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Física de fluidos y termodinámica, Cuarto semestre. Universidad ECCI, Bogotá, D.C.

Daniel Esteban Ramírez – 78796 // [email protected]

Laboratorio 2 ––72064 Calor especifico Steven Orlando Bogoya // [email protected] Walter Liatón – 80715// [email protected] Leonardo Ospina Hernandez – 77183 // [email protected]



Resumen – En este laboratorio hecho por nuestro grupo, el informe se desarrolla con el fin de aprender conceptos tales como la masa, el calor especifico, la temperatura el calor y calorimetría. Es necesario determinar las diferentes temperaturas iniciales de distintos cuerpos antes de ser introducidas en un líquido y así mismo la temperatura del agua, también se requiere la temperatura de equilibrio que se dan en distintos cuerpos dependiendo de su masa, luego a partir de la ecuación de calorimetría se determinara el calor específico para el sistema de cuerpo agua dependiendo del material que vaya a ser usado. este proceso será realizado nuevamente, pero con diferentes materiales. Abstract In this laboratory done by our group, the report is developed in order to learn concepts such as mass, specific heat, temperature, heat and calorimetry. With certain concepts it is necessary to determine the different initial temperatures of different bodies before being introduced into a liquid and the temperature of the water, the equilibrium temperature that occurs in different bodies of its mass is also required, then from the calorimetry equation The specific heat for the specific water body system of the material to be used will be determined. This process will be done again, but with different materials. KEY WORDS - Mass -specific heat -temperature -heat -calorimetry.

vistas y evidenciar los cambios de temperatura en las animaciones virtuales, de esta manera se logrará una mayor comprensión del tema tratado en las clases. II.

III.    

IV.

MARCO TEÓRICO

En el informe desarrollado por nuestro grupo analiza como por medio de un cambio de temperatura en ciertos materiales los cuales también se ira variando su peso se puede hallar su temperatura de equilibrio. También se puede observar en cuanto al cambio de masa también cambiara el peso según el material. Luego teniendo en cuenta el volumen que nos dan de una liquido en este caso el agua se podrá hallar su densidad masa y también el peso. Debes consultar los siguientes temas: Definición de masa, temperatura, calor especifico, calor, calorímetro. Calorimetría.



I.

INTRODUCTION

Con lo anterior debes realizar un mapa conceptual donde se relacionen estos conceptos y se evidencien las ecuaciones que modelan la calorimetría. V.

n este informe de laboratorio virtual se encontrará la

solución a diferentes problemas planteados por el profesor aplicando los conocimientos vistos en clase con la ayuda de una aplicación online, generando así un mayor conocimiento para nosotros, debido a que podemos aplicar las formulas 

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Evidenciar los diferentes cambios de temperatura según las propiedades de los materiales. Observar el equilibrio térmico de una pieza en el sistema. Aplicar las fórmulas Calorimétricas vistas para realizar los cálculos solicitados. Analizar los resultados obtenidos y hallar las conclusiones del laboratorio.



E

OBJETIVO GENERAL

Aplicar los conocimientos adquiridos en el planteamiento y la solución de diferentes problemas o aplicaciones de la Calorimetría según la animación online.

Documento elaborado el 10 de abril de 2020.

MÉTODOS Y MATERIALES

Debido a que este laboratorio de realizo de manera simulada, lo materiales que se usaron fueron.  

Computador Conexión a internet.

Física de fluidos y termodinámica, Cuarto semestre. Universidad ECCI, Bogotá, D.C. Si se quisiera realizar esta práctica de manera física se debe disponer de los siguientes materiales e instrumentos:     

A.

Vasos de precipitados de 200 mL (2). Termómetros digitales (2). Calefactor. Hilo. Muestras de diferente masa de distintos sólidos (hierro, cobre, grafito, oro, berilio y aluminio). Ecuaciones

m ρ= v ml → m 3=

ml 1 x 10−¿ ¿

Q ganado=−Q perdido VI.

d) Con base en la simulación determine la temperatura de equilibrio del sistema cuerpo–agua. Lo anterior tomando los diferentes valores de masas seleccionadas en la tabla 1. Material : Cobre Cuerpo(kg)

H 2 O(kg)

T equilibrio (°C)

0.030 0.2 21.1 0.040 0.2 21.4 0.050 0.2 21.8 0.060 0.2 22.1 Tabla 4. Datos temperaturas equilibrio del sistema e) A partir de la ecuación de calorimetría en este caso para el sistema de cuerpo agua, utilizando los datos que se requieran relacionados en las tablas. Determine el calor especifico del material seleccionado. (presente el proceso para llegar al resultado).

