UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANOFACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Y ARQUITECTURAESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERA CIVIL

EXPERIMENTO N 05

CONSERVACIN DE ENERGA CALRIFICA Y CALOR ESPECFICOI. OBJETIVOS Determina si la energa calorfica es conservada en el proceso de calentamiento y enfriamiento de un sistema. Determinar los calores especficos de cobre y el fierro.II. MARCO TERICOCuando dos sistemas u objetos de temperatura diferente entran en contacto, la energa en forma de calor es transferida desde el sistema ms caliente hacia el frio. Esta transferencia de calor incrementa la temperatura del sistema ms frio y aminora la temperatura del sistema ms caliente. Eventualmente los dos sistemas alcanzan alguna temperatura comn, intermedia, y el traslado de calor se detiene.La unidad estndar para medir traslado de calor es la calora. Una calora es definida como la cantidad de energa requerida para incrementar la temperatura de un gramo de agua de 14.5 C a 15.5 C. Sin embargo, para nuestros propsitos podemos generalizar esta definicin por simplemente diciendo que una calora es la cantidad de energa requerida para incrementar la temperatura de un gramo de agua de un grado Celsius (la variacin con temperatura es leve).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 Joseph Black, quien realiz variadas medidas calorimtricas y us la frase capacidad para el calor.4 En esa poca la mecnica y la termodinmica se consideraban ciencias independientes, por lo que actualmente el trmino podra parecer inapropiado; tal vez un mejor nombre podra ser transferencia de energa calorfica especfica, pero el trmino est demasiado arraigado para ser reemplazado.La capacidad calorfica especfica media (c) correspondiente a un cierto intervalo de temperaturas , se define en la forma:

Donde Q, es la transferencia de energa en forma calorfica entre el sistema y su entorno u otro sistema, , es la masa del sistema (se usa una n cuando se trata del calor especfico molar) y , es el incremento de temperatura que experimenta el sistema. El calor especfico (c) correspondiente a una temperatura dada se define como:

La capacidad calorfica especfica (c) es una funcin de la temperatura del sistema; esto es, c(T). Esta funcin es creciente para la mayora de las sustancias (excepto para los gases monoatmicos y diatmicos). Esto se debe a efectos cunticos que hacen que los modos de vibracin estn cuantizados y solo estn accesibles a medida que aumenta la temperatura. Conocida la funcin c(T), la cantidad de calor asociada con un cambio de temperatura del sistema desde la temperatura inicial a la final se calcula mediante la integral siguiente:

En un intervalo donde la capacidad calorfica sea aproximadamente constante la frmula anterior puede escribirse simplemente como:

CANTIDAD DE SUSTANCIACuando se mide el calor especfico en ciencia e ingeniera, la cantidad de sustancia es a menudo de masa, ya sea en gramos o en kilogramos, ambos del SI. Especialmente en qumica, sin embargo, conviene que la unidad de la cantidad de sustancia sea el mol al medir el calor especfico, el cual es un cierto nmero de molculas o tomos de la sustancia.6 Cuando la unidad de la cantidad de sustancia es el mol, el trmino calor especfico molar se puede usar para referirse de manera explcita a la medida; o bien usar el trmino calor especfico msico, para indicar que se usa una unidad de masa.Hay dos condiciones notablemente distintas bajo las que se mide el calor especfico y stas se denotan con sufijos en la letra c. El calor especfico de los gases normalmente se mide bajo condiciones de presin constante (Smbolo: ). Las mediciones a presin constante producen valores mayores que aquellas que se realizan a volumen constante (), debido a que en el primer caso se realiza un trabajo de expansin.El cociente entre los calores especficos a presin constante y a volumen constante para una misma sustancia o sistema termodinmico se denomina coeficiente adiabtico y se designa mediante la letra griega (gamma). Este parmetro aparece en frmulas fsicas, como por ejemplo la de la velocidad del sonido en un gas ideal.El calor especfico de las sustancias distintas de los gases monoatmicos no est dado por constantes fijas y puede variar un poco dependiendo de la temperatura. Por lo tanto, debe especificarse con precisin la temperatura a la cual se hace la medicin. As, por ejemplo, el calor especfico del agua exhibe un valor mnimo de 0,99795 cal/(gK) para la temperatura de 34,5 C, en tanto que vale 1,00738 cal/(gK) a 0 C. Por consiguiente, el calor especfico del agua vara menos del 1 % respecto de su valor de 1 cal/(gK) a 15 C, por lo que a menudo se le considera como constante.La presin a la que se mide el calor especfico es especialmente importante para gases y lquidos.El calor especifico de una sustancia, usualmente indicado por el smbolo c, es la cantidad de calor requerida para alzar la temperatura de un gramo de la sustancia por 1C (o 1 K). De la definicin del calor dado en el Experimento 1, puede verse que el calor especifico de agua sea 1.0 cal/gK. Si un objeto esta hecho de una sustancia con calor especifico igual para entonces el calor, , requerido para alzar la temperatura de ese objeto de una cantidad es:

