Informe Practica Calor Especifico de los Solidos

ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL
INSTITUTO DE CIENCIAS FISICAS
INFORME DE LABORATORIO DE FISICA B
Profesor:
Ing. Carlos Alberto Martínez B.
Título de Practica:
Calor Especifico de los Solidos
Nombre:
Juan Xavier Galarza Cuadros
Grupo de Trabajo:
Daniela Zambrano
Bryan Puero
Juan Galarza
Fecha de entrega:
Viernes 09, Noviembre, 2012
Paralelo:
9
Año Electivo:
2012 – 2013 II Termino
Resumen:
En esta práctica realizamos un experimento muy interesante en el cual nos
ayudara en la determinación del calor especifico de un desconocido material
que más adelante descubriremos que correspondía al Hierro. Con la ayuda de
un calentador eléctrico insertábamos el material previamente pesado con 50gr
que hasta ese momento no era conocido, y dejábamos que se eleve su
temperatura mientras más alta sea esta mejor; en nuestro caso alcanzamos los
85ºC; para luego insertarla en un calorímetro. Los datos que conseguíamos
eran datos con valores muy pequeños en los que pudimos notar q una o dos
centésimas realizaban un cambio muy importante en nuestro resultado;
entonces aquí podemos notar la importancia de realizar correctamente las
mediciones al igual que en todas las practicas.
(English…)
In this practice we made a very interesting experiment which will help us in
determining the specific heat of an unknown material that later discover that
corresponded to iron. With the help of an electric heater we put in the material
previously weighed 50g which hitherto was not known, and left it to rise its
temperature the higher is better, in our case we reach 85 ° C, and then insert it
into a calorimeter. The data that we got were very small data values in which we
could see one or two hundredths q performing a very important change in our
result, then here we can see the importance of correct measurements as in all
practices.
Objetivos:
-
Calcular experimentalmente el calor especifico
desconocido mediante el método de las mezclas..
de
un
cuerpo
Introducción:
El calor es la transferencia de energía térmica desde un sistema a otro de
menor temperatura. La energía térmica puede ser generada por reacciones
químicas (como en la combustión), reacciones nucleares (como en la fusión
nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen lugar en el interior del Sol),
disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o por
disipación mecánica (fricción). Su concepto está ligado al Principio Cero de la
Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía
hasta que su temperatura se equilibre.
La temperatura es una propiedad que tienen los cuerpos, para determinar si
están o no en equilibrio térmico con otros. Los instrumentos diseñados para
medir la temperatura se los conoce con el nombre de "termómetros*. Para
elevar la temperatura de un cuerpo se le debe añadir calor y la cantidad de
calor (𝑄) requerida es proporcional a la masa m del cuerpo y a la elevación de
la temperatura ∆𝑇.
𝑄  𝑚
𝑄  (𝑇2 – 𝑇1 ) ó  𝑇
Para convertir ésta expresión en una ecuación, introducimos el valor de la
constante c.
𝑄 = 𝑚𝑐  𝑇
Esta constante c, es una constante de proporcionalidad y se la denomina
"CALOR ESPECÍFICO". Se define como calor específico de una sustancia a la
cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado Celsius la temperatura
de 1 g de dicha sustancia.
Puesto que el calor es una forma de energía, se podría expresar esta energía
en el sistema de unidades métrico, y también en el sistema de unidades
británico.
𝑆𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜
𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑎𝑠
𝑔. °𝐶
𝑆𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑏𝑟𝑖𝑡á𝑛𝑖𝑐𝑜
𝐵𝑡𝑢
𝑙𝑖𝑏. ° 𝐹
Medición del calor específico de un sólido (Procedimiento Guía de
Laboratorio de Física B)
Cuando dos o más cuerpos que tienen distintas temperaturas se ponen en
contacto térmico se observa que, al cabo de cierto tiempo, todos ellos tienen la
misma temperatura.
