CALORIMETRIA Andrés Felipe Rubiano Navarrete, Carlos Javier Varela, Kevin Bellon Higuera ESPECIFICOS: Deducir como afecta a los materiales del entorno los cambios de temperatura. Calcular la cantidad de calor que cede o absorbe un cuerpo, para ponerse en equilibrio térmico. Determinar que propiedades cambian en un cuerpo al variar la temperatura. 1 Universidad Pedagógica y tecnológica de Colombia, Facultad de ingeniería, Avenida Central del Norte 39115, Tunja, Boyacá. RESUMEN Al mezclar dos cantidades de líquidos a distinta temperatura se genera una transferencia de energía en forma de calor desde el más caliente al más frío. Dicho tránsito de energía se mantiene hasta que se igualan las temperaturas, cuando se dice que ha alcanzado el equilibrio térmico. Palabras clave: equilibrio térmico, líquidos, energía, temperatura, entalpía, Calorímetro. ABSTRACT When mixing two different amounts of liquid temperature energy transfer is generated as heat from the hotter to colder. Such transit of energy remains until temperatures are equalized, when is said to have reached thermal equilibrium. Keywords: thermal equilibrium, liquid, energy, temperature. OBJETIVOS GENERAL: Medir el calor específico de un metal y establecer la relación que existe con la masa. INTRODUCCION "La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma", la aplicación específica de la Primera Ley de la Termodinámica al estudio de las reacciones químicas ha dado origen a la Termoquímica, La cuál es una rama de la fisicoquímica que trata de los cambios térmicos asociados a las transformaciones químicas y físicas. 2 su objetivo es la determinación de las cantidades de energía calorífica cedida o captada en los distintos procesos a fin de ayudar a su remoción o de suministrar la que sea necesaria, así como desarrollar métodos de cálculo basados en los principios termodinámicos para dichos reajustes sin recurrir a la experimentación, sin embargo se pueden comprender mejor los métodos utilizados en la termoquímica si se consideran, ciertos aspectos de su metodología y el desarrollo de las técnicas experimentales de uso más frecuentes para determinar la variación del calor como una forma de la energía comprendida en una reacción, y es aquí donde la calorimetría nos permite experimentalmente tal determinación con la utilización del calorímetro, que consiste en un recipiente aislado y lleno de agua en la cual se sumerge la cámara de reacción. MARCO TEORICO La Primera Ley de la Termodinámica trata de los cambios de energía que acompaña a los cambios físicos y químicos. El calor desprendido o absorbido en una reacción se determina en el laboratorio, mediante un instrumento llamado calorímetro. Si la reacción es exotérmica, la energía desprendida no puede escapar del sistema y aparece como un incremento en la energía cinética de sus moléculas aumentando la temperatura. Si la reacción es endotérmica, la energía se toma de la energía cinética de la molécula y la temperatura desciende. Capacidad Calorífica (C): Es la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de una sustancia en un grado centígrado. La unidad de