ASIGNATURA GRADO CENTRO PRÁCTICA TERMODINÁMICA TÉCNICA GRADO DE INGENIERÍA MECÁNICA (GIM) EPSA CÁLCULO DEL CALOR ESPECÍFICO DE UN SÓLIDO (Cesp) ALUMNO: GRUPO: En todo momento se mantendrá la distancia interpersonal y el resto de normas de prevención contra el COVID-19. Para la realización de la práctica los alumnos vendrán con este guion impreso y con el material necesario para dibujar las gráficas y para la realización de los cálculos. Objetivos Al acabar la práctica el alumno debe ser capaz de: 1. Definir el calor específico de una sustancia 2. Conocer el significado físico de un alto y bajo calor específico 3. Calcular el calor específico de un sólido mediante una metodología sencilla Fundamentos Cuando varios cuerpos a diferentes temperaturas se encuentran en un recinto adiabático se producen intercambios caloríficos entre ellos alcanzándose la temperatura de equilibrio al cabo de cierto tiempo. Cuando se ha alcanzado este equilibrio se debe cumplir que la suma de las cantidades de calor intercambiadas es cero. Si un cilindro de aluminio (que tomamos como ejemplo) se encuentra a una temperatura TAl y se introduce en agua (por ejemplo) que se encuentra a otra temperatura menor TH2O, se produce el paso de energía en forma de calor desde el aluminio al agua hasta que la temperatura de ambos se iguala, siendo la temperatura final de conjunto Tfinal intermedio entre TAl y TH2O. Se dice que el conjunto ha llegado al equilibrio térmico. 1 un valor La cantidad de calor intercambiada Qint viene dada por la expresión: =c ∙m ∙ T −T 1 donde: = = ! ! " í$ ! % ! Se define calor específico c como la cantidad de calor que hay que proporcionar a una masa definida de sustancia para que eleve su temperatura en un grado centígrado. En el caso particular del agua c vale 1 cal / (g ºC) ó 4186 J / (kg ºC). Nótese la posibilidad de expresar la temperatura en grados centígrados o en grados Kelvin debido a que se trabaja con diferencias. La misma cantidad de calor intercambiada la ha recibido el agua, y se puede expresar de un modo análogo a la ecuación (1), es decir: = c&'( ∙ m&'( ∙ T&'( − T 2 Si se emplean las expresiones (1) y (2) y se tiene en cuenta el criterio de signos (positivo para la absorción de calor y negativo para la cesión de éste) se puede calcular el calor específico del aluminio, o de cualquier otro material que se hubiera sumergido en el agua. Es necesario realizar tres aproximaciones para realizar los cálculos: 1. El calorímetro no absorbe calor ( o su valor se conoce) 2. La densidad del agua permanece constante 3. Los calores específicos calculados permanecen constantes 2 Material • Calorímetro • Balanza • Baño termostático • Termómetros • Probeta • Piezas de metal a estudio • Agua Procedimiento Se dispone de un calorímetro didáctico que sirve como reactor adiabático, donde se realizan los ensayos que se describen a continuación: Un alumno se encargará de cada uno de los equipos mientras el resto de componentes del equipo se mantienen sentados en su sitio manteniendo en todo momento la distancia de seguridad. • • • • • Se rellena el calorímetro con 500 mL de agua Se toma su temperatura y se anota (se supone que será la temperatura ambiente) Se introduce en el calorímetro la pieza de metal que previamente estaba en un baño termostático a unos 60 ºC con cuidado de que no se enfríe en el proceso Se tapa el calorímetro y se introduce la sonda o termómetro con cuidado de que moje el agua del interior Se observa el ascenso de temperatura del agua hasta que alcance un valor máximo estable y se anota el valor (unos 2 minutos) *El procedimiento se repetirá con todos los materiales que se quieran estudiar; el aluminio y los plomos de pesca. Experimento 1 Masa agua Masa aluminio Ti agua Ti aluminio Tf conjunto Experimento 2 Masa agua Masa plomos Ti agua Ti plomos Tf conjunto 3 Cálculos Cada alumno se mantendrá sentado en su sitio manteniendo en todo momento la distancia de seguridad. Es evidente que el agua se ha calentado al absorber el calor que desprendía la pieza metálica hasta alcanzar el equilibrio térmico. Este equilibrio se puede expresar como: −Q +,-.-/ = Q −m345 ∙ c345 donde: = = ! ∆T = ; 9: " í$ ! ó = " =% 01/20.-/ ∙ ∆T = m $ 78 ∙c 78 ∙ ∆T ! Conocida la masa del metal, la masa del agua, la capacidad calorífica del agua, la temperatura inicial del metal, la inicial del agua y la final del conjunto pueden calcular la capacidad calorífica del metal. Puesto que el calorímetro absorbe una cantidad de calor no despreciable, se sumará un grado a la temperatura final de equilibrio. Cuestiones • ¿Cuál ha sido el valor del calor específico calculado para el Aluminio? ¿Se corresponde con el valor dado en la tabla que se adjunta al final? ¿A qué se deben las posibles diferencias? • ¿Cuál ha sido el valor del calor específico calculado para los plomos de pesca? ¿Se corresponde con el valor dado en la tabla que se adjunta al final? ¿A qué se deben las posibles diferencias? • Según los valores de la tabla final, ¿sabrías predecir qué compuestos o materiales son adecuados para el intercambio de calor y cuáles para el aislamiento térmico? 4 5