Uno de los métodos para determinar el calor específico de un cuerpo, es el
método de las mezclas. Para ello pondremos dos cuerpos A y B en contacto
térmico en el interior de un calorímetro aislado térmicamente del medio exterior.
A
B
Al no existir, o ser muy pequeño el intercambio de calor con el medio exterior a
través de las paredes del calorímetro, la cantidad de calor cedida por el cuerpo
más caliente será igual a la absorbida por el cuerpo de menor temperatura.
La ecuación correspondiente será:
Q1  Q2
O también:
Q1  Q2  0.
En donde se han tenido en cuenta el signo de las cantidades de calor, positivas
cuando son absorbidas y negativas cuando son cedidas por un cuerpo.
Cuando se ponen en contacto térmico varios cuerpos y solo puede intercambiar
calor entre ellos y no con el medio exterior, la ecuación correspondiente seria:
Generalizando, se tiene la ley de conservación de la energía para el calor:
En un sistema cerrado, la suma algebraica de las cantidades de calor
intercambiadas entre los cuerpos que forman un sistema es igual a cero.
N  n º de cuerpos

i 1
Qi  Q1  Q2  ......... Qn  0
Donde, el subíndice 1 hace referencia al cuerpo frío y el subíndice 2 al caliente.
La temperatura en el equilibrio será superior a e inferior a .
La anterior ecuación indica que si se conocen los valores del calor específico,
midiendo temperaturas y masas, es posible determinar cantidades de calor.
Para nuestro caso, como tenemos al calorímetro, al agua y a nuestro solido
desconocido, planteamos la ecuación de la ley de conservación de la energía
para el calor.
𝑄1 + 𝑄2 + 𝑄3 = 0
𝑚𝐻2 𝑂 𝑐𝐻2 𝑂 (𝑇𝐸 − 𝑇𝐴𝑚𝑏. ) + 𝑚𝐶𝑎𝑙 𝑐𝐴𝑙. (𝑇𝐸 − 𝑇𝐴𝑚𝑏. ) + 𝑐𝑠𝑢𝑠𝑡. 𝑚𝑠𝑢𝑠𝑡. (𝑇𝐸 − 𝑇𝑠𝑢𝑠𝑡. ) = 0
Despejando la ecuación hallamos el Calor específico del cuerpo desconocido.
𝑐𝑠𝑢𝑠𝑡. =
(𝑚𝐻2 𝑂 𝑐𝐻2 𝑂 +𝑚𝐶𝑎𝑙 𝑐𝐴𝑙. )(𝑇𝐸 −𝑇𝐴𝑚𝑏. )
𝑚𝑠𝑢𝑠𝑡. (𝑇𝑠𝑢𝑠𝑡. −𝑇𝐸 )
(ECUACIÓN 1)
El aparato que se utiliza para ello se denomina
Calorímetro. Un calorímetro es un sistema formado por
dos vasos de paredes plateadas, separados por una capa de aire. El vaso
mayor lleva una tapa de madera con dos perforaciones: una para insertar un
termómetro y otra para dejar pasar un agitador. El aire y la madera son malos
conductores del calor (buenos aislantes), mientras que la radiación es reflejada
por las paredes especulares de los dos recipientes. Así queda térmicamente
aislado el vaso interior y aquello que en él se coloque. Este aparato es muy
utilizado en el cálculo de calores específicos de algunos materiales. El material
a cierta temperatura es introducido al calorímetro el cual contiene un líquido
calorimétrico, que es generalmente agua. Cuando un cuerpo a diferente
temperatura que la del agua se sumerge en ella y se cierra el calorímetro, se
produce una cesión de calor entre ambos hasta que se alcanza el equilibrio
térmico. El termómetro permite leer las temperaturas inicial y final del agua y
con un ligero movimiento del agitador se consigue una temperatura uniforme.
Conociendo el calor específico y la masa del agua utilizada, mediante la
ecuación calorimétrica se puede determinar la cantidad de calor cedida o
absorbida por el agua.
