Calor especfico

UES. Facultad de Qumica y Farmacia. Departamento de Qumica, Fsica y Matemtica. San Salvador, El Salvador C.A.

Resumen El calor especfico es una cantidad fsica que define la variacin trmica de una sustancia para recibir una cantidad especfica de calor. Tambin se le conoce como capacidad trmica de masa. La unidad en el SI es el J/kgK (julio por kilogramo kelvin). Una unidad comn utilizada por los calores muy especficas es cal/gC (calora por gramo grado centgrado). En primer lugar, determinaremos la capacidad calorfica del calormetro (Cp) que utilizamos. Para ello debe encontrarse experimentalmente la temperatura de equilibrio (Teq) de dos muestras de agua a diferentes temperaturas. Identificaremos con cul sustancia metlica estamos trabajando en base al valor calculado del calor especfico (Qmetal); sin embargo, el dato encontrado puede diferir del valor terico.

AbstractSpecific heat is a physical quantity that defines the thermal variation of a substance for a definite amount of heat. Also called as thermal mass capacity. The SI unit is J/kgK (joule per kilogram kelvin). A common unity used by very specific heats is cal/gC (calorie per gram degree Celsius). First, we determine the heat capacity of the calorimeter we use. To do this, experimentally found the equilibrium temperature of two samples of water at different temperatures. We identify metallic substance we are working based on the calculated value of the specific heat; however, the datum found may be different from the theoretical value.

4

5

Introduccin Calor. En fsica, el calor es la transferencia de energa desde un cuerpo caliente a uno ms fro, excepto por el trabajo o la transferencia de la materia. Se produce espontneamente siempre que exista un camino fsica adecuada entre los cuerpos. La ruta puede ser directa, como en conduccin y radiacin, o indirecta, como en la circulacin de conveccin. El calor es un proceso disipativo. El calor no es una funcin de estado de un sistema. La teora cintica explica la transferencia de energa en forma de calor como manifestaciones macroscpicas de los movimientos e interacciones de los constituyentes microscpicos como las molculas y los fotones. La cantidad de energa transferida en forma de calor es un escalar expresado en una unidad de energa tal como el julio (joule, J), en el SI, con una seal de que es habitualmente positiva cuando una transferencia se suma a la energa de un sistema. Se puede medir por calorimetra, o determinado por clculos basados en otras cantidades, basndose en la primera ley de la termodinmica. En calorimetra, el calor latente cambia de estado de un sistema sin cambio de temperatura, mientras que el calor sensible cambia su temperatura, dejando alguna otra variable(s) sin cambios de estado; los trminos latente y sensible son correlativos. Calor especfico. El calor especfico, c, de una sustancia denota su relacin con la masa de capacidad de calor, que se expresa coloquialmente, la cantidad de energa necesaria para calentar 1 kg de una sustancia a 1 K: c = Q/mT Donde, Q es la energa trmica absorbida o liberada por el material, es decir, una cantidad de calor; m, la masa de la sustancia; y T = T2 - T1, la diferencia entre la temperatura inicial y final.El calor especfico es una propiedad intensiva de la materia, por lo que es representativo de cada materia; por el contrario, la capacidad calorfica es una propiedad extensiva representativa de cada cuerpo o sistema particular. Cuanto mayor es el calor especfico de las sustancias, ms energa calorfica se necesita para incrementar la temperatura. Por ejemplo, se requiere ocho veces ms energa para incrementar la temperatura de un lingote de magnesio que para un lingote de plomo de la misma masa.El trmino calor especfico tiene su origen en el trabajo del fsico escocs Joseph Black, quien realiz variadas medidas calorimtricas y us la frase capacidad para el calor.La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional es el julio (joule, J). La calora (cal) tambin se usa frecuentemente en las aplicaciones