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OBJETIVOS:

Que el alumno comprenda los conceptos de capacidad térmica y capacidad térmica específica y las unidades en las cuales pueden ser expresados. Que identifique la influencia de estas propiedades en diferentes fenómenos cotidianos.  CUESTIONARIO PREVIO 1. Si en una misma fuente de energía se colocan un gramo de agua y un gramo de metal y reciben la misma energía térmica, ¿cuál de las siguientes aseveraciones es correcta? a) el cambio de temperatura de ambas sustancias es el mismo b) el gramo de agua eleva más su temperatura c) el gramo de metal eleva más su temperatura 2. ¿Qué propiedad de los materiales permite responder la pregunta anterior? R=Capacidad térmica. 3. ¿Por qué el agua es un excelente refrigerante? R=Porque su capacidad calorífica es alta, lo que le permite absorber más calor sin elevar sin elevar mucho su temperatura. 4. ¿Por qué los mares y los lagos permanecen a temperaturas relativamente constantes? R= Porque el agua al tener una alta capacidad calorífica puede absorber la energía transmitida por la radiación solar o el de la superficie terrestre. Por lo que aumenta muy poco su temperatura con respecto al tiempo. 5. ¿Por qué durante el día la arena de una playa quema los pies y el agua de mar no? Por las noches, ¿cómo es la temperatura del agua con respecto a la de la arena? ¿Por qué? R= Porque el agua del mar tiene un calor especifico de 1kcal/Kg. La arena de la playa tiene un calor específico aproximado de 0.19Kcal/Kg (depende de los materiales que lo compongan), lo que significa que al ser expuestos a la misma radiación del sol durante el día, la arena aumentara cinco veces más rápido su temperatura por cada grado que el mismo peso del agua. Además al ser la arena opaca provoca que solo se caliente la superficie, en cambio el agua al ser un líquido semitransparente provoca que la radiación se vaya absorbiendo a distintos niveles, por lo tanto se reparte el calor. La temperatura del agua en las noches es mayor que la de la arena. Porque la primera puede retener por más tiempo el calor, tarda en cambiar su temperatura con respecto a la de la arena.  PROBLEMA A través de una interacción energética entre dos sistemas obtener la capacidad térmica y la capacidad térmica especifica de un metal.  MATERIAL Y REACTIVOS  5 cilindros de aluminio o de latón  1 termómetro de mercurio

    

1 termómetro digital 1 cronometro 1 probeta de 100 mL 1 vaso de poliestireno de 250 ml con tapa 1 vaso de precipitados de 500 mL Hilo de nylon

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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Primera Parte: Determinar la constante (K) del calorímetro: 1. Poner agua en un vaso de precipitados de 250ml 2. Colocar una resistencia y esperar a que la temperatura del agua sea de 70 a 80ºC. Medir y registrar (T1) 3. En un vaso de unicel agregar aproximadamente 150 ml de agua a temperatura ambiente con un termómetro digital medir y registrar la que será la temperatura 2 (T2) 4. Una vez registradas las dos primeras temperaturas se vierten de 75 a 100ml de agua caliente en el vaso de unicel. 5. Se registrara el cambio de temperatura dentro del vaso por lapsos de 10 segundos hasta obtener la temperatura de equilibrio (T3). Segunda Parte: Determinar la capacidad térmica especifica del metal (Latón) 1. En un vaso de unicel colocar nuevamente 150ml de agua a temperatura ambiente. Medir y Registrar (T4) 2. En un vaso de precipitados colocar los tubos de Latón 3. Agregar agua y calentar con una resistencia hasta llegar a una temperatura aproximada de 93ºC Registrar como T6 4. La temperatura 5 se registrara como la temperatura de equilibrio al agregar los tubos de Latón al vaso de unicel y medir por lapsos de 30 seg. 