Se utilizó un termómetro de mercurio para medir las diferentes temperaturas,
fabricaron aprovechando el fenómeno de la dilatación, por lo que se prefería el
uso de materiales con elevado coeficiente de dilatación, de modo que, al
aumentar la temperatura, su estiramiento era fácilmente visible. El metal base
que se utilizaba en este tipo de termómetros ha sido el mercurio, encerrado en
un tubo de vidrio que incorporaba una escala graduada.
También un generador de vapor, el cual mediante un calentador, procede a
elevar la temperatura del liquido que en este caso fue agua, y al momento de
llegar al punto de ebullición del mismo, pasa el vapor por un conducto que va
hasta donde está el cuerpo desconocido, elevando la temperatura del mismo.
Para realizar la práctica correctamente colocamos todos los materiales de la
manera en que la expresa el grafico siguiente:
Procedimiento Experimental:
Una vez explicada la parte teórica, procedimos a realizar las experiencias en el
Laboratorio.
Lo primero que se debe de hacer en este experimento es tomar ciertas
mediciones las cuales nos serán de utilidad al momento de realizar los
cálculos.
Se midió 50g de muestra del cuerpo desconocido, el cual se lo colocó en el
receptor metálico de la estructura usada.
Se calentó agua en el generador de vapor, haciendo que el vapor de agua pase
a través de una manguera, hacia el receptor metálico, esperamos a que
alcance una temperatura cercana a 100℃. Para realizar una buena práctica
esperamos a una temperatura mayor o igual a 85℃.
Mientras se calienta el generador de vapor, en el calorímetro se vertió 50𝑐𝑐 de
agua medidos con una probeta, lo cual equivale a 50𝑔.
Cuando la muestra ya está caliente, con ayuda del embudo se depositó la
muestra en el calorímetro, agitamos un poco el calorímetro y esperamos hasta
que haya un equilibrio térmico.
Con ayuda del termómetro se midió la temperatura de equilibrio 𝑇𝐸 .
Con aquellos datos, se procedió a llenar la tabla experimental.
Con dicha tabla llena y teniendo todo los valores necesarios, aplicamos la
Ecuación 1 despejada anteriormente y calculamos experimentalmente el calor
latente de dicho solido desconocido.
Aplicamos los cálculos y con los resultados obtenidos calculamos el porcentaje
de error de la práctica.
Resultados:
Agua
Calorimetro
Sustancia
Masa
50.0 ± 0.1 gr
200.0 ± 0.1 gr
50.0 ± 0.1 gr
Calor Especifico
1 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔𝑟 º𝐶
0.2 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔𝑟 º𝐶
0.1241 𝑐𝑎𝑙⁄𝑔𝑟 º𝐶
23.5 ± 0.5 ºC
23.5 ± 0.5 ºC
85.0 ± 0.5 ºC
27.0 ± 0.5 ºC
27.0 ± 0.5 ºC
27.0 ± 0.5 ºC
Temperatura
Inicial
Temperatura
Final
Determinar el valor del Calor especifico de la sustancia experimental.
𝑐𝑠𝑢𝑠𝑡. =
(𝑚𝐻2 𝑂 𝑐𝐻2 𝑂 + 𝑚𝐶𝑎𝑙 𝑐𝐴𝑙. )(𝑇𝐸 − 𝑇𝐴𝑚𝑏. )
𝑚𝑠𝑢𝑠𝑡. (𝑇𝑠𝑢𝑠𝑡. − 𝑇𝐸 )
𝑐𝑠𝑢𝑠𝑡. =
(50𝑥1 + 200𝑥0.2 )(27 − 23.5)
50(85 − 27)
𝑐𝑠𝑢𝑠𝑡. =
(50 + 40)(3.5)
50(58)
𝑐𝑠𝑢𝑠𝑡. =
(90)(3.5)
2900
𝑐𝑠𝑢𝑠𝑡. =
315
2900
𝑐𝑠𝑢𝑠𝑡. = 0.1086
𝑚𝐻2 𝑂 𝑐𝐻2 𝑂 + 𝑚𝐶𝑎𝑙 𝑐𝐴𝑙. = 𝑎
𝑇𝐸 − 𝑇𝐴𝑚𝑏. = ∆𝑇
𝑚𝑠𝑢𝑠𝑡.
