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Calor Específico de Sólidos Specific heat of solids Andres Sanchez1, Oscar Barrantes2 , Ingeniería Civil, Universidad de la Salle. 2 Ingeniería Electrica, Universidad de la Salle. 1

Fecha práctica: 03-11-2016; Fecha entrega de informe: 04-11-2016. Resumen La practica consistio en hallar el calor especifico de cuatro materiales metálicos diferentes (Aluminio, Acero, Cobre, Bronce) para lo cual se utilizaron distintos instrumentos como el calorimeto que nos permitia saber el cambio de temperatura que sufria cierto volumen de agua al momento de introducir el material metalico caliente, Por supuesto se utilizo un termómetro con el que se tomo la temperatura inicial y final de la muestra asi como la temperatura de ebullición del agua, aplicando las formulas planteadas en este informe se hallo el calor especifico de dichos materiales y la propagación de la incertidumbre provocada por los instrumentos de medición. Palabras claves: Calor Específico, Calorímetro, Temperatura. Abstract The consisted practiced in finding the specific heat of four different metallic materials (aluminum, steel, copper, bronze) for which different instruments like calorimeto we allowed to know the temperature change was suffering certain volume of water when introducing used the metallic material hot course a thermometer with which the initial and final temperature of the sample as well as the boiling point of water volume, applying the formulas proposed in this report the specific heat of these materials are hallo and was used propagation of uncertainty caused by measuring instruments. Keywords: Specific Heat, Calorimeter, Temperature.

1. Objetivos 

Medir el calor específico de diferentes metales.



Comprobar el balance energético en unn sistema donde interviene el calor como forma de energía.

2. Introducción Haciendo uso de una parrilla de calentamiento, un calorímetro, un juego de termómetros, una probeta y un vaso de precipitado se busca hallar el calor especifico del Aluminio, Cobre, Acero y Bronce, el procedimiento básicamente consiste en calentar cada uno de los solidos y luego llevarlos al agua fría para de esta maera determinar el cambio de teperatura que sufre cierto volumen de agua. Acontinuacion se presenta el Marco Teorico en el que se mostraran conceptos importantes para la realización del laboratrio, Asi como el procedimiento, los datos tomados, los respectivos cálculos y resultados y finalmente las conclusiones.

1

3. Marco Teórico Conceptos, ecuaciones y graficas: 

Temperatura: es una propiedad de la materia que está relacionada con la sensación de calor o frío que se siente en contacto con ella. Cuando tocamos un cuerpo que está a menos temperatura que el nuestro sentimos una sensación de frío, y al revés de calor. Sin embargo, aunque tengan una estrecha relación, no debemos confundir la temperatura con el calor. Cuando dos cuerpos, que se encuentran a distinta temperatura, se ponen en contacto, se produce una transferencia de energía, en forma de calor, desde el cuerpo caliente al frío, esto ocurre hasta que las temperaturas de ambos cuerpos se igualan. En este sentido, la temperatura es un indicador de la dirección que toma la energía en su tránsito de unos cuerpos a otros. [1]

∆ T =T −T 0

(1)

Donde ∆ T es la temperatura que se reemplarazá en la ecuación 2, T es la temperatura final y T 0 es la temperatura inicial. 

Termómetro: Un termómetro es un instrumento que permite medir la temperatura. Los más populares constan de un bulbo de vidrio que incluye un pequeño tubo capilar; éste contiene mercurio (u otro material con alto coeficiente de dilatación), que se dilata de acuerdo a la temperatura y permite medirla sobre una escala graduada.



Parrilla de Calentamiento: La placa de calentamiento es fabricada en aleación de aluminio que transfiere la temperatura en forma uniforme y en periodos cortos



Calor Específico: Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. En el Sistema Internacional de unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramo y kelvin; en ocasiones también se expresa en calorías por gramo y grado centígrado. [4]

C=

Q m∆ T

(2)

2

Donde Q es la cantidad de calor absorbido por el cuerpo, m es la masa y ∆ T el incremento en su temperatura. El calor específico se da en cal/°C. Por tanto, la cantidad de calor que gana o pierde u cuerpo de masa m, cuando su temperatura cambia en un valor ∆ T es:

Q=mC ∆T

(3)

