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• Erick Telebübie

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CUESTIONARIO PREVIO. Previamente a la realización de esta práctica se deberá entregar totalmente resuelto el siguiente cuestionario, aplicando los conceptos teóricos expuestos en clase. 1. Que entiendes por energía. La capacidad para realizar un trabajo. 2. Defina calor específico. Es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad. 3. ¿Qué es la capacidad calorífica? Es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. 4. Cuantos tipos de energía conoces. -Energía eólica -Energía solar -Energía eléctrica -Energía química 5. ¿El calor se le podría considerar como una energía? ¿Por qué? El calor es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia 6. ¿Qué característica tiene el calor sensible? Es aquel que recibe un cuerpo o un objeto y hace que aumente su temperatura sin afectar su estructura molecular y por lo tanto su estado. 7. ¿Qué característica tiene el calor latente? Es la energía requerida por una cantidad de sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). 8. Explicar la ley de Joule.

9. ¿A cuánto equivale una caloría en Joules? 1 caloría = 4,18 joules (o 1 joule = 0239 calorías) 10. ¿Cómo se puede transformar energía mecánica en energía térmica? Es posible transformar íntegramente la energía mecánica en energía térmica. Por ejemplo, el trabajo realizado por la fuerza de rozamiento de un coche al frenar, transforma la energía cinética del mismo en energía térmica. En cambio, mediante una máquina térmica (el motor de un coche, por ejemplo) sólo es posible transformar en energía mecánica una parte de la energía térmica disponible. La energía térmica es, por tanto, menos útil que la energía mecánica para realizar un trabajo. La energía mecánica que se transforma en energía térmica no puede convertirse de nuevo totalmente en energía mecánica, por lo que decimos que la energía se degrada. Pierde calidad para realizar trabajo. 11. ¿Cómo interpretas la entalpía? Es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra H mayúscula, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema intercambia con su entorno. 12. A que se refiere el equivalente mecánico de calor. El concepto de equivalente mecánico del calor hace referencia a que el movimiento y el calor son mutuamente intercambiables, y que en todos los casos, una determinada cantidad de trabajo podría generar la misma cantidad de calor siempre que el trabajo hecho se convirtiese totalmente en energía calorífica.

13. ¿Cuáles son los cambios de fase? La evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición 14. Explicar la relación entre el calor y la primera ley de la termodinámica. La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea, ni se destruye, sino que se conserva. Entonces esta ley expresa que, cuando un sistema es sometido a un ciclo termodinámico, el calor cedido por el sistema será igual al trabajo recibido por el mismo, y viceversa. 15. ¿Qué es el calor latente de vaporización? Para medir el calor de vaporización se coloca un recipiente metálico con una masa m de agua sobre un hornillo eléctrico de potencia P.

La temperatura inicial del agua es Ta. A medida que transcurre el tiempo, se va elevando la temperatura del agua, hasta que entra en ebullición a 100 ºC. Anotamos el tiempo t1. El agua se evapora, disminuyendo el nivel de agua en el recipiente hasta que toda el agua se ha convertido en vapor. Anotamos el tiempo t2 que transcurre desde el comienzo de la ebullición hasta que se consume el agua. OBJETIVO: El alumno: a) Comprenderá y aplicará el concepto de calor específico y calor latente.

ACTIVIDADES: 1) Determinar el calor específico de un metal. 2) Determinar el calor latente de vaporización del agua. MATERIAL Y/O EQUIPO: 1 Parrilla eléctrica de 750W. 1 Calorímetro (recipiente de aluminio). 1 Vaso de precipitado de 500 ml. 1 Multímetro. 1 Pesa de ½ kg. 1 Agitador de vidrio. Agua potable. 1 Pinzas de sujeción.

1 Cronómetro. 2 Termómetros. 1 Balanza granataria. 1 Pesa de 1 kg. 1 Par de guantes de asbesto. 1 Cubo de metal. 1 Cafetera.