DATOS EXPERIMENTO 1):

Masa probeta de 100 mL vacía Masa del agua fría Masa del agua caliente T1 (agua caliente) T2 (agua fría) T3 (mezcla) Masa agua fría + Masa probeta Masa agua caliente + Masa probeta 

DATOS EXPERIMENTO 2)

102.9 g 148.7 g 74.6 g 76°C 22°C 38.5°C 354.5 g 177.5 g

Masa cilindro 1 Masa cilindro 2 Masa cilindro 3 Masa agua fría + Masa probeta Masa agua fría T4 (agua fría) T5 (equilibrio) T6 (agua caliente) Masa de los 3 cilindros 

DATOS DE CAPACIDADES TERMICAS Cp

Latón Aluminio Cobre Oro Agua  T (s) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

8.754 g 8.843 g 8.992 g 354.5 g 148.7 g 23.2°C 24.5 °C 92°C 26.589 g

(

cal ) g°C

0.094 0.217 0.092 0.082 1

CÁLCULOS DEL EXPERIMENTO 1): T (°C) 38.2 38.4 38.5 38.5 38.5 38.4 38.4 38.4 38.4 38.3 38.3 38.3

K=( mH 20 ) cal ( CpH 2 o ) cal

(

K=( 74.6 g ) 1

cal g° C

3 −( mH 2O ) fría ( CpH 2 O ) fría ( TT 1−T 3−T 2 )

° C−38.5 ° C cal cal −( 148.7 G ) (1 =20.84 )( 7638.5° ) ) C−22 ° C g° C °C

Aplicación del lenguaje termodinámico 1. Al sumergir las piezas de metal en el baño de agua, ¿qué materiales alcanzan el equilibrio térmico? Los cilindros de metal (laton) y el agua 2. ¿Cómo son las paredes o fronteras de las piezas de metal empleadas? Adiabaticas aun que estas no existen ideales 3. ¿Qué parámetros experimentales se modifican durante cada una de las etapas de la práctica? La masa del agua, temperaturas en las que se vierte el agua 4. ¿Qué parámetros experimentales se mantienen constantes durante cada una de las etapas de la práctica? Las temperaturas en las que se vierte el agua caliente fueron iguales 5. En esta práctica no se toma en cuenta al calorímetro (vaso, termómetro, tapa) al plantear los balances energéticos. ¿Cómo afecta esto a los resultados? R= Que se pierde energía transferida al entorno y se desprecia esta pérdida al entorno, hace que los cálculos de cp aumenten. 6. Explicar cuál es la diferencia entre capacidad térmica y capacidad térmica específica R= La capacidad térmica se define como la cantidad de energía en forma de calor que se necesita suministrar a un sistema para incrementar su temperatura en un grado Celsius. En virtud de que esta propiedad no está definida para una masa fija de sustancia, la identificamos como una propiedad extensiva. Cualquier material, de cualquier composición, requiere siempre de la misma cantidad de energía para incrementar su temperatura en un grado; en otras palabras, la capacidad térmica de los materiales es una constante (siempre y cuando no cambie su composición ni sus dimensiones). La capacidad térmica es característica de un objeto en particular, pero la capacidad térmica específica caracteriza a una sustancia. Por ejemplo se puede hablar, en primer término, de la capacidad térmica de una moneda de cobre pero, por otra parte, de la capacidad térmica específica del cobre.

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CONCLUSIONES:

1) Obtuvimos un Cp con valor de 0.1228 cal/g°C para el latón, del valor convencional que es 0.094 cal/g°C con un error de 23.45%, este error lo podemos justificar con el hecho de que no se toma en cuenta que la temperatura del agua en el segundo experimento (calcular el Cp del latón) fue de 23.2°C y en el primer experimento fue de 22°C. 2) Por lo tanto las condiciones con las que se hicieron los experimentos variaron no fueron constantes un ejemplo de ello fue la temperatura ambiente con un intervalo de 23.9°C-25°C entre el primer y segundo experimento, además de que

las balanzas (granataria y analítica) fueron un problema porque los valores de la misma muestra variaban y estuvimos un buen rato llegar a un valor de masa del agua con la probeta y de los cilindros en la balanza analítica, a esto le debemos nuestro porcentaje de error.