cientficas y tecnolgicas. La calora se define como la cantidad de calor necesario para aumentar en 1C y a la presin de una atmsfera (1 atm), la temperatura de un gramo de agua destilada, en el intervalo de 14.5C a 15.5C. Es decir, tiene una definicin basada en el calor especfico. Hay que hacer notar que la calora no est reconocida en el Sistema Internacional, de modo que en muchos pases est prohibido su uso en cualquier documento pblico o privado. En el Sistema Internacional de Unidades, el calor especfico se expresa en julios por kilogramo kelvin (Jkg1K1); otra unidad, no perteneciente al SI, es la calora por gramo kelvin (calg1K1). As, el calor especfico del agua es aproximadamente 1 cal/gK en un amplio intervalo de temperaturas, a la presin atmosfrica; y exactamente 1 calg1K1 en el intervalo de 14.5C a 15.5C (por la definicin de la unidad calora). En 25 C y 1 atm, por ejemplo, el calor especfico del agua pura es igual a 0.99795 cal/gK y contina variando. Capacidad calorfica. La capacidad calorfica, o capacidad trmica, es una magnitud fsica medible; que es la relacin entre el calor aadido (o sustrado) de un objeto para el cambio de temperatura resultante. La unidad SI de la capacidad de calor es el julio por kelvin, J/K, y la forma dimensional es M1L2T21.La capacidad de calor es una propiedad extensiva de la materia, lo que significa que es proporcional al tamao del sistema. Cuando se expresa el mismo fenmeno como una propiedad intensiva, la capacidad de calor se divide por la cantidad de sustancia, masa o volumen, por lo que la cantidad es independiente del tamao o extensin de la muestra. La capacidad calorfica molar es la capacidad calorfica por unidad de cantidad (unidad del SI: mol) de una sustancia pura y la capacidad de calor especfico, a menudo llamado simplemente calor especfico, es la capacidad calorfica por unidad de masa de un material. Ocasionalmente, en los contextos de ingeniera, se utiliza la capacidad de calor volumtrica.La temperatura refleja la energa cintica media aleatorio de las partculas en la materia, mientras que el calor es la transferencia de energa trmica a travs de una lmite del sistema en el cuerpo o desde el cuerpo para el medio ambiente. Traslacin, rotacin, y una combinacin de los dos tipos de energa en vibracin (cintica y potencial) de tomos representan los grados de libertad de movimiento que contribuyen clsicamente a la capacidad calorfica de la materia, pero los electrones dbilmente ligados tambin pueden participar. En una escala microscpica, cada partcula sistema absorbe energa trmica entre los pocos grados de libertad disponibles para ella, y a temperaturas suficientes, este proceso contribuye a la capacidad especfica de calor que clsicamente se acerca a un valor por mol de partculas que es fijado por la ley de Dulong-Petit. Este lmite, que es de aproximadamente 25 julios por kelvin por cada mol de tomos, se consigue muchas sustancias slidas a temperatura ambiente. Ley cero de la termodinmica. Establece que si dos sistemas termodinmicos estn cada uno en equilibrio trmico con un tercero, entonces los tres estn en equilibrio trmico entre s. Se dice que dos sistemas estn en la relacin de equilibrio trmico si estn vinculados por una pared permeable solamente al calor, y no cambian con el tiempo. En otras palabras, a veces tambin se dice que los sistemas estn en una relacin de equilibrio trmico si no estn vinculados de manera que sean capaz de transferir calor el uno al otro, pero no lo haran si estuvieran conectados por una pared permeable solamente para calentar. El significado fsico de la ley fue expresado por Maxwell: Todo el calor es de la misma clase. Por esta razn, otra declaracin de la ley es todas las paredes diatrmicas son equivalentes. La ley es importante para la formulacin matemtica de la termodinmica, que necesita la aseveracin de que la relacin de equilibrio trmico es una relacin de equivalencia. Esta informacin es necesaria para la definicin matemtica de la temperatura que estar de acuerdo con la existencia fsica de los termmetros vlidos.

