Laboratorio Termodinámica Equivalente en agua de un calorímetro y Calor Específico de una muestra. 3 3-1 MATERIALES OBJETIVOS Laboratorio Calcular la capacidad calorífica y calor específico del calorímetro. Comprobar la influencia del recipiente en los intercambios caloríficos entre cuerpos contenidos en él Calcular el calor especifico de tres materiales desconocidos Identificar el material de los sólidos de acuerdo con el valor del calor especifico Determinar el error porcentual del calor específico de cada uno de Calorímetro Agua Termómetro – Interfaz 3 Solidos (Materiales desconocidos) Plancha de calefacción Vaso de precipitado Balanza agitador los materiales. PROCEDIMIENTO Este guía de laboratorio dará la forma de hallar el equivalente en agua de un calorímetro con el fin de determinar el calor específico del calorímetro y en seguida el calor específico de tres solidos desconocidos. 1. Equivalente en agua de un calorímetro MARCO TEORICO Cuando dos cuerpos A y B a diferentes temperaturas se ponen en contacto térmico, pasado un tiempo, alcanzan la condición de equilibrio en la que ambos cuerpos experimentan la misma temperatura. La cantidad de calor Q se transfiere siempre desde el sistema de mayor temperatura al sistema de menor temperatura. La cantidad de calor transferida es proporcional al cambio de temperatura T. La constante de proporcionalidad C se denomina capacidad calorífica del sistema. Q CT La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. En una forma más rigurosa, es la energía necesaria para aumentar la temperatura de una determinada sustancia en una unidad de temperatura, se define como C mc. La cantidad de calor de una sustancia requerida para cambiar su temperatura está dada por: Q mc ( Tf T) Laboratorio Termodinámica Equivalente en agua de un calorímetro y Calor Específico de una muestra. Laboratorio 3 3-1 Donde Tf es la temperatura final, Ti es la temperatura inicial y c el calor especifíco para aislar los materiales que serán puestos en contacto térmico. Partiendo de un análisis de las transferencias de energía en forma de calor que se presentan dentro del calorímetro, podremos determinar el calor específico. En calorimetría se utiliza el calorímetro, que es un recipiente construido de tal forma que impide la conducción de calor a su través. En la mayoría de los casos suele tener dobles paredes entre las que se ha hecho el vacío o lleva un material aislante térmico, que impide o minimiza la conducción de calor, y por ello conserva muy bien la temperatura de los cuerpos que se encuentran dentro. En su tapadera llevan dos orificios, uno para introducir el termómetro y el otro para el agitador, (Figura1). El producto de la masa del calorímetro por su calor específico, es su capacidad calorífica, que denominaremos CK. Como el calor especifico del agua es 1cal/ ºC gr, esto equivale a considerar una masa de K gramos de agua, que absorbería (o cedería) la misma cantidad de calor que el calorímetro, para la misma variación de temperatura. Por eso a K se le llama equivalente en agua del calorímetro. El valor de CK se refiere tanto al recipiente como a sus accesorios; el termómetro y el agitador. Si dentro del calorímetro tenemos una masa de agua M1 a la temperatura T1, y la mezclamos con otra masa de agua M2 a la temperatura T2, una vez alcanzado el equilibrio térmico, el conjunto se encontrará a la temperatura de equilibrio T. Si Ck es el equivalente en agua del calorímetro y T2 < T < T1, el balance energético es: −(𝑄𝑘 + 𝑄𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 ) = 𝑄𝑓𝑟𝑖𝑎 QPerdido QGanado Entonces Ck T M1c1T M 2c2T Ck (T1 T ) M1c1 (T T1 ) M 2c2 (T T2 ) (T1 T )(Ck M1c1 ) M 2c2 (T T2 ) Ck M 1c1 Despejando 𝐶𝑘 M 2c2 (T T2 ) (T1 T ) (1) Laboratorio Termodinámica Equivalente en agua de un calorímetro y Calor Específico de una muestra. Laboratorio 3 3-1 M 2c2 (T T2 ) M 1c1 (2) (T1 T ) siendo el c2 calor específico del agua fría y c1 color especifico agua caliente. (ver valores en la Ck tabla 1). Partiendo de un análisis de las transferencias de energía en forma de calor que se presentan dentro del calorímetro, podremos determinar el calor específico del calorímetro. Ck (3) Mk Donde M K es la masa del calorímetro y C K es el equivalente en agua de un calorímetro, es decir su capacidad calorífica. ck Figura 1: componentes internos y externos del calorímetro. MÉTODO OPERATIVO 1) Limpie cuidadosamente el calorímetro. Séquelo exterior e interiormente. 2) Pese el calorímetro vacío con todos sus accesorios. Sea Mk, la masa obtenida. Anótela. 3) Ponga agua en un vaso de cristal (200 ml), y para enfriarla, hasta cerca de 0ºC, eche unos 3 cubitos de hielo. 