Practica 6. Determinación del Calor específico de un sólido MH (1)

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LABORATORIO DE FÍSICOQUÍMICA
UNIDAD ACADÉMICA
CURSO:
PRÁCTICA N°. 5
INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL
FISICOQUÍMICA
DETERMINACIÓN DEL CALOR ESPECÍFICO DE UN SÓLIDO
1. OBJETIVOS
1.1. Comprender y aplicar los fundamentos de la calorimetría.
1.2. Verificar los cambios de calor involucrados en el proceso
1.3 Determinar el calor específico de cuerpos sólidos.
2. CONSULTA PREVIA
2.1. Explique qué es el equivalente en agua del calorímetro y cuál es su importancia
2.2 Consulte qué es la capacidad térmica másica
2.2. Identifique el calor específico de por lo menos 15 metales y explique la incidencia de dicha
magnitud en el comportamiento de un cubo de 1 kg fabricado con cada uno de los metales
3. FUNDAMENTO TEÓRICO
El calorímetro permite determinar la cantidad de calor liberada o absorbida por una transformación
física o química realizada en su interior.
Equivalente en agua del calorímetro.
Suponiendo que el calorímetro se construye de agua, en este caso es necesario determinar la
cantidad de agua que absorbería la misma cantidad de calor que el calorímetro. Esta cantidad se
denomina equivalente en agua (me) del calorímetro.
−𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 = 𝑄𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑖𝑑𝑜
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−𝑚2 𝑐2 (𝑇3 − 𝑇2 ) = [𝑚𝑒 𝑐1 (𝑇3 − 𝑇1 )] + [𝑚1 𝑐1 (𝑇3 − 𝑇1 )]
𝑚𝑒 = [−𝑚2 (𝑇3 − 𝑇2 ) − 𝑚1 (𝑇3 − 𝑇1 )]/(𝑇3 − 𝑇1 )
Donde:
𝑚𝑒 = 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑛 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
𝑚1 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
𝑇1 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
𝑐1 = 𝑐2 = 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 (1𝑐𝑎𝑙 /𝑔 °𝐶) 𝑜 (4,184 𝑘𝐽/ 𝑔 °𝐶) 𝑆𝐼𝑈
𝑚2 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑎ñ𝑎𝑑𝑖𝑟á 𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑞𝑢𝑒 ℎ𝑎𝑦𝑎 𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟
𝑇2 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
𝑇3 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
Calor específico
Calor sensible o capacidad térmica másica es la cantidad de energía (calor) por unidad de masa, que
es necesario suministrarle o retirarle a un determinado cuerpo, bajo una cierta presión, para que ocurra
una variación de un grado en su temperatura.
𝑐 = 𝐶/𝑚
𝑐 = 𝑄/∆𝑇. 𝑚
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Siendo Q el calor intercambiado por el sistema, m la masa del sistema y T el cambio de temperatura
que éste experimenta. Formalmente, el calor específico mide la energía requerida por unidad de masa
para elevar un grado la temperatura de un material. Aunque de la expresión anterior se infiere que el
calor específico es independiente del intervalo de temperatura en el que se realice la medida, en
realidad, c=f(T), de manera que un cambio de temperatura finito desde una temperatura inicial T i a una
temperatura final Tf para un sistema dado, tiene asociada una cantidad de calor Q, dada por la
expresión
𝑇𝑓
𝑄 = 𝑚 ∫ 𝑐 (𝑇)𝑑𝑇
𝑇𝑖
4. EQUIPOS, MATERIALES Y REACTIVOS
Equipos
-Calorímetro de doble vaso
con resistencia y
termómetro
- Balanza analítica con
precisión de
pesada de 1
mg o 0,1 mg
- Plancha de calentamiento
Materiales Laboratorio
2vasos de precipitado de 250
mL. - 1 probeta de 100 mL.
- 1 Probeta de 50 mL
- 1 termómetro digital
Cuerpo de prueba de acero
Cuerpo de prueba aluminio
Cuerpo de prueba de cobre
Cuerpo de prueba de latón
Sustancias y/o
Reactivos
-
Agua destilada
Materiales estudiantes
Cordel para sujetar el cuerpo
de prueba
5. PROCEDIMIENTO O METODOLOGÍA
5.1 Determinación del equivalente en agua del calorímetro
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5.1.1 Pese el calorímetro limpio y seco llevando el vaso del calorímetro a la balanza y tarando antes
de añadir el agua.
5.1.2 Con precisión y utilizando la probeta adicione 50 mL de agua destilada a temperatura ambiente
en el calorímetro.
5.1.3 Mida la temperatura del agua 𝑇1 y determine la masa de agua 𝑚1 en el calorímetro; considere
que 1 mL de agua corresponde a 1 g.
𝑇1 = ____________°𝐶
𝑚1 = ___________𝑔
5.1.4 Registre la temperatura de una masa conocida de agua a (aproximadamente 80°C)
5.1.5 Adicione 100 mL de agua caliente en el calorímetro y tape el conjunto
5.1.6 Utilice lentamente el agitador para mezclar el agua del calorímetro
5.1.7 Aguarde algunos segundos para que el sistema entre en equilibrio térmico y mida la
temperatura final T3.
𝑇3 _____________°𝐶
5.1.8 Determine el equivalente en agua 𝑚𝑒 del calorímetro
5.1.9 Retire el agua del calorímetro
5.1.10 Seque el calorímetro y aguarde unos instantes para que entre en equilibrio térmico con el
ambiente.
