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• Yisus David

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DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD CALORÍFICA DE SOLIDOS. Daniela Beatriz Mora Paz; Jesús David Coral Tapia; Daniel Mauricio Enríquez. RESUMEN Se determinó la capacidad calorífica en metales (cobre, hierro, aluminio, plomo), como primer dato se obtuvo el valor de la capacidad calorífica del calorímetro (modelo adiabático) utilizado para de este modo poder analizar a capacidad calorífica de los metales, además esta depende ligeramente de las masas molares por lo que el aluminio obtuvo una capacidad calorífica mayor que los demás solidos analizados. RESULTADOS CALORIMETRO TABLA 1. Determinación capacidad calorífica del calorímetro H2O alta °T MASA °T (g) (°K)

CALORIMETR O

H2O °T ambiente MASA °T (g) (°K)

H2O (alta °T+ °T ambiente )

METALES

°T (°K) COBRE

1

60

343

60

295

318

HIERRO ALUMINIO

2 PLOMO Obs: tabla 1: Datos obtenidos para la determinación de la capacidad calorífica para dos calorímetros utilizados para determinar la capacidad calorífica de metales. CALCULO CAPACIDAD CALORÍFICA DEL COLORÍMETRO C k= Donde: C H

2

O

−( mH O C H O ∆ T +m H O C H O ∆T ) 2

2

2

2

∆T

(Ecuación 1)

J = 4.184 gK

CALORIMETRO N° 1 318 K−343 K

(

(60 g) 4.184

J J (¿)+(60 g) 4.184 (318 K −295 K) gK gK ¿ ¿ C k =−¿

)

(

)

(Ecuación2)

C M =−20,08

J g. K

COLORIMETRO N°2 318 K−343 K

(

(60 g) 4.184

C k =−20,08

J J (¿)+(60 g) 4.184 (318 K −295 K) gK gK ¿ ¿ C k =−¿

)

(

)

(Ecuación 3)

J K

DETERMINACIÓN DEL CALOR ESPECÍFICO DE UN SÓLIDO (AGUA A ALTA TEMPERATURA)

TABLA 2. DATOS CALOR ESPECIFICO EN METALES CK(J⁄K) METAL H2O °T inicial °T final MASA °T inicial °T final MASA (g) (°k) (°k) (g) (°k) (°k) 20.070 293 339 60 345 339 46.748 295 334 60 339 334 -20,08

METAL

COBRE HIERRO ALUMINI O 13.395 294 335 60 343 335 PLOMO 31.775 293 339 60 339 Obs tabla 2: datos registrados al realizar la experimentación de un metal, para determinar el calor especifico en agua a alta temperatura. CALCULO CALOR ESPECIFICO EN SOLIDOS absorvido=−¿ qcedido q¿

absorvido=¿ mM C M ∆T q¿

q cedido =( m H O C H O +C K ) ∆ T 2

2

Al igualar las ecuaciones

mM C M ∆ T =−( mH O C H O +C K ) ∆ T 2

2

Despejando CM de la ecuación

C M=

− ( m H O C H O+ C K ) ∆ T H 2

2

2

O

mM ∆ T M

Donde: mM=masa del metal (Bronce) CM=Calor especifico del metal. CK=Capacidad calorífica del calorímetro.

CALCULO CALOR ESPECÍFICO METALES

COBRE (Cu)

−20,08 60 g .4,184

J K

J +(¿) ( 339 K−345 K ) g.K ¿ −¿ CCu =¿

J =0,601 g . K

(Ecuación 5)

x 100 |=36 |0,385−0,601 0,601

(Ecuación 6)

%E=

HIERRO (Fe)

−20,08 60 g .4,184

J K

J +(¿) ( 334 K −339 K ) g.K ¿ −¿ C Fe =¿

J =0,633 g . K

x 100 |=29 |0,449−0,633 0,633

%E=

(Ecuación 7)

(Ecuación 8)

(ecuación 4)

ALUMINIO (Al)

−20,08 60 g .4,184

J K

J +(¿)( 335 K−343 K ) g.K ¿ −¿ C Al =¿

J =3,36 g . K

(Ecuación 9)

x 100 |=73 |0,897−3,36 3,36

(Ecuación 10)

%E=

PLOMO (Pb)

−20,08 60 g .4,184

J K

J +(¿) ( 334 K −339 K ) g.K ¿ −¿ C Pb=¿

J =0,633 g . K

x 100 |=0,1 |1,988−1,980 1,988

%E=

(Ecuación 11)

(Ecuación 12)

DISCUSIÓN Para la determinación del calor específico de un sólido (metales) es necesario conocer previamente la capacidad calorífica de la celda calorimetría; ya que la cantidad de calor involucrada en el proceso también afecta al calorímetro y sus componentes, los cuales tomaran parte del calor; teniendo en cuenta lo anterior, la capacidad calorífica del calorímetro será una constante propia del instrumento y que está relacionada con el volumen de las sustancias utilizadas (agua y un sólido).1 En el estudio se utilizó un calorímetro adiabático: compuesto por un Beaker 200mL (capa interna) e icopor (capa externa), en donde la temperatura del escudo (capa externa) se mantiene lo más cerca posible a la temperatura de la celda para evitar la trasferencia de calor.