4) Caliente 250 ml de agua en el vaso de cristal, nunca en el calorímetro (éste nunca se pondrá sobre el calefactor), hasta que su temperatura supere unos 75ºC la del ambiente. 5) Eche los 250 ml de agua caliente en el calorímetro aproximadamente hasta la mitad del mismo y ciérralo. Para no quemarse toma la precaución de coger el vaso caliente con ayuda de un trapo o papel de filtro o toalla. Laboratorio Termodinámica Equivalente en agua de un calorímetro y Calor Específico de una muestra. Laboratorio 3 3-1 6) Pese el calorímetro con el agua caliente y los accesorios. Anota esta masa M’. La masa del agua caliente es M1 = M’ – Mk. 7) Vaya agitando suavemente el agua del calorímetro y la del vaso con agua fría, hasta que observes que sus temperaturas se estabilizan. Anota estas temperaturas, T1 la del calorímetro (calorímetro + agua caliente) y T2 la del vaso con agua frío. 8) Vierta rápidamente el agua fría, en el calorímetro, hasta un par de centímetros por debajo de su borde. Tapa enseguida el calorímetro y agita suavemente la mezcla. Observa el descenso de la temperatura y cuando alcance un valor estacionario, toma nota de este valor final temperatura (T). 9) Pese de nuevo el calorímetro completo. Anota el valor obtenido de la masa, M’’. La masa de agua fría es M2 = M’’ – M’. 10) Mediante la expresión (2), calcule CK, equivalente en agua del calorímetro. 11) Repita la experiencia dos veces más y tome como valor de CK, la media de los tres valores obtenidos. Exprese los resultados correctamente, así como sus cotas de error. Tabla 1: datos para determinar el calor especifico del calorímetro. Dato 1 Dato 2 Dato 3 Masa del calorímetro con todo sus accesorios(Mk) (g ) Masa de agua caliente M1 (g) Temperatura de Equilibrio Agua caliente + calorímetro T1 Masa de agua fría M2 Temperatura de del agua fría T2 Temperatura de equilibrio del sistema T Capacidad calorífica del calorímetro Ck. Calor especifico del calorímetro ck . CUESTIONES 1. Defina la caloría, el calor específico de una sustancia y la capacidad calorífica de un cuerpo. 2. ¿Tiene sentido hablar de la capacidad calorífica de una sustancia? Laboratorio Termodinámica Equivalente en agua de un calorímetro y Calor Específico de una muestra. Laboratorio 3 3-1 3. ¿Por qué es usual expresar la capacidad calorífica de un calorímetro en “gramos de agua”? 4. Describa como utilizaría un calorímetro de agua para determinar el calor específico de una sustancia sólida. Escriba las ecuaciones correspondientes. Tabla 1: Calor especifico del agua para diferentes temperaturas. 2. Calor especifico de tres sólidos. Determinaremos el calor específico de algún material sólido, conocidos los valores para el agua y el material del calorímetro, los cuales se obtendrán utilizando la ecuación: 𝑄𝑘 + 𝑄𝑓 + 𝑄𝑚 = −𝑄𝑐𝑎 (4) Sabemos que Q = m ∗ c ∗ ΔT Entonces (5) Laboratorio Termodinámica Equivalente en agua de un calorímetro y Calor Específico de una muestra. Laboratorio 3 3-1 𝑚𝑘 . 𝑐𝑘 . ΔT + 𝑚𝑓 . 𝑐𝑓 . ΔT + 𝑚𝑚 . 𝑐𝑚 . ΔT = −𝑚𝑐𝑎 . 𝑐𝑐𝑎 . ΔT (6) Despejando 𝑐𝑚 𝑐𝑚 = 𝑐𝑚 = (7) 𝑚𝑚 .ΔT −𝑚𝑐𝑎 . 𝑐𝑐𝑎 . (𝑇𝑓𝑐𝑎 − 𝑇𝑖𝑐𝑎 ) − 𝑚𝑘 . 𝑐𝑘 . (𝑇𝑓𝑘 − 𝑇𝑖𝑘 ) − 𝑚𝑓 . 𝑐𝑓 . (𝑇𝑓𝑓 − 𝑇𝑖𝑓 ) 𝑚𝑚 (𝑇𝑓𝑚 − 𝑇𝑖𝑚 ) 𝑐𝑚 = 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. − 𝑚𝑐𝑎 .𝑐𝑐𝑎 .ΔT−𝑚𝑘 .𝑐𝑘 .ΔT−𝑚𝑓 .𝑐𝑓 .ΔT 𝑚𝑐𝑎 .𝑐𝑐𝑎 .(𝑇𝑖𝑐𝑎 −𝑇)+𝑚𝑘 .𝑐𝑘 .(𝑇𝑖𝑘 −T)+𝑚𝑓 .𝑐𝑓 .(𝑇𝑖𝑓 −T) (8) 𝑚𝑚 (T−𝑇𝑖𝑚 ) Medir la masa total (calorímetro y termómetro) Agregar 200 ml de agua al calorímetro junto con el sólido a Temperatura ambiente Medir su Temperatura de equilibrio Calentar agua hasta elevar su temperatura a 70°C Verter en el calorímetro 100ml de agua mezclándola con los 200 ml iniciales Tomar temperatura de equilibrio Repetir este procedimiento para los tres solidos desconocidos Solido 1 Masa del solido Masa del calorímetro+ termómetro Masa del agua fría Calor especifico del agua fría. Masa del agua caliente Calor especifico del agua caliente. Calor especifico del calorímetro (J/kg.°k) T° inicial del calorímetro+ solido+ agua fría (°k) T final del sistema. Solido 2 Solido 3 Laboratorio Termodinámica Equivalente en agua de un calorímetro y Calor Específico de una muestra. Laboratorio 3 3-1 Calor especifico Con base en estos datos halle el calor especifico de los tres solidos desconocidos para saber a qué material corresponden y haga una comparación entre estos, además de ello determine el porcentaje de error en las estimaciones de los calores específicos hallados para cada uno de los materiales PREGUNTAS De acuerdo a los resultados obtenidos, ¿de qué material esta hechos las muestras? Explique. ¿Cuáles son las características de un calorímetro y para qué sirve? ¿Cuál fue el error porcentual obtenido en el experimento? ¿Cuáles son las principales fuentes de error en este experimento? Sea claro y concreto al señalar las fuentes de error.
