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• Osmel Batres

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1 UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD MULTIDISCIPLINARIA ORIENTAL DEPTO. CIENCIAS NATUALES Y MATEMATICA SECCION DE FISICA

FISICA II (INGENIERIA) CICLO: I

LABORATORIO Nº 4. “TEMPERATURA Y CALOR” OBJETIVOS. 1. Comprobar experimentalmente el valor punto de congelación y de ebullición del agua. 2. Utilización del termómetro clìnico 3. Determinar, utilizando un calorímetro de agua, el calor específico de un metal. INTRODUCCIÓN. La temperatura es una de las siete magnitudes básicas del SI. En la vida diaria la temperatura es un concepto familiar el cual definimos en forma cualitativa como “la medida del estado de calentamiento o enfriamiento de un cuerpo respecto a otro utilizado como patrón”. A nivel cuantitativo la temperatura se define como “la medida de la mayor o menor agitación de los átomos o moléculas que constituyen un cuerpo”; a partir de la ley cero de la termodinámica se define la temperatura como “una propiedad que determina si un objeto está o no en equilibrio térmico con otros objetos”. Para medir la temperatura se utilizan ciertas propiedades e la materia que varían de manera proporcional y sensible con los cambios de temperatura llamadas propiedades termométricas y para construir un termómetro se debe definir una escala y para ello se utilizan dos puntos fijos entre ellos tenemos la temperatura de congelación y ebullición del agua, el punto triple del agua, cero absoluto entre otros. La definición más difundida sobre el calor dice que: “es la energía que pasa de un cuerpo a otro, en virtud únicamente, de una diferencia de temperatura entre ellos”. En consecuencia podemos establecer como unidad de calor: “la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado centígrado, la temperatura de un gramo de agua pura”. A esta unidad la llamaremos caloría. Como el calor es una forma de energía, se mide en unidades de energía, tales como: Joules, BTU. Por razones prácticas, es más conveniente el empleo de una unidad directamente basada en métodos térmicos: la caloría; que en el sistema cegesimal se define como “la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado centígrado la temperatura de un gramo de agua de 14.5 °C a 15.5 °C”.

2 Experimentos muy cuidadosos han demostrado que siempre se transmite calor de un cuerpo a otro, no se pierde energía. Si se agrega leche a una taza de café caliente, el café transmite calor a la leche; la cantidad de calor que gana la leche es igual a la cantidad de calor que pierde el café, a menos que algo de calor sea transmitido también a la taza, al aire, a la cuchara, etc. Sin embargo, si se pudiera medir todo el calor transmitido, se encontraría que: Calor ganado por el cuerpo que se calienta = Calor perdido por el cuerpo que se enfría Cuando un cuerpo se calienta o se enfría, y no hay cambios de estado (el cuerpo no se funde, no se congela, no se evapora, ni se condensa), la cantidad de calor (Q) que es transmitida, depende de la masa (m) del cuerpo, del cambio de temperatura (  t) y del material de que está hecho el cuerpo. Cuando a un cuerpo se le suministra cierta cantidad de calor, su temperatura experimenta una variación. En los cambios de temperatura que tienen lugar sin cambios de estado se tiene que: Q  m c t

La capacidad térmica de un cuerpo se define como: C

Q t

Si se divide la capacidad térmica del cuerpo entre su masa, se obtiene el calor específico del material, del que está constituido el cuerpo, que es igual a: c

C Q o c m mt

Siendo este calor específico (c), característico para cada material. Las investigaciones en que interviene la transmisión de calor, no son fáciles de llevar a cabo con precisión, porque el calor escapa fácilmente a otras partes, donde es difícil de medir (por ejemplo, el aire ambiente). El propósito de esta investigación, es iniciar al estudiante en las técnicas que permiten una precisión razonable en la medición del calor específico de algún material. MATERIAL Y EQUIPO. 1 Balanza gravimétrica

