Laboratorio Física calor y ondas Informe práctica 5: Calor específico de los sólidos Autores: Adrián Torres 1 - T00061869, Sebastian Canchila 2 - T00061156, Nicolás Fierro 3 - T00061404, Luis Triana 4 - T00061366 Grupo: G1, Subgrupo: C Profesor: Alberto León Giraldo Zuluaga Facultad de ciencias básicas Universidad tecnológica de Bolívar 1. INTRODUCCIÓN Se entiende como calor (Q) a la energía que fluye desde una parte de un sistema a otra o de un sistema a otro. Por convención se considera que Q es positivo cuando es absorbido por el sistema y negativo en caso contrario. Cuando un sistema absorbe (o cede) una determinada cantidad de calor puede ocurrir que experimente un cambio en su temperatura o experimente un cambio de fase a temperatura constante. Si durante la absorción de Q unidades de calor, un sistema experimenta un cambio de temperatura de “Ti” a “Tf“, se define como capacidad calorífica promedio. Si tanto Q como la diferencia de las temperaturas (Tf – Ti) se hacen cada vez menores, esta razón tiende hacia la capacidad calorífica instantánea. Se denomina capacidad calorífica específica o calor específico de un sistema a su capacidad calorífica por unidad de masa o mol y se la designa con c, de modo que C = m c. El calor específico de una sustancia puede ser negativo, positivo, nulo o infinito, dependiendo del proceso que experimente el sistema durante la transferencia de calor. Sólo tiene un valor definido para un proceso determinado. Por lo tanto, la capacidad calorífica de un sistema depende tanto de la naturaleza del sistema, como del proceso particular que el sistema experimenta [1]. Esta experiencia se trata sobre estudiar la capacidad que tienen los sólidos y los líquidos(agua) para absorber energía calorífica encontrando datos de temperatura inicial y temperatura final que nos permitirán entender el comportamiento de estas sustancias al interactuar de forma calórica entre ellas. Por un lado, se pretende demostrar la influencia que tienen las temperaturas (inicial y equilibrio) del agua y la masa de esta misma para determinar la masa equivalente de un calorímetro. por otro lado, se busca encontrar el calor especifico de un sólido partiendo de las temperaturas arrojadas. 2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL - Determinar el calor específico de algunos sólidos mediante un experimento de transferencia de calor. 2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS. -Identificar las variables que influyen en la cantidad de energía cedida y la cantidad de energía absorbida. -Entender la relación que existe entre las temperaturas y las masas equivalentes. -Identificar como es el funcionamiento de una absorción de energía calórica. 3. MARCO TEÓRICO 4. MONTAJE Para obtención de los montajes, se utiliza un simulador el cual facilita la realización de la experiencia en cuestión. Figura 1. Simulador Para esta práctica se utilizó un simulador el cual permite variar la masa y la temperatura del solido utilizado, usaremos 2 solidos, los cuales son, aluminio y cobre. Como se había dicho anteriormente usaremos una masa y temperatura, para luego obtener su calor especifico. Figura 2. Beaker El beaker se utiliza, para preparar o calentar sustancias, medir o traspasar líquidos. En esta práctica, usaremos el beaker en el simulador para calentar la primera sustancia y luego traspasarla al calorímetro. Figura 3. Calorímetro En el calorímetro se verterá la otra sustancia y estarán las dos, para así hallar el calor especifico y la temperatura de equilibrio entre ambas sustancias. 