DESARROLLO DE LA PRÁCTICA: ACTIVIDAD I: DEMOSTRACIÓN DE LA LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA. 1. Calibrar la balanza. 2. Medir la masa del matraz .Anotar su valor en la tabla 2.1A, así como sus equivalencias en la tabla 2.1B. 3. En la probeta medir 250ml de agua y verterlo en el matraz, medir su masa. Anotar su valor en la tabla 2.1A. La diferencia nos da la masa del agua en el matraz. Esto es: masa del agua caliente en el matraz = masa del matraz con agua – masa del matraz. Anotar su valor en la tabla 2.1A. 4. Colocar el tapón bihoradado con el termómetro en la boca del matraz. 5. Medir la masa del calorímetro. Anotarla en la tabla 2.1A, así como sus equivalencias en la tabla 2.1B.

6. Coloca el matraz en la parrilla. (Tener cuidado de que el termómetro no toque las paredes del matraz), ver la figura 2.1. Conecte la parrilla al suministro de energía eléctrica. 7. Esperar a que el agua alcance una temperatura de 60oC, esta se considerará como la temperatura inicial de agua caliente T1ac . Anotar su valor en la tabla 2.1.1A. Mientras el agua se calienta, procede de la siguiente manera: 8. En la probeta medir 450ml de agua y verterlo en el calorímetro. 9. Medir la masa del agua en el calorímetro. Anotarla en la tabla 2.1A. La diferencia nos da la masa del agua en el calorímetro. . Esto es: masa del agua fría en el calorímetro = masa del calorímetro con agua – masa del calorímetro. Anotar su valor en la tabla 2.1A. 10. Medida la masa, colocar uno de los termómetros dentro del calorímetro para medir la temperatura del agua, esta se considerará como la temperatura inicial del agua fría T1af . Anotar su valor en la tabla 2.1.1A. 11. Cuando el agua en el matraz haya alcanzado la temperatura de 60oC: 12. Desconectar la parrilla del suministro eléctrico. 13. Con ayuda de las pinzas y con el guante de asbesto puesto, introducir el matraz dentro del calorímetro, en ese momento, registrar la primera lectura en los termómetros. Anotar su valor en la tabla 2.1.2A.

14. Con el cronómetro, tomar las lecturas cada minuto de las temperaturas del agua fría en el calorímetro y del agua caliente dentro del matraz registradas en los termómetros. Anotar las lecturas en la tabla 2.1.2A. 15. Efectuar las lecturas de los termómetros, hasta que estos registren más o menos las mismas temperaturas. ACTIVIDAD II: CANTIDAD DE ENERGÍA GANADA Y ENERGIA CEDIDA. Si

Dónde: Q = calor (cal). m = masa (gr).

Ce = calor específico (1 cal/gr C). T2 = temperatura final (°C). T1 = temperatura inicial (°C). Entonces

Donde Qaf = calor ganado por el agua fría (cal). Qac = calor cedido por el agua caliente (cal). maf = masa del agua fría (gr). mac = masa del agua caliente (gr). Ceaf = calor específico del agua fría (1 cal/gr°C). Ceac = calor específico del agua caliente (1 cal/gr°C). T2af = temperatura final del agua fría (°C). T2ac = temperatura final del agua caliente (°C). T1ac = temperatura inicial del agua caliente (°C). T1af = temperatura inicial del agua fría (°C). Anotar tus resultados y equivalencias en la tabla 2.2B. ACTIVIDAD III: DETERMINACIÓN DE LA TEMPERATURA DE EQUILIBRIO TEÓRICAMENTE. La energía que cederá el agua caliente será la misma que recibirá el agua fría, por lo tanto, la suma de las energías se mantiene constante, es decir, la suma de las energías en transición es igual a cero. Es decir: Si:

Entonces:

Por lo tanto:

Dónde: Ceaf = calor específico del agua fría (cal/gr C). Ceac = calor específico del agua caliente (cal/gr C). Maf = masa del agua fría (gr). T2af = temperatura final (o de equilibrio) del agua fría (°C). T1af = temperatura inicial del agua fría (°C). mac = masa del agua caliente (gr.). T2ac = temperatura final (o de equilibrio) del agua caliente (°C). T1ac = temperatura inicial del agua caliente (°C).