a=(90.0 ± 0.1) 𝑐𝑎𝑙⁄º𝐶
∆𝑇1 = (3.5 ± 1.0) ºC
∆𝑇2 = (58.0 ± 1.0) ºC
0.12
1
1
0.1
𝛿𝑐𝑠𝑢𝑠𝑡. = 0.1086(
+
+
+
)
90
3.5 58
50
𝛿𝑐𝑠𝑢𝑠𝑡. = 0.1086(0.001333 + 0.2857 + 0.0172 + 0.002)
𝛿𝑐𝑠𝑢𝑠𝑡. = 0.1086(0.306233)
𝛿𝑐𝑠𝑢𝑠𝑡. = 0.03326
𝒄𝒔𝒖𝒔𝒕. = (0.1086 ± 0.03)𝒄𝒂𝒍⁄𝒈𝒓 º𝑪
Diferencia Relativa:
Valor teórico del calor especifico del hierro: 0.113
𝑉 − 𝑉𝐸
𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = | 𝑇
| 𝑥100
𝑉𝑇
0.113 − 0.1086
| 𝑥100
0.113
𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = |
0.0044
| 𝑥100
0.113
𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = |
𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = |0.03894|𝑥100
𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 =
3.89 %
Imagen del equipo ensamblado y listo para realizar la pratica
Discusión:
A lo largo de esta practica no es muy difícil notar la lo ya antes dicho, la
importancia de las mediciones y el proceso tomar correctamente todas las
mediciones.
En el experimento realizado podemos notar que hemos obtenido un error
relativo del 3.5% el cual se encuentra dentro del rango aceptable de las
prácticas de laboratorio, y considerado como excelente.
Este aceptable error se debe a la precisión que tuvimos los experimentadores
al momento de pesar la muestra y de seleccionarla ya que esta se encontraba
de contaminada con otros metales, nosotros para poder obtener pura la
muestra la obtuvimos con un imán ya que de esta manera el hierro era atraído
por magnetismo así mismo de usar los termómetros y de traer el agua; -estos
equipos eran de poca precisión-; Es importante tomar en cuenta que al
momento de transportar la mezcla al calorímetro y de agitarla se pierde una
parte de energía con el aire es por eso que la temperatura que tomamos es la
máxima q nos marca el termómetro ya que después empieza a disminuir, y
hemos notado el éxito en la práctica.
Para obtener estos resultados, tuvimos que aplicar diferentes conceptos ya
aprendidos en nuestras clases teóricas, tales como las fórmulas de calorimetría
y conservación de la energía con las que obtuvimos los valores respectivos del
calor especifico.
En la clase de laboratorio después de aplicar los conceptos ya aprendido
encontramos el valor requerido; que de acuerdo a nuestro resultado el material
que utilizamos fue una varilla de HIERRO, ya que el valor q obtuvimos es
cercano al teórico de este mismo.
Conclusiones:
En base al desarrollo de la práctica y al resultado de la misma, podemos
concluir lo siguiente:
- Obtuvimos el valor correspondiente del calor especifico del
correspondiente material, que al final resultó ser el Hierro.
- Pudimos observar, analizar y usar la ley de la termodinámica y
conservación de la energia y las diferentes ecuaciones aprendidas en
las clases teóricas, para los cálculos respectivos.
- Cumplimos con los objetivos de la practica
- Podemos decir hemos realizado una práctica exitosa ya que obtuvimos
resultados con errores aceptables.
Bibliografía:
Guía de Laboratorio de Física B, ESPOL, 2012