medida es Cal / ºC. 1 C = MASA x CALOR ESPECIFICO Calor Específico (Ce): Es a la capacidad calorífica de una sustancia, es decir la cantidad de calor requerido para elevar la temperatura de un gramo de la sustancia en un grado centígrado, Cal / gr. ºC. Ce = CALOR ESPECIFICO x PESO MOLECULAR Capacidad Calorífica del Calor (Cm): Es la cantidad de calor que debe suministrarse a una mol de una sustancia para que su temperatura aumente un grado centígrado, K. Cal / mol. ºC. Caloría: Es la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14,5 ºC a 15,5 ºC. Entalpía (H): Llamado también contenido calorífico, es una función de estado que se utiliza para tratar los cambios térmicos de las reacciones químicas que se efectuara a presión constante. Cambio de Entalpía(∆H): Es la cantidad de calor absorbido o desprendido por un sistema cuando la presión es constante. Calorímetro: Es un instrumento que mide los cambios de calor que acompaña a las reacciones químicas. Un calorímetro consiste en un recipiente bien aislado. METODOLOGIA Materiales: 1 Calorímetro Muestras de solidos 1 vaso de precipitado 1 balanza 1 amperímetro Procedimiento: 7. Calcular la cantidad de calor absorbida por el agua. Al conocer el valor del calor absorbido por el agua tenemos el valor del calor desprendido por el trozo de metal. 8. Calcule el calor específico del trozo de metal a partir de su masa, la variación de la temperatura y el calor desprendido por él. CALCULOS 1. Realice el montaje. 2. Determine la masa del metal que se va a dentro del agua hirviendo. 3. introduce el trozo de metal amarrado de un hilo dentro del agua hirviendo y déjalo allí durante unos minutos. Determine la temperatura del agua de ebullición= 100°c. 4. vierte en el vaso de icopor un volumen de agua a temperatura ambiente. Determinar con la probeta dicho volumen, y mida la temperatura del agua en el vaso de icopor. 5. con ayuda del hilo, retire con cuidado y rápidamente el trozo de metal en el vaso de icopor de agua caliente e introduzca al que contiene al clima. 6. Agite el agua contenida en el vaso y observa la medida de la temperatura hasta que haya equilibrio térmico entre el trozo de metal y el agua registre la medida de la temperatura de equilibrio. Para la primera parte del laboratorio tenemos como objetivo encontrar el calor especifico del calorímetro que estábamos usando para ello partimos de la siguiente ecuación: 𝐶𝑐𝑎 ∗ 𝑚𝑐𝑐 (𝑇𝑒 − 𝑇𝑐 ) + 𝐶𝑓 ∗ 𝑚𝑓 (𝑇𝑒 − 𝑇𝑓 ) + 𝐶𝑓 ∗ 𝑚𝑐 (𝑇𝑒 − 𝑇𝑐 ) = 0 Donde: 𝐶𝑐𝑎 = 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝐶𝑓 = 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑇𝑒 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑙𝑖𝑏𝑟𝑖𝑜 𝑇𝑐 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑇𝑓 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑓𝑟𝑖𝑎 𝑚𝑐𝑐 = 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑚𝑓 = 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑓𝑟í𝑎 𝑚𝑐 = 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 Despejamos el 𝐶𝑐𝑎 : 𝐶𝑐𝑎 = − (𝐶𝑓 ∗ 𝑚𝑐 (𝑇𝑒 − 𝑇𝑐 )) − (𝐶𝑓 ∗ 𝑚𝑓 (𝑇𝑒 − 𝑇𝑓 )) 𝑚𝑐𝑐 (𝑇𝑒 − 𝑇𝑐 ) Buscamos el calor especifico del agua: 𝐶𝑠 ∗ 𝑚𝑠 (𝑇𝑒 − 𝑇𝑠 ) + 𝐶𝑓 ∗ 𝑚𝑓 (𝑇𝑒 − 