5. DATOS EXPERIMENTALES Partiendo del documento con los datos proporcionados por el docente, se usó un simulador que también fue proporcionado por el docente, para añadir estos datos en el mismo. Donde se observó detalladamente el cambio de temperatura que tenían 2 cuerpos dentro de un calorímetro hasta hallar su temperatura de equilibrio, para así, mediante las formulas determinar y calcular datos como el calor especifico y la masa equivalente en el calorímetro. Estos datos proporcionados por el profesor y el simulador los podemos observar en las tablas realizadas en Excel. Cuerpo M m Temperaturas iniciales (°C) 30 80 Masa (g) 125 50 Temperatura de equilibrio Te (°C) 44,29 44,29 Tabla 1. Masa equivalente calorímetro Objeto Masa (g) Calorímetro (equivalente en agua) Agua Sólido 200 50 T de equilibrio (°C) T inicial (°C) 20 23.07 20 23.07 80 23.07 Tabla 2. Calor específico Aluminio Objeto T inicial (°C) Masa (g) Calorímetro (equivalente en agua) Agua Sólido T de equilibrio (°C) 200 50 20 21.35 20 21.35 80 21.35 Tabla 3. Calor específico Cobre 6. ANÁLISIS DE DATOS 6.1 Hallar ecuaciones 6.1.1 Cálculos para llegar a la ecuación (5) Para poder llegar a esta ecuación en este caso, la cantidad de calor transferida por el sólido viene dada por la siguiente fórmula. Q1 = c1 m1 (T1 − T𝑀 ) Donde Q1 = Cantidad de calor absorbida por el agua, m1 = Masa del sólido, c1 = Calor especifico, T1 = Temperatura, TM = Temperatura de equilibrio. Y a su vez, usaremos la cantidad de calor transferida por el líquido la cual viene dada por la siguiente fórmula. Q2 = c2 m2 (T2 − T𝑀 ) Donde Q2 = Cantidad de calor cedida por el sólido, m2 = Masa del agua, c2 = Calor especifico del agua, T2 = Temperatura, TM = Temperatura de equilibrio. Al momento de que estos cuerpos intercambian calor obtenemos que: 𝑄1 + 𝑄2 = 0 Ahora reemplazando Q1 y Q2 en la nueva fórmula obtenemos lo siguiente: c1 m1 (T1 − T𝑀 ) + c2 m2 (T2 − T𝑀 ) = 0 Despejando hallamos la ecuación que necesitamos obteniendo que, c1 m1 (T1 − T𝑀 ) = −c2 m2 (T2 − T𝑀 ) → c1 = − c2 m2 (T2 − T𝑀 ) m1 (T1 − T𝑀 ) 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟𝑖𝑧𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑔𝑛𝑜 " − " → c1 = c2 m2 (T𝑀 − T2 ) m1 (T1 − T𝑀 ) 6.1.2 Cálculos para llegar a la ecuación (8) Para llegar a la ecuación 8, es prácticamente los mismos procedimientos que el anterior simplemente que usaremos otra ecuación proporcionada en el documento. Como antes, usamos la fórmula de la cantidad de calor transferida por el sólido. Q1 = c1 m1 (T1 − T𝑀 ) Ya conocemos el significado de cada incógnita. La nueva fórmula que viene se usa puesto que el vaso calorímetro también absorbe parte del calor transferido por el sólido, puesto que en el anterior caso es un caso ideal donde el calorímetro no absorbe calor. Tendríamos que: Q2 = c2 ( m2 + 𝑚𝑘 ) (T2 − T𝑀 ) Como en el anterior caso, al momento de que estos intercambian calor tenemos que: 𝑄1 + 𝑄2 = 0 Ahora reemplazando Q1 y Q2 en la fórmula obtenemos lo siguiente: c1 m1 (T1 − T𝑀 ) + c2 ( m2 + 𝑚𝑘 ) (T2 − T𝑀 ) = 0 Despejando hallamos la fórmula que queremos. c1 m1 (T1 − T𝑀 ) + c2 ( m2 + 𝑚𝑘 ) (T2 − T𝑀 ) = 0 → c1 m1 (T1 − T𝑀 ) = −c2 ( m2 + 𝑚𝑘 ) (T2 − T𝑀 ) → 𝑐1 = − c2 ( m2 + 𝑚𝑘 ) (T2 − T𝑀 ) m1 (T1 − T𝑀 ) 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟𝑖𝑧𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑔𝑛𝑜 " − " → c1 = c2 ( m2 + 𝑚𝑘 ) (T𝑀 − T2 ) m1 (T1 − T𝑀 ) 6.2. Masa equivalente (mk) Para la obtención de la masa equivalente en agua del calorímetro, utilizamos la siguiente fórmula; 𝑚(𝑇 − 𝑇𝑒 ) 𝑚𝑘 = − 𝑀 