Sin embargo, es importante considerar que el término adiabático se usa como una aproximación al modelo ideal, porque en la práctica el calorímetro no es adiabático debido a la falta de control de los alrededores, el escudo y otras variables que influyen al materializar el modelo.2 Según lo anterior, al hacer un análisis de la capacidad calorífica de la celda calorimétrica y teniendo en cuenta los datos obtenidos (tabla 1; ecuaciones 2 y 3 ) se muestra una dispersión considerable de los resultados obtenidos a la hora determinar la capacidad calorífica del calorímetro al igual como se observa en la tabla 2 y las ecuaciones para el cálculo del calor especifico en metales, se observan algunas de las posibles causas de error relacionadas con este proceso; es no tomar correctamente los datos, la pérdida de masa de agua en la adición de esta misma al calorímetro (hubo una variación en la temperatura de manera casi instantánea, la temperatura descendía en este lapso de tiempo lo cual altero la lectura en el termómetro) de igual modo la perdida de energía cuando se realizaba la agitación ya que el sistema no fue totalmente adiabático. Por ello, se hace necesario la adopción de precauciones experimentales si se quieren obtener resultados razonablemente precisos. Los principales puntos que es necesario controlar son: agitación, pérdidas por evaporación y la reducción al mínimo las posibles pérdidas de calor 3

Además cuando se determinó de la capacidad calorífica de los metales (Cu, Fe, Al, Pb), teniendo en cuenta que el calor especifico de una sustancia es una magnitud física (intensiva) que indica la capacidad de un material para almacenar energía interna en forma de calor, se deduce que el calor especifico de un material puede ser determinado indirectamente por un procedimiento de calorimetría conocido como el método de mezclas. En este caso se ponen en contacto térmico el agua con un metal a diferentes temperaturas, presentándose un flujo de calor desde el cuerpo con mayor temperatura al cuerpo de menor temperatura. El flujo de calor depende de tres factores; la cantidad total de materia (masa), la variación de la temperatura que experimenta el cuerpo y de la naturaleza de la sustancia, además es importante destacar que la capacidad calorífica no sufre variaciones significativas si es a volumen constante o a presiones constante en el caso de solidos o líquidos.4 Analizando la capacidad calorífica de los metales estudiados es importante mencionar que una de las razones por las que el calor específico adopta diferentes valores para diferentes sustancias es la diferencia en masas molares, La energía calorífica se almacena gracias a la existencia de átomos o moléculas vibrando. Si una sustancia tiene una masa molar más ligera, entonces cada gramo de ella tiene más átomos o moléculas disponibles para almacenar energía; así se tiene que para los metales estudiados el aluminio tendrá mayor calor específico que el hierro, cobre y plomo. Además los datos consignados en las ecuaciones (5,6,7,8,9,10,11) muestran una dispersión significativa con respecto al valor teórico de la capacidad calorífica de cada metal, esta dispersión se debe a diversos factores, entre ellos el caso de las aleaciones, en donde hay ciertas condiciones en las cuales pequeñas impurezas pueden alterar en gran medida el calor específico medido. Las

aleaciones pueden mostrar una marcada diferencia en su comportamiento incluso si la impureza en cuestión es uno de los elementos que forman la aleación, igualmente hay que considerar la transferencia de calor al agitar el agua, así como pérdidas de volumen de agua al tener un orificio de salida en el calorímetro, también hay que señalar que la toma de temperatura una vez se ha alcanzado la temperatura de equilibrio es algo imprecisa, pues es difícil establecer si baja algunos décimas porque el calorímetro no era perfectamente aislante o si se debe a que aún se está estabilizando la temperatura, estos errores se consideran sistemáticos y poco controlables, pues no es posible garantizar que las condiciones de pérdidas o de aislamiento sean siempre las mismas, con lo que los valores podrían no ser aceptables.5 CONCLUSIONES La capacidad calorífica es una propiedad de cada sustancia o materia y siempre es una magnitud positiva, por lo tanto; -

Si Tf>Ti Q>0 el sistema absorbe calor “se calienta” Si Tf