Desarrollo experimentalEl procedimiento consisti en dos partes: la primera, establecer la capacidad calorfica del calormetro, y la segunda determinar el calor especfico de una muestra metlica.

Esquema de un calormetro.1) Termmetro2) Alambre para voltear3) Cubierta aislante4) Cuenco interno (aislado)5) Recipiente externo6) Aislamiento trmico.

Calormetro que usaremos. Es ms comn: consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado (el aislante puede ser el aire o poliestireno expandido), un dispositivo para agitar y un termmetro.1. Para obtener Cp comenzamos midiendo 100 ml de agua destilada a temperatura ambiental, y los colocamos en el calormetro. Luego cerramos el sistema y homogenizamos con el agitador hasta que la temperatura que indica el termmetro se estabilice. Esta ser T del agua fra. En tanto, calentamos 100 ml de agua hasta ebullicin (considerando la presin en el laboratorio, el punto de ebullicin no sera 100 C sino 97 C). Medimos la temperatura del agua hirviendo con un termmetro. Esta temperatura ser T del agua caliente. Cuando comience la ebullicin (procurando evitar prdida de masa por vapor), transferimos rpidamente el agua caliente al calormetro conteniendo los 100 ml de agua fra. El calormetro se cerr inmediatamente y se agit la mezcla con velocidad hasta que la temperatura marcada por el termmetro logre estabilizarse. El valor obtenido ser T del agua en temperatura de equilibrio. Luego de desechar el agua, el calormetro debe reposar hasta que termine de enfriarse. Calculamos el calor del agua fra y del agua caliente usando sus respectivas temperaturas, el calor especfico del agua y las masas de las dos cantidades de agua (la masa se obtendr despejndola de la frmula de la densidad). Al obtener Qagua fra y Qagua caliente determinamos el calor ganado por el calormetro: Qcal = - (Qagua caliente - Qagua fra)Utilizando la frmula Qcal = Cp (Teq - Tagua fra) despejamos Cp para establecer la capacidad calorfica del calormetro.2. Estimaremos el calor especfico de un trozo de metal (del cual no conocemos su composicin), y queremos conocer a qu metal corresponde la muestra. Para ello, comenzamos a determinar la masa de dicha muestra en una balanza granataria. Luego de realizar la medida, colocamos el metal en un vaso de precipitados conteniendo agua; y calentamos hasta ebullicin (de igual manera que el procedimiento anterior, el punto de ebullicin no sera 100 C sino 97 C). Mantenemos la muestra durante 5 minutos como mnimo. El metal absorber el calor del agua hirviendo, por tanto estarn a la misma temperatura. Medimos con un termmetro la temperatura del agua hirviendo con el metal. Esta temperatura ser T del metal.Mientras tanto, realizamos el mismo procedimiento en el calormetro con agua a T ambiente: medimos 100 ml de agua destilada a temperatura ambiental, y los colocamos en el calormetro. Luego cerramos el sistema y homogenizamos con el agitador hasta que la temperatura que indica el termmetro se estabilice. Esta ser T del agua para temperatura ambiental.Trascurridos los 5 minutos para el calentamiento del metal, lo introducimos rpidamente cuidadosamente en el calormetro. Sellamos el sistema y empezamos a agitar constantemente hasta que la temperatura interna marcada por el termmetro se estabilice. El valor obtenido ser T del agua en temperatura de equilibrio. Calculamos Qagua, el calor ganado por el agua fra y por el calormetro, y el calor perdido por el metal.Mediante Qmetal = Cmetal (Teq - Tmetal) despejamos Cmetal para establecer el calor especfico del metal.

ResultadosDatos recolectadosT = 24 C; p = 0.99 atm

1. Capacidad calorfica del calormetroCagua = 4.186 J/gC Tagua fra = 24.5 C Tagua caliente = 97 CTeq = 56 C

A partir de = m/V, despejamos la masa de las dos porciones de aguaA 25 C, agua = 997.13 kg/m3 A 97 C, agua = 960.20 kg/m3Vagua fra = 100 ml = 100 gVagua caliente = 100 ml = 100 gmagua fra = 99.713 g magua caliente = 96.020 g

Calor ganado por agua fraQagua fra = magua fra Cagua (Teq - Tagua fra)Qagua fra = 13148.06 J

Calor perdido por agua calienteQagua fra = magua Cagua (Teq - Tagua )Qagua = -16479.53 J

Calor ganado por el calormetroQcal = - (Qagua - Qagua fra)Qcal = 29627.59 J

Capacidad especfica del calormetroQcal = Cp (Teq - Tagua fra)Cp = Qcal / (Teq - Tagua fra)Cp = 940.56 J/CCp 224.649 cal/C

2. Calor especfico del metalCagua = 4.186 J/gC mmetal = 52.4 gTagua = 25 C Tmetal = 98 CTeq = 28 C Cp = 940.56 J/CA partir de = m/V, despejamos la masa de la porcin de aguaA 25 C, agua = 997.13 kg/m3 Vagua = 100 ml = 100 gmagua = 99.713 g

Calor ganado por agua fraQagua = magua fra Cagua (Teq - Tagua)Qagua = 13148.07 J

Calor ganado por el calormetroQcal = Cp (Teq - Tagua)Qcal = 2821.68 J

Calor perdido por el metalQmetal = - (Qagua + Qcal)Qmetal = -16019.75 J

Calor especfico del metalQmetal = mmetal Cmetal (Teq - Tmetal)Cmetal = Qmetal / (mmetal (Teq - Tmetal))Cmetal = 101.9 J/gCCmetal 0.2389 cal/gC

DiscusinEl procedimiento experimental llevado a cabo tuvo como objetivo calcular el calor especfico de una pieza metlica, cuya composicin qumica se desconoce. La apariencia del objeto en cuestin es la de una tuerca ciega de tamao pequeo.