𝑇𝑒 − 𝑇𝑜 Utilizamos los datos de la tabla 1, entonces tendremos: 𝑚𝑘 = 50(80 − 44.29) − 125 44.29 − 30 Luego de realizar el cálculo obtenemos que: 𝑚𝑘 = −0.052 De este valor negativo lo que podemos interpretar es que puede haber ocurrido un problema de calibración con los instrumentos utilizados. Pese a esto seguiremos utilizando este valor para realizar los siguientes cálculos donde sea pertinente utilizar mk. 6.3 Calor especifico de los bloques utilizados (Situación ideal) Para el cálculo del calor especifico de los bloques (aluminio y cobre), se utilizó la siguiente formula: 𝑚2 (𝑇𝑒 − 𝑇2 ) 𝑐1 = 𝑐2 𝑚1 (𝑇1 − 𝑇𝑒 ) C1 = calor especifico del bloque, C2 = Calor especifico del agua, m2= masa del agua, m1= masa del bloque, 𝑇2 =temperatura del agua, 𝑇1 = temperatura del bloque, 𝑇𝑒 = temperatura de equilibrio. Partiendo de la información anterior y los datos proporcionados por la tabla 2 y 3 tenemos 6.3.1 Calor especifico del bloque de aluminio (Situación ideal) De la tabla 2 tomamos los datos necesarios y remplazamos en la formula explicada en el punto anterior, luego de eso tenemos que: Nota: calor específico del agua = 4.19 J/gC° 𝑐1 = 4.19 ∗ 200(23.07 − 20) 50(80 − 23.07) 𝑐1 = 0.903 𝐽/𝑔𝐶° 6.3.2 Calor especifico del bloque de cobre (Situación ideal) Se utiliza la misma metodología utilizada en el punto anterior, partiendo de eso, se obtiene: 𝑐1 = 4.19 ∗ 200(21.35 − 20) 50(80 − 21.35) 𝑐1 = 0.385 𝐽/𝑔𝐶° 6.4. Calor especifico de los bloques utilizados (Situación real) En este punto a diferencia del anterior si se tendrá en cuenta que el calorímetro si absorbe calor del sistema, por lo tanto, se utiliza una formula diferente, la formula a utilizar es: 𝑐1 = 𝑐2 (𝑚2 + 𝑚𝑘 )(𝑇𝑒 − 𝑇2 ) 𝑚1 (𝑇1 − 𝑇𝑒 ) 6.4.1 Calor especifico del bloque de aluminio (Situación real) Utilizando la formula dada en el punto anterior y el valor de 𝑚𝑘 calculado en el punto tres, obtenemos: 𝑐1 = 4.19 ∗ (200 − 0.052)(23.07 − 20) 50(80 − 23.07) 𝑐1 = 0.903 𝐽/𝑔𝐶° 6.4.2 Calor especifico del bloque de cobre (Situación real) Siguiendo el procedimiento del punto anterior, tenemos que: 𝑐1 = 4.19 ∗ (200 − 0.052)(21.35 − 20) 50(80 − 21.35) 𝑐1 = 0.385 𝐽/𝑔𝐶° 6.5 Análisis de resultados del punto 4 y 5. Lo más evidente a la hora de analizar los resultados obtenidos con las diferentes fórmulas, es que se obtiene el mismo resultado, esto puede ser debido a la magnitud tan pequeña del valor de mk obtenido en el punto 6.2, por lo cual no se ve gran diferencia en los tres primeros decimales de nuestros resultados 7. CONCLUSIONES Al finalizar la experiencia de laboratorio se logró obtener un conocimiento más profundo y certero acerca de cómo encontrar el calor especifico de un sólido, esto se obtuvo igualando a cero la sumatoria de la cantidad de calor cedida y la cantidad de calor absorbida. Además, se encontró como inciden las diferentes variables en el cálculo del calor especifico y cómo se comporta dicho calor al variar la masa y la diferencia de temperatura de las sustancias utilizadas en el cálculo. Por otro lado, se alcanzó a comprender como se determina la masa equivalente de un calorímetro por medio de las ecuaciones expresadas en la guía de laboratorio de la cual también se analizó que influencia tienen las diferentes variables como masa y diferencia de temperaturas en el resultado de esta masa equivalente. 8. BIBLIOGRAFÍA Fourty, A., Bertinetti, M. and Foussats, A., 2021. Calor específico Calorimetría. [online] Fceia.unr.edu.ar. Available at: <https://www.fceia.unr.edu.ar/fisica2ecen/descargas/apuntes/Calorimetria.pdf> [Accessed 15 October 2021].