2 Termómetros

1 Calorímetro

1 Cocina eléctrica

1 Beaker

3 Cilindros de aluminio

Agua

Hielo

DESARROLLO EXPERIMENTAL

3 EXPERIMENTO Nº 1 “COMPROBACION DEL PUNTO CERO Y DEL PUNTO CIEN” Estudio del termómetro Observe la escala del termómetro común o de laboratorio que tiene a su disposición y determine: a) El valor de la menor división: __________________________ b) El valor mínimo de la escala: ___________________________ c) El valor máximo de la escala: ___________________________ Practica Nº 1. “Comprobación del punto Cero” Base Teórica. La temperatura de equilibrio del hielo con el agua líquida, uno en presencia del otro, es constante y se le ha llamado “Cero grados centígrados” (0 °C) y corresponde a un punto fijo en la escala de temperaturas centígrada o Celsius; vamos pues a comprobar si nuestro termómetro lo indica correctamente. Procedimiento. Para conseguir esta temperatura de equilibrio, se vierte agua en el vaso de precipitado de 250 ml hasta un tercio de su altura y se llena el vaso en casi su totalidad de hielo troceado, se introduce luego el termómetro y se mantiene por lo menos durante cinco minutos para que se logre el equilibrio térmico y luego se lee la temperatura. Valor de la temperatura de congelación del agua = ____________________________ Verificar la temperatura utilizando el termopar del multímetro = _________________ Practica Nº 2. “Comprobación del punto Cien”. Base Teórica El agua pura hierve a una temperatura fija que no varía mientras dura la ebullición, y a la que se le asigna el valor de “Cien grados centígrados” (100 °C), que es otro punto fijo en la escala de temperatura centígrada o Celsius. Pero la temperatura de ebullición no es absolutamente constante, sino que varía con la presión atmosférica. Si ésta es de 760 mm Hg, el agua hierve a 100 °C por definición, pero si la presión atmosférica es menor, el agua hierve antes de alcanzar los 100 °C. Procedimiento.

4 Se vierte un poco de agua en un vaso de precipitado de 250 ml, y se coloca luego en la cocina eléctrica hasta que hierva el agua. Luego se introduce el termómetro tratando que el bulbo no toque el fondo del vaso y se mantiene por lo menos tres minutos para lograr el equilibrio térmico y luego se lee la temperatura. Valor de la temperatura de ebullición del agua = _____________________________ Verificar la temperatura utilizando el termopar del multímetro ___________________ Nota. Investigar el valor de la presión atmosférica local con la persona que y anotar su valor: ______________________________ EXPERIMENTO Nº 2. “USO DEL TERMOMETRO CLINICO”  Estudio de Termómetro Clínico. Observe la escala del termómetro clínico que tiene a su disposición. a. ¿Cuál es el valor de la menor escala? ______________________ b. ¿Cuál es el valor máximo de la escala? _____________________ c. ¿Cuál es el valor de la menor división? _____________________  Determinación de la Temperatura Oral. Procedimiento 1. Lavarse las manos. 2. Asegurarse que el paciente no haya hecho ejercicio; fumado o ingerido bebidas frías, calientes o haber masticado chicle por período muy prolongado por lo menos 15 minutos antes del procedimiento. 3. Antes de colocar el termómetro, cerciorarse que marque menos de 32 °C, si no hay que bajar el mercurio realizando unos tres movimientos bruscos de muñeca. 4. Colocar el termómetro debajo de la lengua y pedirle que cierre la boca y lo sostenga con los labios tratando de no masticarlo. 5. Mantener el termómetro de tres a cinco minutos en la boca del paciente. 6. Retirar el termómetro, limpiarlo con papel higiénico desde la parte superior del termómetro hasta el bulbo de mercurio. 7. Leer el termómetro y anotar su lectura en la tabla 1. 8. Lavar el termómetro y desinfectarlo.  Determinación de la Temperatura Axilar.