Tabla 1.1 Tabla resumen de primera parte del experimento (24 C; 0.99 atm)DatosValores

Masa del agua caliente (g)96.020

Masa del agua fra (g)99.713

Calor especfico del agua (cal/gC)1

Temperatura del agua fra (C)24.5

Temperatura del agua caliente (C)97

Temperatura de equilibrio (C)56

Capacidad calorfica del calormetro (cal/C)224.649

El calormetro que utilizamos es de apreciablemente preciso, ya que utiliza durapax (poliestireno expandido) como aislante, y as impide el intercambio de energa de la muestra con el entorno. Algunos aspectos que pueden intervenir en el error de la medida fue calentar por demasiado tiempo el agua y haber reducido su masa, el calormetro no est plenamente aislado del medio ambiente, o la temperatura y la presin del laboratorio repercutieron (aunque dichas situaciones puedan considerarse irrelevantes en el resultado final). La capacidad calorfica puede calcularse en joule o caloras (dependiendo de la equivalencia del calor especfico del agua pura). En el caso de la determinacin del calor especfico del agua, la muestra metlica tard demasiado tiempo en absorber calor, esto se nota cuando lo calentamos en el vaso de precipitados con agua. Esta muestra pierde calor rpidamente en el momento de transferencia al calormetro, por lo que es imprescindible colocarlo en el calormetro inmediatamente.

Tabla 1.2 Tabla resumen de segunda parte del experimento (24 C; 0.99 atm)DatosValores

Masa del metal (g)52.4

Masa del agua fra (g)99.713

Temperatura del metal (C)98

Temperatura del agua fra (C)25

Temperatura de equilibrio (C)28

Calor especfico del metal (cal/gC)0.239

Calor especfico ter. de 13Al (cal/gC)0.214

Los datos, aplicados a las frmulas, revelan que el calor especfico del metal es 101.9 J/gC (0.2389 cal/gC); al comparar con la tabla 1.3 coincide tericamente con el aluminio (13Al). Sin embargo una caracterstica fsica del aluminio es que posee un color blanco plateado, y la muestra tiene un color amarillo mostaza, haciendo sospechar que se trata de alguna aleacin aunque no es segura esta afirmacin. Tabla 1.3 Calor calorfico de materiales seleccionados (25 C; 1 atm)MaterialCalor especfico(J/kgK)* (cal/gC)

Hierro (26Fe)4520.108

Aluminio (13Al)8970.214

Cobre (29Cu)3870.093

Oro (79Au)1290.0308

Plata (47Ag)2360.056

Plomo (82Pb)1280.0307

Cadmio (48Cd)2330.056

Berilio (4Be)18250.44

Estao (50Sn)2100.0502

Cinc (30Zn)3900.094

(*) Vase Referencias. (1 J/kgK = 0.000239 cal/gC)

ConclusinEn el experimento comprobamos el principio cero de la termodinmica aplicado al agua y al metal, porque cuando los objetos con diferentes temperaturas entran en contacto llegarn a estabilizarse trmicamente. Es a partir de este principio que funciona el calormetro, y con ste conseguimos medir el calor especfico del metal en cuestin. La temperatura del agua con el metal caliente se estabiliz a 28 C, si bien estaba fra.Los errores en la medicin pudieron restarle precisin al procedimiento, sin embargo debera repetirse dos o ms veces para calcular la incertidumbre de la medicin. El metal tiene un calor especfico similar al del aluminio, sin embargo se necesitara comprobar rigurosamente si se trata de este elemento. En consecuencia, el resultado no es definitivo.

Bibliografa1. SERWAY, Raymond A., y JEWETT, John W. Jr. Fsica para ciencias e ingeniera. 7 edicin. Volumen I. Cengage Learning Editores, Mxico, 2008. Captulo 20.2. TIPPENS, Paul E. Fsica: conceptos y aplicaciones. 7 edicin (revisada). McGraw Hill Interamericana, Mxico, 2011. Captulo 17.3. YOUNG, Hugh D., y FREEDMAN, Roger A. Fsica universitaria. 12 edicin. Tomo I. Pearson Educacin, Mxico, 2009. Pgs. 583-584.

Referencias electrnicas (*) Tabla de calor especfico. [Consultado: 23 de sep., 2014.] Disponible en http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/fis/calorespec.pdf (*) Calculation of specific heat capacity with cadmium. (Clculo de la capacidad calorfica del cadmio, en ingls.) [Consultado: 23 de sep., 2014.] Disponible en http://www.allmeasures.com/Formulae/static/formulae/specific_heat_capacity_300K/104.htm (*) Calculation of specific heat capacity with beryllium. (Clculo de la capacidad calorfica del berilio, en ingls.) [Consultado: 23 de sep., 2014.] Disponible en http://www.allmeasures.com/Formulae/static/formulae/specific_heat_capacity_300K/99.htm