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• Carel Gissel Lizarazo De La Cruz

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Laboratorio de Transferencia de Calor

DIVISIÓN DE INGENIERÍAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALOR

LABORATORIO 1. DETERMINACIÓN DEL CALOR ESPECÍFICO

OBJETIVOS General. Determinar el calor específico de un sólido utilizando el método de las mezclas. Específicos.

 Analizar los intercambios de calor que tienen lugar en el interior del calorímetro entre los elementos de la mezcla.  Discutir los factores de error en la determinación del calor específico del sólido.

ACTIVIDADES DE FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA: Antes de llegar al laboratorio se debe indagar acerca de los siguientes aspectos:     

Ley cero de la termodinámica. Distinción entre temperatura y calor. Definición de capacidad calorífica y calor especifico. Definición de Caloría y Btu. En qué consiste el método de las mezclas en calorimetría.

EQUIPOS Y MATERIALES.  Sensor de temperatura Tipo K (CI-6526)  TD-8556 Generador de vapor.  Conjunto de calorimetría para determinar el calor específico de distintos metales por el método de las mezclas. NOTA: Un calorímetro consiste de un recipiente aislado térmicamente y un sistema para la medición de temperatura al interior. El material de un calorímetro es de baja conductividad térmica, por lo que el flujo de calor a través de sus paredes se puede considerar despreciable y la temperatura al interior permanece aproximadamente constante siempre que no se aporte calor al sistema y el tiempo de análisis no sea muy prolongado.

Basado en la guía preparada por Ing. Samira García Freites Profesores Laboratorio de transferencia

Laboratorio de Transferencia de Calor

PROCEDIMIENTO DE LA PRÁCTICA

Cálculos preliminares Determinación de la masa en agua equivalente del calorímetro: Esto se logra adicionando agua caliente de 𝑚2 𝑦 𝑇2 , a una cantidad de agua fría en el calorímetro de 𝑚1 𝑦 𝑇1 . Si 𝑇1 < 𝑇2 , el sistema llegará a una temperatura 𝑇𝐹 intermedia de equilibrio. La masa equivalente en agua del calorímetro “𝑚𝑐 ” puede ser determinada luego de realizar un balance de primera ley de la termodinámica al sistema, de donde se obtiene la siguiente relación 𝒎𝟐 (𝑻𝟐 − 𝑻𝑭 ) = (𝒎𝟏 + 𝒎𝒄 )(𝑻𝑭 − 𝑻𝟏 ) Calibración del sensor y montaje del equipo para la determinación del Cp de la muestra sólida.  Adecúe el sistema de medición de temperatura y verifique su correcto funcionamiento.  Llene con agua el generador de vapor a ¾ de su capacidad y enciéndalo.  Espere a que el agua hierva e introduzca la muestra sólida en el generador de vapor, teniendo el cuidado que aquella no toque el fondo. Para ello es necesario sostener la muestra.  Deposite en uno de los calorímetros una masa de agua fría, de tal manera que su capacidad cubra por completo la muestra.  Mida la masa del calorímetro (seco y vacío) y la masa de la muestra sólida a usar y registre los datos en la tabla.  Mida la masa del calorímetro con agua fría y determine por diferencia la masa de agua que contiene. Registre los datos en la tabla adjunta a la guía.  Inicie la toma de datos de la temperatura introduciendo el sensor en el agua que se encuentra en el calorímetro (T3).  Pase el sensor de temperatura al generador de vapor que contiene la muestra metálica y tome la temperatura que le indica el medidor (Ts).  Ahora traslade la muestra metálica que se encuentra en el generador de vapor hasta el calorímetro, sin demorarlo en el aire y agite un poco el agua hasta cuando la temperatura se estabilice (TF). Finalice la toma de datos.