Como:

Dónde: Teq= Temperatura de equilibrio (°C). Entonces:

Y como:

Tenemos:

Agrupando términos:

Despejamos:

Anotar tus resultados y equivalencias en la tabla 2.3B. Graficar en hojas de papel milimétrico las temperaturas de agua caliente en el matraz y las temperaturas de agua fría en el calorímetro contra el tiempo.

TABLAS DE LECTURAS: TABLA 2.1 A. Concepto

Masa (gr) 121.7 87.5 367 532.7

Masa del matraz Masa del calorímetro Masa del matraz con agua Masa del calorímetro con agua

TABLA 2.1.1 A. Concepto

Temperatura inicial

Temperatura final

Agua fría (en el calorímetro)

20°C (oC)

33°C (oC)

Agua caliente (en el matraz)

60°C

33°C

TABLA 2.1.2A. Temperaturas (OC)

Concepto Tiempo (min). 0 1

Agua en el matraz

Agua en el calorímetro

60 56

20 24

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

51

28

47 44 42 40 38 38 37 36 36 36

30 32 33 33 34 34 34 33 33 33

35 35 35 34 34 34 34 33

33 33 33 33 33 33 33 33

MEMORIA DE CÁLCULOS: El alumno hará un desarrollo DETALLADO de acuerdo a lo que se pide en la tabla de resultado. TABLAS DE RESULTADOS:

TABLA 2.1B. Concepto

kg

gr

lb

Masa de agua en el calorímetro

.5327

532.7

1.174402469

Masa de agua en el en el matraz

.1217

121.7

0.268302572 854

TABLA 2.2B. Experimental cal kJ BTU Concepto Energía ganada

5.850

( Q)af Energía cedida

-6.750

24,453

Teórico kJ

cal

23.1769 72

5.850

-28,2555 26.7810 46

-6.750

24,453

BTU 23.176972

-28,2555 26.781046

( Q)ac

TABLA 2.3B. Concepto

Experimental. o

C

Temperatura de equilibrio.

33

o

K

o

R

Teórico. o

F

o

C

o

K

306.15 551.07 91.4 34.285714 307.435714

Error o

R

553.3842852

o

F

%

93.7142852 3.7499

CUESTIONARIO FINAL. 1) Explicar que es el calor sensible y en que parte dentro de la práctica se demostró.

2) Explicar que es el calor latente y en que parte dentro de la práctica se demostró.

3) Investigar en tablas de acuerdo al calor específico obtenido del metal, de que material esta hecho, determinar su valor teórico del metal.

4) Investigar en tablas de acuerdo al calor latente del agua, cuál es su valor teórico.

5) En un sistema de refrigeración por compresión mecánica, tenemos cuatro componentes básicos, en cuál de ellos se presenta el calor latente y en cual el calor sensible, justifique su respuesta.

6) En un ciclo Rankine también consta de cuatro componentes básicos, investigue donde se presenta el calor sensible y el calor latente, justifique su respuesta.

7) ¿Por qué causa más daño una quemadura con vapor de agua que una quemadura con agua hirviendo a la misma temperatura? El agua para pasar al estado gaseoso necesita aún más energía, esa energía que va a hacer que se rompa el estado líquido y se liberen las moléculas gaseosas de agua. Ahora bien, el vapor contiene además de la energía de los 100 grados, contiene esa energía que hizo que pasara a estado gaseoso, y esa energía es la diferencia de por qué el vapor quema más que el agua.

8) ¿Qué significa afirmar que un material tiene una capacidad calorífica grande o pequeña? Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica. Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de la sustancia, sino también de la cantidad de materia del cuerpo o sistema; por ello, es característica de un cuerpo o sistema particular 9) ¿Por qué es incorrecto decir, la materia “contiene” calor? Porque el calor no es algo que un cuerpo pueda contener, el calor en realidad es energía cinética molecular es decir que si las moléculas se mueven más rápido el cuerpo adquiere mayor