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5.1.11 Repita los procedimientos para determinar el equivalente en agua m e del calorímetro por
duplicado.
5.1.12 Registre los resultados en una tabla como la que se presenta a continuación:
Medida
1
2
T1 (°C)
m1 (g)
T2 (°C)
m2 (g)
T3 (°C)
me (g)
5.1.13 Determine el valor promedio del equivalente en agua me_ medio del calorímetro
𝑚𝑒_𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 = _________𝑔
5.2. Calor específico de un sólido
En esta práctica se utiliza agua en punto de ebullición para calentar
metales que alcanzan rápidamente temperaturas cercanas a los 100 °C. Si se
trabaja de manera descuidada o imprudente se pueden producir quemaduras
serias.
5.2.1 Encienda la placa calefactora para calentar el vaso de precipitado que contiene agua. El
calentamiento debe conseguir que el agua llegue a hervir (entre 20 y 25 minutos).
ATENCIÓN: No toque el plato metálico de la placa calefactora ya que alcanza temperaturas
superiores a los 200 °C
5.2.2 Mientras el agua alcanza su temperatura de ebullición, llene el calorímetro (limpio y seco) con
una cantidad de agua destilada conocida, correspondiente a 100 mL a temperatura ambiente. Utilice
para ello una de las balanzas de laboratorio disponibles, llevando el vaso del calorímetro a la balanza
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y tarando antes de añadir el agua. Anote la cantidad exacta pesada. Cierre el calorímetro con la tapa
que incluye el termómetro y el agitador y anote la masa de agua pesada (m agua).
Determine la temperatura del agua T1.
𝑇1 = __________°𝐶
Registre la masa de agua m1.
𝑚1 = ___________𝑔
5.2.3 Mida la masa del cuerpo de prueba m2.
𝑚2 = ___________𝑔
5.2.4 Una vez se alcance el punto de ebullición del agua en el vaso de precipitados introduzca, CON
MUCHO CUIDADO, uno de los cilindros metálicos en su interior con la ayuda del sedal que lleva
anudado. Cuide que el metal quede suspendido del sedal sin tocar las paredes del vaso ni la base de
la placa calefactora. En estas condiciones, y transcurridos unos cuatro o cinco minutos, el metal
alcanza la temperatura del agua en ebullición. Una vez alcanzado el equilibrio térmico mida la
temperatura del cuerpo de prueba T2, para esto considere que, en el equilibrio térmico, la
temperatura del cuerpo de prueba es igual a la temperatura del agua.
𝑇2 = _____________°𝐶
5.2.5 Introduzca el sólido en el calorímetro lo más rápidamente que pueda, y ciérrelo de inmediato.
Tenga cuidado en esta operación para evitar el contacto con el metal (está muy caliente) y
salpicaduras de agua fuera del calorímetro
5.2.6 Agite suavemente el agua del calorímetro con la varilla y espere a que se alcance el equilibrio
térmico, lo que ocurre cuando se estabilice la temperatura. No deje de agitar suavemente durante
este período. La temperatura de equilibrio se alcanza transcurrido un período que puede oscilar entre
1 y 3 minutos. Anote entonces la temperatura de equilibrio (T 3).
𝑇3 = __________°𝐶
Conociendo la relación del cambio de calor, determine el calor específico del cuerpo de prueba
−𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 = 𝑄𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑖𝑑𝑜
−𝑚2 𝑐2 (𝑇3 − 𝑇2 ) = [𝑚𝑒 (𝑇3 − 𝑇1 )] + [𝑚1 𝑐1 (𝑇3 − 𝑇1 )]
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Registre los valores obtenidos para la determinación del calor específico del cuerpo de prueba en la
siguiente tabla:
Cuerpo de
prueba
Aluminio
T1
(°C)
m1
(g)
T2
(°C)
m2
(g)
T3
(°C)
c
(kJ/ g°C)
Cobre
Latón
Acero
5.2.7 Repita el procedimiento para cada uno de los cuerpos de prueba y registre los datos obtenidos.
Cuestionario
-Con el valor de cmetal para el que ha obtenido el menor error relativo, determine cuánta energía en
forma de calor necesita transferir a 100 gramos de este metal para elevar su temperatura en 10 °C.
- Cuando un líquido se mantiene hirviendo recibe calor. ¿Por qué no aumenta su temperatura?
-Con los valores de calor específico obtenidos, ¿qué metal necesita menos energía para elevar su
temperatura?
-¿Qué resulta más conveniente para mantener constante la temperatura de un recinto, rodearlo de
agua o de aire?
7. BIBLIOGRAFÍA
CASTELLAN, G. W. (1987). Fisicoquímica. 2ª ed. Editorial Pearson Educación. México.
CHANG, Raymond. (2007). Química. 9ª Ed. Editorial McGraw- Hill. CTPS, China. ISBN-13:978970-10-6111-4.
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ROMERO, C.M. Y BLANCO, L.H. (1997). Tópicos en química básica – experimentos de
Laboratorio. 1ª Edición. Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales.
Bogotá D.C. p.p. 48-53.
Artículos electrónicos:
Determinación del calor de neutralización del ácido clorhídrico con hidróxido de sodio.
Practica
N° 9. Consultado el 3 de enero de 2004.
Disponible en:
http://depa.pquim.unam.mx/fisiquim/termo/pract9.html.
Calor de Neutralización. Consultado el 3 de enero de 2004. Disponible en:
http//WWW.ciencia21.freeservers.com/informes/neutra.htm.
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