𝑇𝑓 ) = 0 Donde: 𝐶𝑓 = 1 𝑐𝑎𝑙 𝑔𝑟 ℃ 𝐶𝑠 = 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜 Con los siguientes datos hallamos 𝐶𝑐𝑎 : 𝑚𝑓 (𝑔𝑟) 𝑚𝑐 (𝑔𝑟) 𝑇𝑓 (℃) 𝑇𝑐 (℃) 𝑇𝑒 (℃) 𝐸𝑋𝑃1 𝐸𝑋𝑃2 𝐸𝑋𝑃3 94 57.4 18 50 26 94.2 87.3 14 54 29 94.3 68.2 11 47 25 𝐶𝑓 = 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑇𝑒 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑙𝑖𝑏𝑟𝑖𝑜 𝑇𝑓 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑓𝑟𝑖𝑎 𝑇𝑠 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑚𝑠 = 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑚 𝑇 = 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 Obtuvimos para 𝐶𝑐𝑎 los siguientes datos sin embargo es necesario sumarle un 𝜎 que simboliza el error y nos permite obtener un dato más exacto: 𝑚𝑓 = 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑓𝑟í𝑎 Despejamos el 𝐶𝑠 : 𝐶𝑠 = − (𝐶𝑓 ∗ 𝑚𝑓𝑐 (𝑇𝑒 − 𝑇𝑓 )) 𝑚𝑠 (𝑇𝑒 − 𝑇𝑠 ) Buscamos el calor especifico del agua: 𝑁 1 𝜎 = √ ∑(𝐶𝑖 − 𝐶̆ )2 𝑁 𝑖=1 𝐶𝑓 = 1 𝜎 = 0.004 𝑐𝑎𝑙 𝑔𝑟 ℃ Con los siguientes datos hallamos 𝐶𝑠 para las 3 muestras: 𝐶± 𝜎 𝐸𝑋𝑃1 0,4307 ± 0.004 𝐸𝑋𝑃2 0,5265 ± 0.004 𝐸𝑋𝑃3 0,1520 ± 0.004 Para la segunda parte del laboratorio tenemos como objetivo encontrar el calor especifico de 3 solidos que estábamos usando, para ello partimos de la siguiente ecuación: 𝑚𝑐𝑎𝑙 (𝑔𝑟) 𝑚𝑠 (𝑔𝑟) 𝑇𝑓 (℃) 𝑇𝑒 (℃) 𝑚 𝑇 (𝑔𝑟) 𝐶 𝑚1 𝑚2 𝑚3 18.6 16.8 19 23 35.4 18.6 2.4 19 25 21 18.3 12.2 19 23 30.5 0,04761 0,31818 0,11764 Analizando las tablas en los libros, tenemos los valores reales aproximados de cada una de las muestras: 𝑚1 = 𝑇𝑢𝑛𝑔𝑠𝑡𝑒𝑛𝑜 ≅ 0.0674 𝑚2 = 𝐴𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜 ≅ 0.214 𝑚3 = 𝐶𝑜𝑏𝑟𝑒 ≅ 0.092 Los valores recogidos son cercanos a los valores reales de los materiales anteriormente presentados por lo que podemos deducir que: Aun cuando no sea posible determinar el contenido total de energía calorífica de un cuerpo, puede medirse la cantidad que se toma o se cede al ponerlo en contacto con otro a diferente temperatura. Esta cantidad de energía en tránsito de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura es precisamente lo que se entiende en física por calor. REFERENCIAS 𝑚1 = 𝑇𝑢𝑛𝑔𝑠𝑡𝑒𝑛𝑜 ≅ 0.04761 𝑚2 = 𝐴𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜 ≅ 0.318 𝑚3 = 𝐶𝑜𝑏𝑟𝑒 ≅ 0.1176 CONCLUSIONES Es necesario hacer suficientes repeticiones de cada experimentación para así obtener un margen de error bajo. Alonso, M. y Finn, E.J. (1995). Física, Addison-Wesley Iberoamericana. USA. 1 Bruner J. (1988). Desarrollo cognitivo y educación. Ed. Morata. Madrid. Chang, R. (1999). Química. 6º ed. Ed:McGraw-Hill, México. Gellon, G.; Rosenvasser Feher, E.; Furman, M.; Golombek, D. LA CIENCIA EN EL AULA 2 ANEXOS El error se hace notable en las diferencias con respecto a los valores verdaderos de los materiales, por multiplicidad de fallos de multiplicidad y humanos en la toma y obtención de los datos La ecuación calorimétrica sirve para determinar cantidades de calor si se conoce la masa del cuerpo, su calor específico la diferencia de temperatura, pero además permite definirla caloría como unidad de calor. Materiales 1Calorimetro Materiales 2Estufa a gas Materiales 3Solidos que se usaron