5 Procedimiento. 1. Lavarse las manos. 2. Secar la axila del paciente con papel higiénico sin frotar. 3. Cerciorarse que el termómetro marque menos 32 °C, si no bajar el mercurio realizando unos tres movimientos bruscos de muñeca. 4. Colocar el termómetro en la axila del brazo del paciente sobre la pared costal y decirle que cruce el brazo sobre su pecho y mantener el termómetro entre cinco a ocho minutos. 5. Retirar el termómetro, limpiarlo con papel higiénico y leerlo. 6. Anotar la lectura de la temperatura del paciente en la tabla 1, haciendo la corrección respectiva (sumar al valor leído 0.5 ºC). 7. Lavar el termómetro y desinfectarlo y luego guardar el termómetro en su lugar correspondiente. Tabla 1. Medida de la temperatura en forma Oral y Axilar. N° 1 2 3 4 5 6

Nombre del Estudiante

Temp. Oral (°C)

Temp. Axilar ( °C )

CUESTIONARIO 1. 2. 3. 4. 5.

¿Será igual la temperatura de todas las personas? SI, NO ¿POR QUÉ? ¿Qué tipos de termómetros se utilizan para medir la temperatura corporal? ¿Por qué los termómetros clínicos están graduados entre 32 °C y 42 °C? ¿Cuál es la forma más común de medir la temperatura de una persona? Aproximadamente, ¿cuánto tiempo debe permanecer un termómetro clínico estándar, en el lugar donde se le mide la temperatura en forma: a. Oral b. Axilar c. Rectal 6. Explique por qué se deben cumplir estos tiempos de permanencia de los termómetros en el lugar donde se mide la temperatura y porqué son diferentes en cada caso.

EXPERIMENTO Nº 3 “CALCULO DEL CALOR ESPECIFICO DE UN METAL” Practica Nº 1 “Determinación del equivalente en agua de un calorímetro”.

6 Referencia teórica Si un cuerpo a una temperatura t1, se pone en contacto con otro de temperatura inferior t2, donde t1  t2, ambos, al cabo de un tiempo, adquieren una misma temperatura t cumpliéndose que t1  t  t2. En virtud del principio de la conservación de la energía, el calor cedido por el primer cuerpo:

Q1  m1c1  t1  t  , es igual al calor ganado por el segundo cuerpo: Q2  m2 c2  t  t 2  , suponiendo despreciables las pérdidas de calor. Esto puede conseguirse (siendo uno de los cuerpos, agua u otro líquido) haciendo la mezcla en un calorímetro; que es un vaso o recipiente, prácticamente aislado, para evitar pérdidas de calor. Como el vaso del calorímetro consume cierta cantidad de calor, lo mismo que el agitador, termómetro, etc, al incrementarse la temperatura, entonces, la cantidad de agua que necesitase el mismo calor, para experimentar la misma variación de temperatura del calorímetro, se llama: “equivalente en agua del calorímetro”, el cual se representa por el símbolo  . Sabiendo que: el equivalente en agua de un cuerpo = (masa del cuerpo) (calor específico del cuerpo). Al aplicar la ecuación: Calor perdido = Calor ganado, tenemos que: Calor perdido por el agua: QH 2O  M  t 2  t  es igual al calor ganado por el calorímetro Qcal   t  t1  de donde al igualar las ecuaciones y al despejar  tenemos:

 t  t 1   M  t 2  t 

 Donde:

M  t2  t   t  t1 

 = equivalente en agua del calorímetro t2 = temperatura inicial del agua caliente t1 = temperatura inicial del calorímetro y demás accesorios t = temperatura final del sistema M = (masa del agua caliente) (calor específico del agua)

Método Operatorio 1) Mida la temperatura del calorímetro vacío y anote ese valor: t1 = ________________ 2) Mida la masa del calorímetro y accesorios y anote ese valor: Mcal = ________________

7 3) Ponga a hervir 110 g de agua y mida su temperatura de ebullición: t2 =______________ 4) Al estar hirviendo el agua, viértala rápidamente en el calorímetro vacío, tápelo y tome la temperatura de estabilización del sistema (esta es la máxima temperatura que alcanza el sistema calorímetro-agua): t = ___________________ 5) Medir la masa del sistema calorímetro-agua, para determinar la cantidad real de agua caliente agregada, anote ese valor aquí: Magua caliente = ______________________ Nota: Magua caliente = Mcalorímetro-agua caliente

