre la conservación de la energía, por lo que el calorímetro se basa en mantener este calor en su interior sin permitir que este se libere, es el momento en el cual se presenta la conservación de energía ya que las partículas se pueden convertir en vapor dentro de este pero van a tener la misma energía interna que en su estado anterior.

12. Recomendaciones   

El uso de un calorímetro es fundamental ya que si no se tiene el cuidado y la precisión adecuada este tendrá mucho que ver en el resultado final de la practica el cual puede ser afectado en una gran magnitud Cada calorímetro tiene una capacidad calorífica, la cual es necesaria conocer, es por esto que se recomienda analizarla, ya que es un dato fundamental en la practica Teniendo en cuenta los enunciados de la Primera Ley de la Termodinámica, hay que tener cuidado en no permitir que el calor se libere del calorímetro, ya que este es la prueba de la conservación de energía, ya que las partículas cambiando de estado pero no de energía interna, y si lo hace es muy poca.

13. Bibliografía  Profesor en Línea. Calor y Temperatura [en línea], tomado el 23 de junio del 2014. Obtenido de: http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Calor_y_Temperatura.htm  Wikipedia. Calor [en línea], tomado el 23 de junio del 2014. Obtenido de: http://es.wikipedia.org/wiki/Calor  Maqui. Calorimetría [en línea], tomado el 23 de junio del 2014. Obtenido de: http://www.monografias.com/trabajos82/la-calorimetria/lacalorimetria.shtml#determinaa  Enrio Ripoll. Calorimetría [en línea], tomado el 23 de junio del 2014. Obtenido de: http://recursostic.educacion.es/newton/web/materiales_didacticos/termoquimica/ calorimetria.html  Wikipedia. Calorímetro [en línea], tomado el 23 de junio del 2014. Obtenido de: http://es.wikipedia.org/wiki/Calor%C3%ADmetro

14. Anexos  Imagen 1

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Imagen 2

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Imagen 3

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Imagen 4

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Imagen 5

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Imagen 6

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Imagen 7

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