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Laboratorio de Transferencia de Calor

Figura 1. Calorímetro usado en el laboratorio Ecuación para determinar el calor específico del sólido:

𝑪 𝑷𝑺 =

𝑪𝑷𝑨𝒈𝒖𝒂 (𝒎𝟑 + 𝒎𝒄 )(𝑻𝑭 − 𝑻𝟑 ) 𝒎𝑺 (𝑻𝑺 − 𝑻𝑭 )

PREGUNTAS PROBLEMATOLÓGICAS.  Presente el procedimiento analítico y las suposiciones requeridas para llegar a la expresión que permite calcular la masa equivalente en agua del calorímetro utilizada en los cálculos preliminares.  Si la energía se conserva en el proceso de la mezcla y se deja de lado la transferencia de calor por parte del calorímetro, calcule el calor especifico del material utilizado. Explique.  Si la energía se conserva en el proceso de la mezcla y se considera la masa en agua equivalente del calorímetro, calcule el calor específico del material utilizado. Explique.  Compare los anteriores valores con los correspondientes a cada material reportados en la literatura. Calcule el porcentaje de error.  En esta experiencia no se ha tenido en cuenta la transferencia de calor a través de las paredes del calorímetro. Discuta las consecuencias.  Se aprecia valores diferentes para calores específicos de los distintos materiales. ¿Cuál es la explicación física de este hecho?, ¿Qué hace, micro estructuralmente, que uno de los materiales pueda almacenar más calor que el otro?  Se tienen tres muestras: Aluminio, cobre, plomo de igual masa y temperatura de 27°C y se calientan introduciéndolos en agua a temperatura de 100°C ¿Cuál recibe mayor cantidad de calor? Explique.  Exprese analíticamente desde un balance de energía como llegamos a la ecuación 𝑄̇ = 𝑚𝐶𝑝 ∆𝑇.

Basado en la guía preparada por Ing. Samira García Freites Profesores Laboratorio de transferencia

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Tabla 1. Datos para determinar la masa equivalente en agua del calorímetro 𝒎𝒄

Información

Calorímetro 1

Calorímetro 2

Material 1

Material 2

𝑻𝒆𝒎𝒑𝒆𝒓𝒂𝒕𝒖𝒓𝒂 𝑯𝟐 𝑶 𝑭𝒓í𝒂 (𝑻𝟏 ) 𝑻𝒆𝒎𝒑𝒆𝒓𝒂𝒕𝒖𝒓𝒂 𝑯𝟐 𝑶 𝑪𝒂𝒍𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 (𝑻𝟐 ) 𝑻𝒆𝒎𝒑𝒆𝒓𝒂𝒕𝒖𝒓𝒂 𝒅𝒆 𝑬𝒒𝒖𝒊𝒍𝒊𝒃𝒓𝒊𝒐 (𝑻𝑭 ) 𝑴𝒂𝒔𝒂 𝒅𝒆 𝑯𝟐 𝑶 𝑪𝒂𝒍𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 (𝒎𝟐 ) 𝑴𝒂𝒔𝒂 𝒅𝒆 𝑯𝟐 𝑶 𝑭𝒓í𝒂 (𝒎𝟏 ) Tabla 2. Datos para determinar 𝑪𝑷 del sólido

Información 𝑻𝒆𝒎𝒑𝒆𝒓𝒂𝒕𝒖𝒓𝒂 𝑯𝟐 𝑶 𝑭𝒓í𝒂 (𝑻𝟑 ) 𝑻𝒆𝒎𝒑𝒆𝒓𝒂𝒕𝒖𝒓𝒂 𝑺ó𝒍𝒊𝒅𝒐 𝑪𝒂𝒍𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 (𝑻𝑺 ) 𝑻𝒆𝒎𝒑𝒆𝒓𝒂𝒕𝒖𝒓𝒂 𝒅𝒆 𝑬𝒒𝒖𝒊𝒍𝒊𝒃𝒓𝒊𝒐 (𝑻𝑭 ) 𝑴𝒂𝒔𝒂 𝒅𝒆𝒍 𝑺ó𝒍𝒊𝒅𝒐 𝑪𝒂𝒍𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 (𝒎𝑺 ) 𝑴𝒂𝒔𝒂 𝒅𝒆 𝑯𝟐 𝑶 𝑭𝒓í𝒂 (𝒎𝟑 )

Basado en la guía preparada por Ing. Samira García Freites Profesores Laboratorio de transferencia