temperatura, por el contrario, si la energía de las moléculas disminuye el cuerpo pierde temperatura 10) ¿A qué temperatura alcanza el agua su máxima densidad y cual es valor de dicha densidad? La máxima densidad del agua se alcanza a los 3.98 °C = 1.000000 g/ml. 11) ¿Por qué los lagos y estanques se congelan de arriba hacia abajo y no de abajo hacia arriba? Porque las moléculas del agua se mueven a diferente velocidad que las del viento y el aire (viento es el que sopla, aire es toda la atmosfera) y como el agua tiene suficiente profundidad que cuando hace mucho frio y hielo, las capas superiores son las primeras en hacer escarcha, mientras las moléculas de abajo del agua siguen su movimiento, entre más calor más movimiento tienen. y conforme se congelan las capas superiores, las de abajo van disminuyendo su capacidad de moverse hasta quedar nulas, y se congela todo, pero si es muy profundo, siempre quedara agua en movimiento. si bajo el agua hay tierra o arena es más difícil que se congele todo porque la tierra o la arena cuando tienen agua, no se congelan y si hay movimiento de moléculas en el agua que está entre las porosidades de la tierra, habrá también movimiento en las capas de más arriba de la tierra, o sea las de la parte de abajo del agua. 12) Investigar las tres formas de transmisión de calor. La conducción de calor es un mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas sin flujo neto de materia y que tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo y entre diferentes cuerpos en contacto por medio de ondas. La conducción del calor es muy reducida en el espacio vacío y es nula en el espacio vacío ideal, espacio sin energía. El principal parámetro dependiente del material que regula la conducción de calor en los materiales es la conductividad térmica, una propiedad física que mide la capacidad de conducción de calor o capacidad de una substancia de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otras substancias con las que está en contacto. La inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor. La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por intermedio de un fluido (aire, agua) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos. Estos, al calentarse, aumentan de volumen y, por lo tanto, su densidad disminuye y ascienden desplazando el fluido que se encuentra en la parte superior y que está a menor temperatura. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio de las corrientes ascendente y descendente del fluido. La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido o por medio de una bomba, un

ventilador u otro dispositivo mecánico (convección mecánica, forzada o asistida). En la transferencia de calor libre o natural un fluido es más caliente o más frío y en contacto con una superficie sólida, causa una circulación debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido. La radiación es la transferencia de calor por medio de ondas electromagnéticas. No se requiere de un medio para su propagación. La energía irradiada se mueve a la velocidad de la luz. El calor irradiado por el Sol se puede intercambiar entre la superficie solar y la superficie de la Tierra sin calentar el espacio de transición. Por ejemplo, si colocamos un objeto (tal como una moneda, un coche, o a nosotros mismos) bajo los rayos del Sol directos; al poco tiempo notaremos que el objeto se calentará. El intercambio de calor entre el Sol y el objeto ocurrirá por medio de radiación.

13) En esas tres formas de transmisión de calor, donde se involucra el calor latente y en donde el calor sensible. El calor latente es la energía requerida por una cantidad de sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización) Calor sensible es aquel que recibe un cuerpo o un objeto y hace que aumente su temperatura sin afectar su estructura molecular y por lo tanto su estado.

14) Determine el porcentaje de error en los calores obtenidos en la práctica, si se considera que los valores teóricos obtenidos de tablas esta sin error. Anotarlo en la tabla 3.3B.

15) Con tus propias palabras define el calor específico. Es la cantidad de calor que se necesita aplicar a un cuerpo, una sustancia o un sistema para que aumente su temperatura un grado. 16) Con tus propias palabras define a la energía. Es la capacidad para realizar un trabajo 17) Por que se dice que el calor es una energía virtual. Porque el calor no es algo que podamos tocar o ver, sabemos que existe pero no es algo visible.

18) Se desea pasar agua desde una temperatura de 50 °C hasta una temperatura de 200 °C. Haga un croquis describiendo todos los tipos de calores que se requieren para que el agua llegue hasta esa temperatura.

19) ¿Porque en los procesos industriales donde se maneja agua, se dice que el calor latente es el peor enemigo del ingeniero?

20) Explique en qué parte de la actividad diaria de un ser humano, está involucrado el calor latente.