(0)

(2)

Q ganado=−Q perdido (3)

DESARROLLO DE LA PRACTICA LUEGO

a) Escoja un material, y relaciona los siguientes datos:

Masa (kg) Peso (N) 0.030 0.294 0.040 0.392 Cobre 0.050 0.490 0.060 0.588 Tabla 1. Masas Seleccionadas.

(3)

Nota: para el proceso anterior tome el calor especifico del agua como.

Calor especifico del agua=4186

J Kg ° C

Material

b) A partir del dato del volumen del agua que presenta la simulación, complete la tabla.

0.0002 1000

0.2 Peso (N) 1.96 Tabla 2. Datos del líquido en el calorímetro

c) Con base en los datos indicados por la simulación, escriba la temperatura inicial del cuerpo (masa seleccionada) y del agua antes de que interactúen y lleguen al punto de equilibrio. Cuerpo

Material del cuerpo = Cobre Masa del cuerpo = M c =0.030 kg

Temperatura inicial = T i=100 ° C Temperatura final = Temperatura equilibrio = T f =21.1 Masa del agua = 0.2 kg Calor especifico del agua =

H2O Volumen(m3 ) kg Densidad ( 3 ) m Masa(kg)

Datos previos.

H2O

Temperatura 100 20 inicial °C Tabla 3. Datos de temperatura iniciales

C EA =4186

J kg ° C

Partiendo de ( 3 ).

Q ganado=−Q perdido Q perdido =Q p= M c ∙C EC ∙ ∆ T Q ganado=Q p=M H 2 O ∙ C EA ∙ ∆T Q g+Q p=0 M c ∙ C EC ∙ ∆ T + M H 2 O ∙C EA ∙ ∆ T =0 −M H 2 O ∙C EA ∙ ∆ T C EC = Mc∙∆T J −( 0.2 kg ) 4186 ( 21.1 ° C−20 ° C ) Kg° C C EC = ( 0.030 kg )( 21.1 ° C−100 ° C ) −920.92 J J C EC = ≅ 389.07 −2.367 Kg ° C kg ° C

(

)

Física de fluidos y termodinámica, Cuarto semestre. Universidad ECCI, Bogotá, D.C. Según Física universitaria Sears Zemansky – Volumen 1 (Pág.585) [1] el calor especifico del cobre aproximadamente es de 390

J kg ° C .

f) Realice nuevamente la practica seleccionando otro material.

datos que se requieran relacionados en las tablas. Determine el calor especifico del material seleccionado. (presente el proceso para llegar al resultado).

Q ganado=−Q perdido

(3)

Nota: para el proceso anterior tome el calor especifico del agua como.

a.1) Escoja un material, y relaciona los siguientes datos:

Material

Masa (kg) Peso (N) 0.030 0.294 0.040 0.392 Berilio 0.050 0.490 0.060 0.588 Tabla 1.1 Masas Seleccionadas. b.1) A partir del dato del volumen del agua que presenta la simulación, complete la tabla.

H2O Volumen(m3 ) kg Densidad ( 3 ) m Masa(kg)

0.0002 1000

0.2 Peso (N) 1.96 Tabla 2.1 Datos del líquido en el calorímetro c.1) Con base en los datos indicados por la simulación, escriba la temperatura inicial del cuerpo (masa seleccionada) y del agua antes de que interactúen y lleguen al punto de equilibrio. Cuerpo

H2O

Temperatura 100 20 inicial °C Tabla 3.1 Datos de temperatura iniciales d.1) Con base en la simulación determine la temperatura de equilibrio del sistema cuerpo–agua. Lo anterior tomando los diferentes valores de masas seleccionadas en la tabla 1. Material : Berilio Cuerpo(kg)

H 2 O(kg)

T equilibrio (°C)

0.030 0.2 24.9 0.040 0.2 26.4 0.050 0.2 27.8 0.060 0.2 29.2 Tabla 4.1 Datos temperaturas equilibrio del sistema e.1) A partir de la ecuación de calorimetría en este caso para el sistema de cuerpo agua, utilizando los

Calor especifico del agua=4186

J Kg ° C

Datos previos. Material del cuerpo = Berilio Masa del cuerpo = M c =0.060 kg Temperatura inicial = T i=100 ° C

Temperatura final = Temperatura equilibrio = T f =29.2 Masa del agua = 0.2 kg Calor especifico del agua =

C EA =4186

J kg ° C

Partiendo de ( 3 ).

