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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

FÍSICA 2 (MB224) INFORME DE LABORATORIO N°5: TEMA:

CALOR ESPECÍFICO DE SÓLIDOS

INTEGRANTES: GÓMEZ CASAS RENZO JESÚS

CÓDIGO: 20151143J

ÑIQUÉN SANTIAGO JEAN PIERRE

CÓDIGO: 20140439J

SECCIÓN:

“E”

PROFESOR: ING. PACHAS JOSÉ

2016

PROLOGO

Si tenemos dos recipientes del mismo material que contienen una cantidad específica de agua. Si a uno de ellos le echamos alcohol y al otro una esfera de plomo, ambos a la misma temperatura e igual cantidad de masa. Observaremos que en los dos casos la temperatura de equilibrio no será la misma. ¿A qué se debe dicho fenómeno? ¿Por qué el termómetro no indica la misma temperatura de equilibrio? Y para no irnos tan lejos a lo que queremos llegar. Si en nuestra casa de repente tocamos con una mano una silla de madera, y con la otra mano, una silla de fierro, en ambos casos la sensación de frio o calor no va a ser la misma. La mano que tocó la silla de madera no experimentará sensación de frio o de calor; mientras que en la mano que tocó la silla de fierro experimentará una sensación de frio. ¿A qué se debe este fenómeno? ¿Por qué si estando a la misma temperatura ambiente, una silla nos parece más fría que la otra? Bueno, toda esta clase de preguntas serán resueltas con el estudio de los temas de física como: la temperatura y calor, propagación de calor y termodinámica. En este informe se hablara acerca de la densidad y tensión superficial con el objetivo de calcular experimentalmente la densidad y tensión superficial de los cuerpos que se plantean en el informe. En la primera parte del informe, se determinará la capacidad calorífica del calorímetro que usamos para combinar dos cantidades de masa. En la segunda parte del informe, se determinará el calor específico para 3 sólidos los cuales se calentaron a la misma vez que calentamos la masa en la olla.

1) OBJETIVOS:   

Determinar el calor específico de muestras sólidas. Determinar experimentalmente la capacidad calorífica de un calorímetro de mezclas. Reconocer al calor como una forma de energía.

2) MARCO TEÓRICO: Densidad: Magnitud escalar referida a la cantidad de masa en un determinado volumen de una sustancia. Usualmente se simboliza mediante la letra ρ del alfabeto griego. La densidad media es la razón entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa.

Si un cuerpo no tiene una distribución uniforme de la masa en todos sus puntos la densidad alrededor de un punto puede diferir de la densidad media. Si se considera una sucesión de pequeños volúmenes decrecientes (convergiendo hacia un volumen muy pequeño) centrados alrededor de un punto, siendo la masa contenida en cada uno de los volúmenes anteriores, la densidad en el punto común a todos estos volúmenes es:

Densidad Relativa: La densidad relativa de una sustancia es la relación existente entre su densidad y la de otra sustancia de referencia; en consecuencia, es una magnitud adimensional. Para los líquidos y los sólidos, la densidad de referencia habitual es la del agua líquida a la presión de 1 atm y la temperatura de 4 °C. En esas condiciones, la densidad absoluta del agua destilada es de 1000 kg/m³, es decir, 1 kg/dm³. Para los gases, la densidad de referencia habitual es la del aire a la presión de 1 atm y la temperatura de 0 °C. Empuje Hidrostático: “Principio de Arquímedes” El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que: «Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba

igual al peso del volumen del fluido que desaloja». Esta fuerza recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en Newton (en el SI). El principio de Arquímedes se formula así:

Donde E es el empuje, ρf es la densidad del fluido, V el «volumen de fluido desplazado» por algún cuerpo sumergido parcial o totalmente en el mismo, g la aceleración de la gravedad y m la masa, de este modo, el empuje depende de la densidad del fluido, del volumen del cuerpo y de la gravedad existente en ese lugar. El empuje (en condición normal y descrita de modo simplificado) actúa verticalmente hacia arriba y está aplicado en el centro de gravedad del fluido desalojado por el cuerpo. Estabilidad de cuerpos flotantes y sumergidos: La estabilidad de un cuerpo parcial o totalmente sumergido es vertical y obedece al equilibrio existente entre el peso del cuerpo (W) y la fuerza de flotación (FF):

FF = W

(en el equilibrio)

Ambas fuerzas son verticales y actúan a lo largo de la misma línea. La fuerza de flotación estará aplicada en el centro de flotación (CF) y el peso estará aplicado en el centro de gravedad (CG).

Tensión Superficial:

Se denomina tensión superficial de un líquido a la fuerza espacial entre un espacio de otro, según su fuerza superficial. Esta definición implica que el líquido tiene una resistencia para aumentar su superficie. Este efecto permite a algunos insectos, como el zapatero, poder desplazarse por la superficie del agua sin hundirse. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad. Como efecto tiene la elevación o depresión de la superficie de un líquido en la zona de contacto con un sólido. Otra posible definición de tensión superficial: es la fuerza que actúa tangencialmente por unidad de longitud en el borde de una superficie libre de un líquido en equilibrio y que tiende a contraer dicha superficie. Las fuerzas cohesivas entre las moléculas de un líquido son las responsables del fenómeno conocido como tensión superficial.