Donde si Q es positivo, el calor ha sido ganado por el cuerpo y su temperatura ha aumentado, si Q es negativo el calor ha sido cedido por el cuerpo y su temperatura ha disminuido. La cantidad de calor cedido por la muestra (Qs) es igual a la cantidad de calor ganado por el agua (QH2o) mas la cantidad de calor ganada por el calorímetro (QCal)

Qs=Q H 20+ QCal

(4)

De acuerdo con la ecuación (3) tenemos: '

M s C s ∆ T =M H 2 O C H 2O ∆T + M cal Ccal ∆ T

(5)

Despejando el Calor específico del solido resulta la siguiente ecuación:

C s=

Donde

cs

∆ T (M H 20 C H 20 + M cal C cal ) Ms ∆ T ´

(6)

es el calor especifico del material en cuestión.



Energia: La Energía térmica se debe al movimiento de las partículas que constituyen la materia. Un cuerpo a baja temperatura tendrá menos energía térmica que otro que esté a mayor temperatura. La transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura se denomina calor. [5]



Error porcentual:

∗100 |teo−exp teo |

e=

(7)

4. Procedimiento Primeramente se midio la masa de los paralelepípedos y del calorímetro datos que serán necesarios mas adelante.El procedimiento explicado acontinuacion se realizo para cada uno de los materiales metálicos. 1. Encender la parrilla de calentamiento y calentar con ayuda de un vaso de precipitado agua suficiente para poder sumergir los solidos, medir la temperatura de ebullición.(sin tocar el fondo 3

del vaso con el termómetro). 2. Llenar el calorímetro con 100 mililitros de agua y tomar su respectiva temperatura. 3. Sumergir el solido dentro del agua caliente durante cinco minutos. 4. Luego de transcurridos cinco minutos se pasa el solido al calorímetro con agua fría, se revuelve con la tapa puesta y se toma la temperatura.

5. Datos Acontinuacion se presenta la Tabla 1, la cual contiene los datos tomados en el laboratorioy con el que se realizan todos los cálculos correspondientes Todos los datos registrados en la Tabla 1 estan expresados en el Sistema Internacional de Unidades de acuerdo a los requierimientos de la práctica. Tabla 1. Temperatur a de Ebullicion

Materia l

T ( J Calor específico±±∆∆C T 0 Muest T 0 (° C)Masa ± ∆T f±(°∆C) Masa± ∆ M Sólido( kg) raT±f ∆Muestra M Calorimetro Masa± (kg)∆ M Agua(kg) Kg∗K (°C)

Cobre Bronce Alumin io Acero

0.070 0.0686

22 22

24.5 24.5

0.0531 0.0531

0.15 0.15

368.4 364.8

0.0215 0.0617

22 22

24 25

0.0531 0.0531

0.15 0.15

924.3 476.1

6. Resultados y Analisis Calor Específico: De la ecuación (6) se debe tener en cuenta que ∆ T ´ corresponde al cambio de temperatura en el solido y ∆ T correspode al cambio de temperatura en el agua dentro del calorímetro. Calor Específico del Calorimetro (900

J kg∗K

), del agua (4186

a hallar el calor específico de cada metal.  Cobre

C=

2.5 ( ( 0.15∗4186 ) + ( 0.0531∗900 ) ) J =368.4 0.070∗6 5.5 kg∗K 4

J kg∗K

). Aclarando esto procedemos

90 92 92 92

 Bronce

C=

2.5 ( ( 0.15∗4186 ) + ( 0.0531∗900 ) ) J =364.8 0.0686∗67.5 kg∗K

 Aluminio

C=

2 ( ( 0.15∗4186 )+ ( 0.0531∗900 ) ) J =924.3 0.0215∗68 kg∗K

 Acero

C=

3 ( ( 0.15∗4186 ) + ( 0.0531∗900 ) ) J =476.1 0.0617∗67 kg∗K

Error Relativo

Error=

|C teórico−C experimental|

∗100

Cteórico

 Cobre

Error=

|389−368.4| 389

∗100=5.29

 Bronce

Error=

|360−364.8| 360

∗100=1.3 3

 Aluminio

Error=

|909−924.3| 909

∗100=1.68

 Acero

Error=

|460−476.1| 460

∗100=3.5

Propagacion de la Incertidumbre

∆ C=

∂C ∂C ∂C ∂C ∂C ' ∆T+ ∆ M H 20 + ∆ M cal + ∆T + ∆ Ms ∂T ∂ M H 20 ∂ M cal ∂T ' ∂ Ms