Q ganado=−Q perdido Q perdido =Q p= M c ∙C EC ∙ ∆ T Q ganado=Q p=M H 2 O ∙ C EA ∙ ∆T Q g+Q p=0 M c ∙ C EC ∙ ∆ T + M H 2 O ∙C EA ∙ ∆ T =0 −M H 2 O ∙C EA ∙ ∆ T C EC = Mc∙∆T J −( 0.2 kg ) 4186 ( 29.2 ° C−20 ° C ) Kg° C C EC = ( 0.060 kg )( 29.2 ° C−100 ° C ) −7702.24 J J C EC = ≈ 1813.15 −4.248 Kg ° C kg ° C

(

)

Según Física universitaria Sears Zemansky – Volumen 1 (Pág.585) [1] el calor especifico del Berilio aproximadamente es de 1970

J kg ° C .

VII.

ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS.

¿Qué utilidad tiene el concepto de calor específico en la vida diaria? 1. El calor especifico tiene como una de sus principales aplicaciones el averiguar y definir que es cierto material con respecto a otro, midiendo su calor específico y comparándolo con los de las tablas preestablecidas y así definir cuantas calorías

Física de fluidos y termodinámica, Cuarto semestre. Universidad ECCI, Bogotá, D.C. necesitamos para aumentar su temperatura. En la vida diaria podemos utilizar el calor especifico a la hora de cocinar algún alimento, ya que si conocemos su calor especifico del alimento en sí, sabremos a que grados debemos de calentarlo para poder cocinarlo. Otro uso en la vida diaria la podemos ver en el desarrollo de procesos realizados en el laboratorio, ya que allí podemos ver como al aplicar el proceso de calor especifico podemos moldear los materiales que tenemos. ¿Qué uso puede darse al principio calorimetría en las diferentes ramas de la ingeniería (5 aplicaciones debidamente referenciadas)? 2. 2.1 En la ingeniería metalúrgica, el ingeniero metalúrgico procesa los materiales (casi siempre metálicos) transformándolos en materia prima, útiles en la industria. Este proceso de transformación se consigue gracias a conocimientos, y se usa la calorimetría, ya que si el ingeniero no supiera a cuáles temperaturas debe trabajar los diferentes tipos de materiales, este no produciría los materiales con la resistencia o dureza suficiente y haría que sus proyectos fueran débiles o directamente inútiles. Como en el caso de que si se arma un automóvil y el ingeniero no sabe manejar los distintos tipos de metales que se usan para fabricarlo, este puede dejar inútil los materiales o peor aún exponer la vida de una persona que prueba el carro costándole la vida. Wikipedia (2019). Ingeniería metalúrgica, usos y aplicaciones de la ingeniería en la práctica laboral. 2. 2. 2) En la ingeniería química, el ingeniero químico estudia la composición y características físicas y químicas de los materiales que crean productos y servicios industriales. Por eso es que, en la ingeniería química, se usa la calorimetría para determinar el intercambio de calor que ocurre en una reacción química, permitiendo así entender más claramente el mecanismo de esta. Además, que la calorimetría, se usa en el proceso de seguridad, así como en diferentes campos del proceso de optimización, reacción química y en la unidad de operación. Ingeniería Quimica.org (2018). Estudio del concepto de ingeniería química, control, construcción e investigación en reacciones químicas. 2. 2.3) En la ingeniería industrial, el ingeniero industrial es el responsable de planificar, diseñar, implementar y dirigir sistemas y servicios que sean efectivos y confiables. De ahí la importancia de que el ingeniero sepa de calorimetría, ya que, si este desconoce los cambios del contenido calórico de un material, este podría hacer sistemas funcionales, pero que a la mínima que estos cambios empiecen a afectar sus sistemas estos podrían fallar y generar costos y perdidas para una empresa o para una organización. Ingenieriaindustrialonline.com (2018). Concepto y definición de la carrera de ingeniería industrial, usos en la vida práctica.

2.

2.