–

Mcal

6) Calcule aplicando la fórmula anterior, a cuántos gramos de agua, equivale el comportamiento del calorímetro.  = ___________________________ PRACTICA Nº 2 “Determinación del calor específico del aluminio”. Referencia teórica Los calores específicos de metales, pueden determinarse, depositando un trozo de metal caliente en el agua contenida dentro de un calorímetro, y, esperando a que llegue el sistema al equilibrio térmico. De lo dicho anteriormente se deduce que, si un cuerpo de masa “m” gramos y con una temperatura t1 se introduce en un calorímetro que tiene m2 gramos de agua a temperatura t2, se produce un intercambio de calor, hasta que todo el conjunto calorímetro, agua y cuerpo, alcanzan una temperatura de equilibrio térmico t. Se puede observar, que los cuerpos que ganan calor en el intercambio, son: el calorímetro y el agua. Los que pierden calor son los trozos de aluminio. Por tanto: Q gan  Q per

Sea:

m1 = masa del calorímetro c1 = calor específico del calorímetro m2 = masa de agua c2 = calor específico del agua m = masa del aluminio c = calor específico del aluminio t1 = temperatura inicial del aluminio t2 = temperatura inicial del calorímetro – agua t = temperatura de equilibrio

8 Al aplicar la ecuación del equilibrio térmico tenemos: Q gan  Q per

m1c1  t  t 2   m2 c2  t  t 2   mc t  t1 

Sustituyendo m1c1   y m2 c2  M y operando el signo (–) tendremos:  t  t 2   M  t  t 2   m c t 1  t 

   M  t  t 2   m c t1  t 

Por lo tanto:

c Donde:

   M  t  t 2  m t 1  t 

c = calor específico del cuerpo

 = equivalente en agua del calorímetro M = (masa del agua)(calor específico del agua) Método Operatorio. 1) Ponga 200 g de agua (m2) a temperatura ambiente dentro del calorímetro. Asegúrese que el calorímetro no esté caliente a causa de la operación de la parte A). 2) Coloque un termómetro y mida la temperatura del conjunto: t2 = ____________________ 3) Ponga a hervir 200 ml de agua 4) Mida la masa de tres cilindros de aluminio, que están atados con un pedazo de cordel, expresando su resultado aquí: m =_______________________ 5) Tome las muestras de aluminio y póngalas dentro del agua en ebullición durante 5 min aproximadamente y tome la temperatura de ebullición del agua como la temperatura inicial del aluminio: t1 = ___________________________ 6) Pase las muestras de aluminio al calorímetro, lo más rápidamente posible, mueva el sistema interno con el agitador y tome la temperatura a la que se estabiliza el conjunto: t = _________ 7) Con estos datos y aplicando las fórmulas anteriores, calcule el calor específico del aluminio c = ____________________ CUESTIONARIO 1) ¿Logró leer con su termómetro, la temperatura teórica de congelación del agua?. Si no lo logró, explique las causas que pudieron afectar la lectura.

9 2) ¿Logró leer con su termómetro, la temperatura teórica de ebullición del agua?. Si no lo logró, explique las causas que pudieron afectar su lectura. 3) ¿Cuál fue la cantidad real de agua caliente que se agregó al calorímetro? 4) ¿Qué valor tiene el calor perdido por el agua caliente? 5) ¿Qué valor tiene el calor ganado por el calorímetro? 6) ¿Qué valor tiene el equivalente en agua del calorímetro? 7) ¿Cuál es el valor del calor recibido por el agua dentro del calorímetro? 8) ¿Cuál es el valor del calor recibido por el calorímetro? 9) ¿Cuál es el valor del calor perdido por el aluminio? 10) ¿Hay alguna diferencia entre el valor teórico del calor específico del aluminio con el calor específico obtenido experimentalmente? 11) Si hay diferencia, ¿A qué cree que se deba? 12) Calcule el porcentaje de error cometido, % error 

Valorteo  Valorexp Valorteo

 100