Energía calorífica 3

FICHA nº
CURSO: 4º ESO
MATERIA: Calorimetría. Aprovechamiento de la E.Calorífica FECHA:
ALUMNO/A:
NOTA:
1. Calorimetría
Es la parte de la física que estudia la forma de medir el calor transferido entre
los sistemas. Esta medida se hace con un calorímetro(fig.1) que es un
instrumento que permite la transferencia de calor entre sistema y alrededores
tomado como un entorno único aislado del exterior. Se basa en que dos
sustancias (sistema y alrededores) con diferentes temperaturas, alcanzan al
cabo de determinado tiempo el equilibrio térmico. De tal forma que el calor
transferido por el cuerpo a mayor temperatura (Qc) es recibido por la
sustancia a menor temperatura (Qa), si se impide cualquier pérdida o se
evalúan éstas conociendo la capacidad calorífica del calorímetro. Si la
temperatura de equilibrio es tf, y la del sistema t2 y alrededores t1, tal que t2>t1
como se aprecia en la afig1, se cumplirá que:
Qc=m2Ce2(t2-tf) = Qa = m1Ce1(tf-t1)
Así, si se conocen las masas y se miden las temperaturas, se podrá determinar
un calor específico de una de ellas si se conoce el de la otra. Un tipo de
calorímetro, especialmente hermético se denomina bomba calorimétrica.
Fig.1
2. Determinación del calor específico de una tuerca (para hacer en el laboratorio)
El objetivo de la práctica será la determinación del calor específico de una tuerca formada
por una aleación de hierro y carbono, por el método de las mezclas puesto en práctica por
Fig.2
Lavoisier y Laplace a finales del XVIII. De esa forma a partir del calor que puede ceder,
cuando está a t2 (tª elevada, hasta el punto de ebullición del agua), a una determinada masa
de agua a la temperatura ambiente ( t1), hasta alcanzar la temperatura final tf.
Q absorbido por el agua = m(agua). Ce agua (tf-t1), con el Q cedido por la tuerca,
Qc=m(tuerca). Ce(tuerca). (t2-tf) relacionando el calor absorbido por el agua, con la masa
de las tuercas y su diferencia de temperaturas; dicha relación será el calor específico de las
tuercas. C específico de tuerca = m (agua). C específico del agua.(tf-t1) / m (tuerca). (t2-tf)
Tomando datos con diferentes masas de tuercas, se puede realizar la gráfica, disponiendo
en el eje Y los valores del calor absorbido por el agua, y en el eje X los de masa (tuercas).
(t2-tf). La pendiente será el calor específico pedido.
Realización
Un alumno(A) medirá en la probeta 100/200ml de agua,(m1 = 0,100/0,200kg) disponiéndolos en el vaso de precipitados
interior, introducirá la sonda midiendo y apuntando la temperatura t1 ,después otro (B) irá por orden (1,2,3 ....14), hasta la
mesa del profesor, donde se encuentra el sistema a mayor temperatura t2 (que indicará el profesor), tomando las tuercas por
el cordelito, introduciéndolas rápidamente en el vaso interior del calorímetro, agitando con la varilla , y tomando la
temperatura final ( tf ) en un tiempo entre medio y minuto y medio según el número de tuercas.
Se tabulan los datos, teniendo en cuenta que ce=4180 J/kg
Tuercas
2
6
8
10
12
14
16
18
20
22
1
2
m/kg t1/ºC
0,0094
0,0283
0,0374
0,0471
0,0563
0,0652
0,0751
0,0851
0,0931
0,102
3
tF/ºC
4
tF-t1/ºC
5
6
m1ce(tF-t1) t2-tF/ºC
7
m2(t2-tF)
Se representa la columna 5 frente a la 7. La pendiente de la recta será
el calor específico
3. Aplicación del método de las mezclas. Fórmulas y método:
Si un sistema aumenta o disminuye su temperatura: Q= m ce )t
Si un sistema toma o desprende energía para cambiar de estado
Q=m8- El calor absorbido o desprendido tomará ambas fórmulas si lo
precisa. En el equilibrio Qa=Qd conviene marcar todos los pasos y
emplear las gráficas q/t. Así si se mezcla m1 de hielo a -15ºC, con m2
de agua a 80ºC, la temperatura de la mezcla será gráficamente tf, y su
plateo gráfico el de la fig. 3
FICHA nº
CURSO: 4º ESO
MATERIA: Calorimetría. Aprovechamiento de la E.Calorífica FECHA:
ALUMNO/A:
NOTA:
Ejemplo
Dispones de 100g de agua (ce=4180 J/ºC.kg) a 35ºC, y le echas un
cubito de hielo (ce=2060J/ºC.kg) de 10 g, recién sacado del
congelador a -10ºC. Si 8F=330.000J/kg ¿Cuál será la temperatura final
de la mezcla?
Sistema a temperatura alta = 100g de agua a 35º
Cede Qc= 0,1 kg. 4180 J/ºC kg (35- tf)ºC=14630J – 418tf
Sistema a temperatura baja= 10g de hielo a -10ºC
Absorbe calor para subir hasta hielo a 0ºC = 0,010kg. 2060J/ºCkg. 10ºC=206J
Absorbe calor para fundirse = 0,010kg. 330.000 J/kg=3300J
Absorbe calor para calentarse hasta la tf = 0,010kg.4180J/kgºC(tf-0)=41,8tf.
Al igualar
Qc = Qa ,
14630J – 418tf J/ºC= 206J+3300J+41,8tf J/ºC ; tf = 11124/459,8 =24,2ºC
ACTIVIDAD 1
Determina la temperatura final de la mezcla:
100g de hielo a -5ºC y 200g de agua a 50ºC
toma los datos del ejemplo
ACTIVIDAD 2
Si a 100g de café con leche a 20ºC, en una cafetería se le agrega 5g de vapor de agua a
100ºC, ¿Cuál será la temperatura final de la mezcla?. Toma el café con leche como si fuera
agua. Calor de vaporización del agua = 2250 kJ/kg.
ACTIVIDAD 3
Cuántos gramos e vapor de agua, habrá que introducir en 80g de café a 15ºC, para la
mezcla alcance los 30ºC
ACTIVIDAD 4
Pides en una cafetería un café cortado. Primero sirven 50cc de una taza de café sólo a 20ºC, la pasan por el vaporizador de
agua a 100ºC, echando 1g de vapor, y luego le echas un chorrito de leche (10g) caliente a 50º .Identifica el sistema a mayor
temperatura, y el sistema a menor temperatura. Identifica el calor cedido y el calor absorbido. Cuál será la temperatura final del
café cortado?. Densidad de la disolución de café= 1g/cm3. Calor específico de las disoluciones=4180 J/kg ºC. Calor de
vaporización del agua 2250 kJ/kg.