2.4) En la ingeniería de minas, el ingeniero de minas es el que proyecta, organiza y dirige los trabajos para extraer de la tierra minerales sólidos, metálico y demás. A la hora de que un ingeniero de minas estudia la zona geológica, este debe recomendar los mejores métodos de explotación y efectuar ensayos y experimentos para garantizar el éxito de la excavación. Por eso un ingeniero de minas debe de tener en cuenta la calorimetría, ya que, al diseñar los explosivos para la explotación de las minas, debe de tener en cuenta con que materiales o con que poder necesitar hacerlo. Ya que si no tiene esto en cuenta puede generar una explosión que dañe el terreno o que haga que la mina sea inestable para excavar los materiales y genere una pérdida de maquinaria y de vidas humanas. Wikipedia (2020). Ingeniería de minas, aprovechamiento y gestión de los recursos de la Tierra, explotación y construcción de explosivos rentables y geología. 2.5) En la ingeniería de gas, el ingeniero de gas debe de poseer habilidades, destrezas y aptitudes que le permiten operar plantas e instalaciones para el tratamiento y procesamiento del gas natural. Por eso, cuando el ingeniero tiene claro los conceptos de calorimetría sabrá que hay una proporcionalidad directa entre el cambio de calor de una reacción y la concentración de los reactantes se puede usar esta técnica para determinar la concentración de sustancias presentes en matrices complejas de los gases y así determinar la pureza de este, y si es apto para el consumo de las empresas o para las personas. Ingengas (2014). Procesamiento del gas, objetivos del procesamiento del gas y producción de gases.

En no menos de 10 renglones, relaciona los conceptos de Temperatura y Calor con el estudio de las energías limpias. 3.

Las energías limpias son las mismas energías renovables, es decir fuentes de energía limpias, las cuales se dicen son inagotables y de un crecimiento continuo. Estas energías limpias a diferencia de las energías fósiles, no contaminan la tierra, si no que buscan disminuir dicha contaminación a través de procesos energéticos como la energía solar, o la energía geotérmica. Estas fuentes de energía limpias tienen algo en común, como lo son que ambas utilizan los conceptos de temperatura y calor para su funcionamiento. Ya que funcionan a través de ese cambio de calor o temperatura para producir energía. En el caso de la energía solar, podemos ver que se puede aprovechar ambos conceptos para acumular energía, ya que las principales tecnologías que se usan para su almacenamiento lo son la solar fotovoltaica, que es la que se aprovecha de la luz o intensidad del sol y la solar térmica, que es la que aprovecha el calor del sol para su funcionamiento.

Física de fluidos y termodinámica, Cuarto semestre. Universidad ECCI, Bogotá, D.C. VIII.

RESULTADOS

Evidenciamos que cada material tiene un calor especifico según sus propiedades físicas o químicas del elemento. Observamos que dependiendo el material su tiempo de calentamiento puede ser mayor o menor. Podemos darnos cuenta que realizando la comparación entre el valor que nos ofrece el libro de Física universitaria y los resultados evidenciados en la simulación, observamos que al compararlos tenemos un pequeño porcentaje de error o desfase en cuanto al resultado que debería darnos. Se observa que el calor especifico se da al momento de tener un cambio de temperatura el cual que por kilogramo necesita un cuerpo para que su temperatura se eleve en un grado centígrado. IX.

CONCLUSIONES

Concluimos que según las propiedades de los materiales estos tienden a lograr diferentes valores aplicativos. En el caso de la Calorimetría tiende a tener gran importancia en el uso industrial en la aleación de los materiales industriales con los cuales convivimos en la cotidianidad. Si comparamos el ejercicio del calor especifico del cobre y el calor especifico del berilio, podemos llegar a la conclusión de que, si el material que vamos a usar para el proceso es más denso y usamos menos material osease menos masa, el resultado de este calor especifico será más próximo o preciso tendiendo parecerse al resultado que debería darnos comparándolo con Física universitaria En cuanto a la calorimetría es posible observar   que se encarga de medir la cantidad de calor generada o perdida en ciertos procesos. X.

REFERENCIAS

[1] http://fis.ucv.cl/docs/fis-133/textos/Fisica-UniversitariaSears-Zemansky-12va-Edicion-Vol1.pdf [2] https://www.lifeder.com/calorimetria/ [3] https://www.acciona.com/es/energias-renovables/ [4] https://diccionario.motorgiga.com/calor-especifico [5] https://html.rincondelvago.com/ramas-de-laingenieria_1.html