1. Dentro de las formas de manifestación de la energía se encuentran la energía térmica y la energía mecánica, defínelas y da sus unidades. -Energía Térmica: el calor o energía térmica se define como la energía transferida entre dos sistemas que difieren en temperatura, es una propiedad extensiva, ya que depende de la cantidad de materia presente. Como base cuantitativa para describir el calor se utiliza la kilocaloría. Cuando un kilogramo de agua absorbe una kilocaloría (kcal) de calor la temperatura del agua aumenta un grado Celsius. La caloría es la milésima parte de la kilocaloría, donde una caloría de calor aumentara un grado Celsius la temperatura de un gramo de agua, que también puede darse en joule. -Energía mecánica: energía necesaria para mover un objeto de un punto a otro, cuyo símbolo es W, resulta de un movimiento dirigido, es decir del movimiento de átomos, iones y moléculas dentro de un objeto y en la misma dirección. 2. ¿Existe alguna relación entre la conservación de la energía y el equivalente mecánico del calor? La energía se conserva, lo que se puede ilustrar por medio de los experimentos de James Joule, quien en 1843 midió el “equivalente mecánico del calor”. El aparato empleado por Joule consistía en un sistema de paletas sumergidas en un recipiente con agua y conectadas a unas pesas que permitían hacer girar las paletas alrededor de un eje. Observo que el aumento de energía térmica, que es igual a la masa del agua multiplicada por el aumento de temperatura, resultaba proporcional a la energía mecánica proporcionada por el sistema de pesas, que al caer, ponían en movimiento las paletas. Sobre esto se dice que la energía mecánica gastada reaparece como energía térmica. Para poder vincular estas dos cantidades, debe establecerse la relación existente entre el joule, que es la unidad empleada para medir la energía mecánica, y la caloría, que es la unidad empleada para medir la energía térmica. 3. ¿Qué es un calorímetro a presión constante, volumen constante y temperatura constante? ¿Para qué se usan? Son dispositivos simples de laboratorio con los cuales puede determinarse el cambio de temperatura que se produce en los alrededores de un sistema. La capacidad calórica del calorímetro(los alrededores) es la suma de las capacidades calóricas de sus partes, que dependen del material y tamaño. En la determinación del calor de un proceso, solo se ocupa la capacidad calórica global del calorímetro. Calorímetro a presión constante: las técnicas y equipos empleados en calorimetría dependen de la naturaleza del proceso que se estudia. En el caso de muchas reacciones, como las que se efectúan en disolución, es fácil controlar la presión para poder medir ∆H directamente. Si impide perfectamente la transferencia de calor entre la disolución y su entorno, el calor ganado por la disolución deberá ser producto de la reacción química estudiada. Calorímetro a volumen constante: este dispositivo nos permite medir el calor de combustión de las sustancias. Es un recipiente de acero inoxidable sellado herméticamente, de paredes gruesas, aislado térmicamente de sus alrededores. La sustancia que se investiga se coloca dentro del recipiente. -Un calorímetro con volumen constante mide el cambio en la energía interna. -Un calorímetro con presión constante mide el cambio en la energía. 4. ¿Qué es la constante de un calorímetro? ¿Para que se usa? ¿Cómo se determina? Se denomina constante del calorímetro a la cantidad de calor absorbida o liberada por el calorímetro para

elevar o disminuir su temperatura en 1° C. Esta energía térmica es la necesaria para calentar o enfriar el recipiente calorimétrico, el termómetro y el agitador. Hay que tener en cuenta en la realización de las experiencias que las medidas deben hacerse con un volumen de líquido constante, pues si éste varía, cambiará la constante del calorímetro. Para determinar la constante del calorímetro, se mide la variación de temperatura experimentada por el mismo al producirse un proceso que intercambie una cantidad de calor conocida. Se usa para determinar el calor de una reacción en solución a presión constante (atmosférica). Qk = -(Q cedido+ Q absorbido) K=Qk∆T agua fria 5. ¿Qué es el equivalente mecánico del calor?La cantidad de calor correspondiente a una cantidad dada de energía cinética (movimiento) o potencial (elevación o descenso de un cuerpo) es llamada equivalente mecánico del calor (relación entre calorías y julios). El experimento de Joule e infinidad de experimentos realizados posteriormente indican que hace falta aproximadamente 4,18 unidades de trabajo mecánico o Julios para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 ºC. Una vez establecida la equivalencia experimental entre energía y calor, se puede describir la experiencia de Joule como la determinación del valor de la caloría en unidades normales de energía. Este resultado nos dice que 4.18 J de energía mecánica son equivalente a 1 caloría de energía térmica, y se conoce como equivalente mecánico del calor.