La fuerza F es independiente de la longitud x de la lámina. Si desplazamos el alambre deslizante una longitud ∆x, las fuerzas exteriores han realizado un trabajo F∆x, que se habrá invertido en incrementar la energía interna del sistema. Como la superficie de la lámina cambia en ∆S=2d∆x (el factor 2 se debe a que la lámina tiene dos caras), lo que supone que parte de las moléculas que se encontraban en el interior del líquido se han trasladado a la superficie recién creada, con el consiguiente aumento de energía. Si llamamos a ɣ la energía por unidad de área, se verificará que

La tensión superficial depende de la naturaleza del líquido, del medio que le rodea y de la temperatura. En general, la tensión superficial disminuye con la temperatura, ya que las fuerzas de cohesión disminuyen al aumentar la agitación térmica. La influencia del medio exterior se comprende ya que las moléculas del medio ejercen acciones atractivas sobre las moléculas situadas en la superficie del líquido, contrarrestando las acciones de las moléculas del líquido. Tensión superficial de los líquidos a 20ºC

Líquido

 (10-3 N/m)

Aceite de oliva

33.06

Agua

72.8

Alcohol etílico

22.8

Benceno

29.0

Glicerina

59.4

Petróleo

26.0

4) REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA: 

Materiales:  Un calorímetro de mezclas.  Un termómetro.  Un mechero a gas.  Una olla (para calentar agua).  Un soporte universal.  Una balanza.  Un matraz de 200 ó 250 ml.  3 piezas de material sólido.  Agua.



Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro.    



Coloque dentro del calorímetro una cantidad m a de agua a temperatura menor que la del ambiente. Dejar que se establezca el equilibrio y medir la temperatura de equilibrio Ta. Calentar agua en la olla a una temperatura Tb y colocar una cantidad mb de esta agua en el calorímetro. Medir la temperatura de equilibrio.

Calor específico de sólidos  

Colocar una cantidad ma de agua en el calorímetro y deje que se establezca el equilibrio. Medir la temperatura Ta.

 

Sumergirlo en agua caliente, hasta elevar la temperatura del solido hasta una temperatura Tb. Sumergir este cuerpo con temperatura Tb al agua de temperatura Ta y medir la temperatura de equilibrio T.

5) CÁLCULOS Y RESULTADOS: 

Determinación de la capacidad calorífica: Vagua en el calorímetro=VA.C.=150 ml=V1 Como es agua su masa es 150g Vagua en la olla=VA.O.= 90 ml=V2 Como es agua su masa es 90g Ta= 22°C=T1 Tb (después de calentar el agua de la olla) = 67°C=T 2 Al unir las dos cantidades de agua se llega a un equilibrio, midiendo con el termómetro el equilibrio: Te= 33°C Si: ∆Q=0…… (∞) (Ce)1x (m1) x (Te-T1)+ (Ce)2x (m2) x (Te-T2)+ (Ce) calo x (mcalo) x (Te-T1)=0 La temperatura del calorímetro es la misma que la del agua en el calorímetro. Entonces la temperatura en el calorímetro es igual a T1. Además: (Ce) calo x (mcalo)=Calorímetro=capacidad calorífica del calorímetro Con todo esto la relación (∞) queda: (Ce)1x (m1) x (Te-T1)+ (Ce)2x (m2) x (Te-T2)+ Calorímetro x (Te-T1)=0 Reemplazando datos:

(1) x (150) x (33-22)+ (1) x (90) x (33-67) + (C alorímetro) x (33-22)=0 Calorímetro=128.1818 cal/°C



Calor específico de los sólidos

6) RECOMENDACIONES: 

Procurar que todo el volumen de los tres sólidos se encuentren sumergidos, cuando se esté calentando el agua de la olla y que a la vez calienta a los sólidos.  Trabajar con instrumentos que nos proporcionen errores mínimos en los cálculos. Por ejemplo, usar un termómetro de buena presición.  Calentar hasta una cantidad considerable de temperatura, sin pasar o llegar cerca a los 100° C para no tener problemas con la ebullición.  Efectuar la limpieza respectiva en la zona de elaboración del experimento, para un mejor desarrollo de este.

7) CONCLUSIONES Y COMENTARIOS:    





El calor es la energía que se transfiere de un objeto a otro debido a una diferencia de temperaturas. El calor dejará de fluir de un cuerpo de alta temperatura a otro de baja temperatura, hasta que sus temperaturas se igualen. La capacidad calorífica es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura en un grado. Al realizar una experiencia de calorimetria, siempre existiran perdidas de calor al ambiente, y es nuestro deber hacer que estas perdidas sean minimas para lograr una buena aproximacion de lo que queremos hallar. Existen sólidos de calor específico practicamente despreciable(plomo) y es así que al someterlo en contacto térmico con una sustancia de diferente temperatura,la temperatura del sistema no tiene una variacion considerable. Al sacar cualquiera de los sólidos sometidos en agua caliente para luego ponerlo en el calorímetro, se puede apreciar una pérdida de calor, es decir,



se entrega calor al ambiente y es por ello que el proceso debe ser inmediato , para que este calor perdido sea mínimo. Notamos que la transferencia de calor se da instantaneamente y que la temperatura de equilibrio esta acotada por la temperatura máxima y mínima.

8) BIBLIOGRAFÍA: a) b) c) d) e) f)

Manual de Laboratorio de Física Serway 6ed, “Libro para ciencia e ingeniería” http://fluidos.eia.edu.co/fluidos/propiedades/densidadrelativapf.html https://es.wikipedia.org/wiki/Densidad Navarro y Taype, “Física 2” http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/tension/introduccion/introduccion.h tm