5

H 20+ ¿ M cal C cal M h2oC¿ ¿ T C H 20 T C cal (¿ ' | ∆T + ∆ M + ∆ M cal H 20 ' −M s T −M s ∆T −M s ∆ T ' ¿ ∆ C=¿

|

|

|

|

∆ M s =∆ M cal=5∗10−5 Kg ∆ T =1 ° C

 Cobre→

∆ C = 153.39

J kg∗K

∆ C = 151.73

 Bronce→

 Aluminio→

 Acero→

J kg∗K

∆ C = 478.26

∆ C = 166.18

J kg∗K

J kg∗K

6.1 Analisis de Resultados  El error relativo encontrado para el calor especifico en los diferentes casos se debe a la un cojunto de inconsistencias y errores al momento de tomar los datos y realizar a practica. Un ejemplo claro de esto es que la tapa del calorímetro no es 100 % hermética por lo que la temperatura del medio influye en la temperatura de equilibrio, también cuando trasvasábamos el agua de la probeta al calorímetro se perdia cierta cantidad de agua, además la probeta tiene un error de medición asi la medición de agua no es 100% exacta.  Teóricamente estamos fallando al momento de sacar los cálculos respectivos, ya que no se esta considerando la perdida de temperatura del metal en el momento que se retira del vaso de precipitado para ser pasado al calorímetro.  Tambien se esta despreciando el calor que absorbe el metal del termómetro y el agitador, algo que sumado con los demás inconsistencias representa el error relativo.  En el caso de los errores causados por la medición con instrumentos se halla una propagación de la incertidumbre para de cierta manera cubrir estos estos errores, ahora, para el caso de la perdida de calor causada por el agitador no se realiza ningún calculo paraa determinar las perdidas, sencillamente se desprecian. Lo cual repercute no en un porcentaje muy elevado 6

pero si provoca que en ocasiones la temperatura varie mucho dependiendo de las codiciones a las que este el agitador.  Para calcular el calor especifico de un liquido se podría realizar de la misma manera como explicamos en este laboratorio reemplazando evidentemente los metales por los liquidos en cuestión. Aunque este método teóricamente puede funcionar lo consiramos muy inexacto y seria recomendable utilizar otro tipo de método.

7. Conclusiones  Demostramos que el calor es energía que es transferida de un sistema a otro, debido a que se encuentran a diferentes iveles de temperatura. Por esta razon al colocar un metal en contacto con agua fría, esta agua aumenta su temperatura hasta lograr un equilibrio térmico con el metal.  Cuando la temperatura del sistema aumenta Q y Δ T se consideran positivas, lo que significa que la energía térmica fluye hacia el interior del sistema, por el contrario si la temperatura disminuye Q y Δ T son negativas y la energía térmica fluye hacia fuera del sistema.  La capacidad de un objeto de almacenar energía esta determinada por sus propiedades físicas y químicas.  Se demostró de manera experimental la ley cero de la termodinámica dentro del calorímetro, la cual establece que un cuerpo que esta a menor temperatura respecto a otro recibirá calor del elemento con mayor temperatura, esto se dara hasta que ambos elemento alcanza un equilibrio térmico.  Se demostró que un elemento no solo es capas de almacenar energía en forma de calor, sino que también puede emitir energía que tiene almacenada. Esto se evidencio cuando se metio el metal dentro del calorímetro. Primero recibió energía cuando se encontraba adentro del vaso con agua caliente y luego la emitio logrando el equilibrio térmico con el agua. 8. Bibliografia y Referencias  Fisica Universitaria Volumen I, Zears, Zemansky, Young, Fredman, Pearson.  Fisica Volumen I, Tipler, Mosca, Reverte.  Analisis de datos Experimentales en Ingenieria, Muauricio Bustamante, Univ de la Salle.  Guia de Laboratorios Fisica III, Universidad de la Salle.

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