“La observación en la ciencia es un acto pasivo; la experimentación un algo activo” Claude Bernard CURSO FLUIDOS Y TERMODINÁMICA GUÍA DE LABORATORIO DE FÍSICA: “CALORIMETRÍA” Docente: Stefany Murcia Correa – [email protected] OBJETIVOS Aplicar conceptos propios de calorimetría. Demostrar de forma experimental el modelo analítica de transferencia de calor. Identificar el material del cuerpo que se utiliza partiendo de su calor específico. Calcular el calor específico de un cuerpo o sustancia partiendo del principio de calorimetría. REPASO DE CONCEPTOS Una de las diversas propiedades físicas de una sustancia es la cantidad de energía que puede absorber por unidad de masa. Esta propiedad se llama calor específico,𝐶𝑆 . El calor específico de un material es la cantidad de energía, medida en Joules, necesaria para elevar la temperatura de 1 kg del material un grado Celsius (°C) o Kelvin (K). Un calorímetro es un dispositivo que puede emplearse en el laboratorio para medir el calor específico de una sustancia. Como la energía siempre fluye de un objeto más caliente a uno más frío y la energía total de un sistema cerrado y aislado siempre permanece constante, la energía calorífica,𝑄, perdida por una parte del sistema, es ganada por la otra: 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 En este experimento, usted determinará el calor específico de tres metales diferentes. El metal se calienta hasta una temperatura conocida y se pone en un calorímetro que contiene una masa de agua conocida a una temperatura medida. La temperatura final del agua y del material en el calorímetro se mide posteriormente. Dado el calor específico del agua (4186 𝐽/𝑘𝑔 ∙ °𝐶) y el cambio de temperatura del agua, usted puede calcular el calor ganado perdido por el agua (calor ganado por el metal) de la siguiente manera: 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 = (𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 )(4186 𝐽/𝑘𝑔 ∙ °𝐶)(∆𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎 ) Puesto que el calor perdido por el metal se encuentra mediante 𝑄𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 = (𝑚𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 )(𝑐𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 )(∆𝑇𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 ) El calor específico del metal puede calcularse como sigue: 𝑐𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 = 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 (𝑚𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 )(∆𝑇𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 ) “La observación en la ciencia es un acto pasivo; la experimentación un algo activo” Claude Bernard MATERIALES: 1 Soporte universal 1 Termocupla 2 Masas 1 Calorímetro 1 Multímetro 1 Cuerda 1 Balanza PROCEDIMIENTO: (a) CONSTRUIR EL CALORÍMETRO TENIENDO EN CUENTA QUE LA TEMPERATURA DEBE SER MEDIDA CON TERMOCUPLA (son más precisas que los termómetros convencionales). (b) Utilizando una balanza mida la masa de cada masa y determine su peso. Reporte sus resultados en una tabla como la que se muestra a continuación, donde X es el valor de la medida y ΔX es el valor de la incertidumbre1 de la medida. Cuerpo Masa 1 Masa 2 X±ΔX X±ΔX Masa (kg) X±ΔX X±ΔX Peso (N) (c) Con la balanza mida la masa del calorímetro y la del calorímetro lleno con agua. Registre los datos en una tabla como la que se muestra: Medición 1 Masa (kg) X±ΔX Calorímetro X±ΔX Calorímetro + agua X±ΔX Masa del agua NOTA: Asegure que al colocar las masas dentro del calorímetro no se salga el agua del mismo. (d) Cierre el calorímetro y conéctelo al multímetro con termocupla. Además, conecte el calorímetro a la toma corriente (o un dispositivo para calentar el agua) hasta que el multímetro con termocupla mida 40°C (aprox.). (e) Introduzca la masa 1 al calorímetro, tápelo y determine con el multímetro la temperatura final (equilibrio) del agua y la masa 1. Temperatura inicial (°C) Temperatura final (°C) X±ΔX X±ΔX Agua X±ΔX X±ΔX Masa 1 (f) Con los datos de las tablas anteriores determine el calor específico de la masa 1. 𝐽 (tenga en cuenta que el calor específico del agua es de 4186 𝑘𝑔°𝐶 ). (g) Repita el proceso de (b) hasta (d) con la masa 2. (h) Con una tabla de calores específicos determine el material de cada una de las masas, conocido este calcule el error dado entre el dato teórico (de la tabla) y el encontrado por usted experimentalmente. 1 Consultar documento adjunto sobre el manejo de error e incertidumbres. “La observación en la ciencia es un acto pasivo; la experimentación un algo activo” Claude Bernard OBSERVACIONES-PREGUNTAS Y RESULTADOS: ¿Cómo cambiarían sus resultados si cambia el agua por alcohol? ¿Cómo podría determinar el calor específicos para diferentes sustancias? ¿Por qué crees que se indica subir la temperatura del agua hasta 40°C y no a una temperatura mayor? Qué puede concluir de la práctica al realizarla en cuerpos. En esta descripción del experimento no se ha tenido en cuenta la absorción de calor por parte del calorímetro. Discuta las consecuencias que surgen de no considerar al calorímetro como participante del intercambio de calor. Si usted tuvo algunas discrepancias en sus valores (que no deben ser grandes) para el calor específico de las muestras metálicas, indique fuentes de incertidumbre en sus mediciones que tal vez hayan contribuido a la diferencia. Describa de manera clara y precisa lo que sucede con la estructura cristalina de un material al cambiar de fase y al cambiar la temperatura del mismo (utilice dibujos). ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS: ¿Qué utilidad tiene el concepto de calor específico en la vida diaria? ¿Qué uso puede darse al principio calorimetría en las diferentes ramas de la ingeniería? PAUTAS PARA LA ENTREGA DEL INFORME DE LABORATORIO: Consultar el documento “Formato Informe de Laboratorio Presencial” que se encuentra en la plataforma Edmodo. REFERENTES BIBLIOGRÁFICOS - González, P., Villamarín, L., Hernández, M. ”lecciones de física mecánica”., editorial Ecci. 1ª edición, 2010. - Serway R., Física Para Ciencias e Ingeniería., Learning Editores. vol. 1 2008. - Sears, f., Zemansky & Young. Física universitaria. México. AddisonWesley, vol. 1, 1998. - Alonso, m. & Finn e. Física., addison-wesley, vol. 1. - Murray R. Estadística; McGRAW-HILL 2000 -GIL S., Experimentos de Física usando las TIC y elementos de bajo costo. 1ra edición, ciudad Autónoma de Buenos Aires, Alfaomega grupo editor argentino, 2014. “La observación en la ciencia es un acto pasivo; la experimentación un algo activo” Claude Bernard En cierta casa con energía solar, se almacena energía del sol en barriles llenos con agua. En un lapso de cinco días nublados de invierno, se necesitaron 5.22 GJ para mantener el interior de la casa a 22◦C. Suponiendo que el agua de los barriles estuviera a 50◦C, ¿qué volumen de agua necesito? Q = m c (t – to) (t-to)= 50-22= 28 CH o= 4186 (5,22x10^9) = m 4186 * 28 2 m= (5,22 * 10^9) / (4186 * 28) = 44536 kg (44536 kg)*(1 litro /1 kg)= 44536 litros Volumen= m / densidad Vol.= (44536) / (1000kg/m3) Vol.= 44.536litro O 0.044536 m3
