Práctica Calor Específico

Física Experimental I
Instituto de Física – Facultad de Ingeniería
FÍSICA EXPERIMENTAL I
PRÁCTICA 5
MEDICIÓN DEL CALOR ESPECÍFICO DE UN SÓLIDO Y
DEL CALOR LATENTE DE FUSIÓN DEL AGUA
Objetivo
Estudio de la transferencia de energía en forma de calor. Medición del calor especifico de
diferentes metales y del calor latente de fusión del agua.
Fundamento teórico
Cuando dos sistemas a diferentes temperaturas se ponen en contacto térmico, se transfiere
energía en forma de calor del sistema más caliente al más frío, hasta llegar a una temperatura
de equilibrio. De acuerdo con la ley de conservación de la energía, la energía Q perdida por el
cuerpo a temperatura mayor se traspasa al cuerpo a temperatura menor:
Q frio  Qcaliente
(1)
La ecuación 1 es válida si no hay intercambio de calor con el ambiente externo y si ninguno
de los materiales cambia de fase.
El calor Q necesario para generar un cambio de temperatura T en un material de masa m, es
dado por la expresión:
Q  mcT
(2)
El calor específico c de una sustancia es la cantidad de calor requerida para aumentar la
temperatura de un gramo de la sustancia en un grado Celsius.
El calor específico es entonces una medida de la eficiencia con la cual una sustancia puede
guardar energía térmica. Cuanto mayor es el calor específico de un material, mayor es la
cantidad de energía que hay que entregar para cambiar su temperatura.
Durante un proceso de mezcla, cuando uno de los cuerpos experimenta una transición de fase,
la expresión 2 no es aplicable. En un cambio de fase, el cuerpo varía su energía interna sin
variar su temperatura. Este calor se denomina calor latente. En el caso de un cambio de fase
de sólido a líquido, se denomina calor latente de fusión, y se define como la cantidad de calor
necesaria para cambiar un gramo de sustancia de sólido a líquido sin cambio de temperatura.
El calor necesario para fundir una masa m de una sustancia de calor latente de fusión Lf vale:
Q  mL f
(3)
La siguiente tabla muestra los valores del calor específico y del calor latente de fusión para
algunos materiales.
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Calor específico
Calor latente de fusión
(cal/g °C) (J/kg K)
(cal/g)
(J/kg)
0.215
900
94.5
3.96x105
0.092
385
49.0
2.05x105
0.107
448
63.7
2.67x105
0.240
1006
N/A
N/A
1.000
4190
N/A
N/A
0.500
2095
79.7
3.34x105
Material
Aluminio
Bronce
Hierro
Aire
Agua
Hielo
Procedimiento experimental
Parte 1: medida del calor específico de sólidos
En este experimento, a través del proceso de intercambio de calor entre cuerpos sólidos y
agua, se determinará el calor específico de algunos metales. Una muestra metálica caliente
será sumergida en agua fría contenida en un calorímetro, que permite aislar el experimento del
ambiente externo.
Demuestre que, si se conserva la energía y se desprecia la absorción de calor por parte del
calorímetro, vale la siguiente ecuación:
mmetal  cmetal  ( Tin metal  T finequilibrio )  magua  c agua  ( T finequilibrio  Tin agua )
(4)
Deduzca como se modifica la expresión 4 al no despreciar el calor específico del calorímetro.
Escriba la expresión 4 de la forma
T fin equilibrio  a  b  Tin  metal .
Materiales
- baño térmico
- calorímetro
- diferentes muestras metálicas (Cu, Fe, Al)
- agitador
- termómetros de alcohol
- termistores
- multímetro
- balanza
Descripción de la experiencia
Medir con la balanza la masa de las muestras metálicas y del calorímetro vacío.
Colocar la muestra metálica en el baño térmico hasta que la misma esté en equilibrio a la
temperatura T inicial del baño.
Llenar el calorímetro con agua fría y pesarlo para determinar la masa de agua que contiene
(usar unos 300 ml de H2O).
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Medir la temperatura inicial del agua fría, retirar la muestra metálica del baño térmico y
sumergirla completamente en el agua fría. Cuidado para no quemarse al manipular el metal
caliente.
Evitar que la muestra y el sensor de temperatura toquen las paredes o el fondo del calorímetro
(para esto se puede suspender la muestra con un hilo).
Mezcle el agua lentamente y mida la variación de la temperatura del agua con el tiempo, hasta
llegar a la temperatura de equilibrio.
Calcular el calor específico de la muestra metálica con su incertidumbre.
Repetir las medidas con diferentes temperaturas iniciales de la muestra metálica (es
aconsejable hacer las medidas secuencialmente de forma que la temperatura siempre
aumente). Graficar la temperatura final del sistema agua-metal en función de la temperatura
inicial del metal. Aplicando el método de los mínimos cuadrados a los resultados obtenidos
(con el auxilio de Matlab), determinar el calor específico del metal con su incertidumbre.
Es importante repetir las medidas siempre en la mismas condiciones experimentales: misma
temperatura inicial y masa del agua (se sugiere guardar en un contenedor grande el agua que
se usará en cada medida).
Repetir las medidas con muestras de diferentes metales.
Opcional: repetir las medidas con diferentes masas de agua.
Análisis de datos y discusiones
Comparar los resultados obtenidos con los valores tabulados de calores específicos de
diferentes materiales.
En la descripción del experimento no se ha tenido en cuenta la absorción de calor por parte
del calorímetro. Discutir las consecuencias que surgen de no considerar el calorímetro como
participante del intercambio de calor.
Discutir cómo varía el tiempo que demora el sistema agua-metal en llegar a la temperatura de
equilibrio en función del valor del calor específico y de la temperatura inicial de la muestra.
Discutir las diferencias entre determinar el calor específico variando la temperatura inicial del
metal o variando la masa del agua.
Parte 2: medida del calor latente de fusión del agua
El objetivo del experimento es medir el calor latente de fusión del hielo. Se sumergirán
algunos cubos de hielo en agua a temperatura constante.
Aplicando la ley de conservación de la energía, deducir la expresión (despreciando la
contribución del contenedor del agua y asumiendo que la temperatura inicial del hielo es
cero):
m agua  c agua  ( Tin agua  T fin equilibrio )  mhielo Lhielo  m hielo  c agua  ( Thielo  T fin equilibrio )
Determine experimentalmente el calor latente de fusión con su incertidumbre.
Discutir los resultados.
(5)
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Opcional: repetir el experimento al variar la temperatura inicial del baño térmico, la masa de
agua, la masa del hielo. Discutir los resultados.
Bibliografía
-
Física, Resnick-Halliday-Krane.
Física re- Creativa, S. Gil y E. Rodríguez.
Pagina WEB: http://phoenix.phys.clemson.edu/labs