TABLA DE CALORES ESPECIFICOS Y SUSTANCIAS

SustanciaFasecp(msico)Jg1C1cp(molar)Jmol1K1cv(molar)Jmol1K1Capacidadcalorfica volumtricaJ cm3K1

Aguagas (100C)2,08037,4728,03

Agualquido (25C)4,181375,32774,534,184

Aguaslido (0C)2,11438,091,938

Aire gas1,01229,19

Almina Al2O3slido0,160

Aluminioslido0,89724,22,422

Amonacolquido4,70080,083,263

Antimonioslido0,20725,21,386

Argngas0,520320,812,5

Arsnicoslido0,32824,61,878

Berilioslido1,8216,43,367

Carbono (diamante)slido0,519

Carbono (grafito)slido0,711

cera de parafinaslido2,59002,325

Cobreslido0,38524,473,45

Diamanteslido0,50916,1151,782

Etanollquido2,441121,925

Fenlicosslido1,40-1,67

Gas diatmico(Ideal)gasR= 29.1R= 20.8

Gas monoatmicogasR= 20,8R= 12,5

Gasolinalquido2,22228

Grafitoslido0,7108,531,534

Heliogas5,193220,812,5

Hidrgenogas14,3028,8220.4

Hierroslido0,45025,13,537

Litioslido3,5824,81,912

Magnesioslido1,0224,91,773

Mercuriolquido0,139527,981,888

MgOslido0,457

Nengas1,030120,786212,4717

Nquelslido0,444

Nitrgenogas1,04029,1220,8

Nylon 66slido1,20-2,09

Oroslido0,129125,422,492

Oxgenogas0,91829,421,1

Plataslido0,23725,56

Plomoslido0,12926,41,44

Polietileno(AD)slido1,92-2,30

Polipropilenoslido1,880

Politetrafluoretilenoslido1,050

SiCslido0,344

Slice(fundido)slido0,70342,21,547

Titanioslido0,523

Uranioslido0,11627,72,216

Wolframioslido0,133

NOTA: Todas las medidas son a 25 C a menos que se indique lo contrario, los mnimos y mximos notables se muestran en negrita.

III. EQUIPO NECESARIO Calormetros, 2 pedazos Termmetro Agua caliente y fra Prueba de aluminio, el cobre, y el tungsteno Balanza Agua hirviendo Agua fra HiloIV. PARTE EXPERIMENTALACTIVIDAD 1: CONSERVACION DE LA ENERGIAEn este experimento, combinaremos el agua caliente y fra de temperatura y masa conocidas. Usando la definicin de calora, podremos determinar la cantidad de energa calorfica que se transfiere en llevar el agua fra y caliente a su temperatura final comn, y por consiguiente determina si la energa calorfica es conservada en este proceso.PROCEDIMIENTO1. Determine la masa del calormetro vaco, Registre este resultado en Tabla 1.12. Llene el calormetro acerca de 1/3 lleno de agua fra. Mida la masa dela calormetro y el agua juntos para determinar Registre su resultado.3. Llene un segundo calormetro aproximadamente de agua caliente y fra, y registra sus resultados.4. Inmediatamente despus de medir a las temperatura, adale el agua caliente al agua fra y mezcle y con el termmetro mida hasta que la temperatura se estabilice. Registre la temperatura final de la mezcla 5. Mida la masa final del calormetro y la mezcla del agua, 6. Repita el procedimiento dos veces con diferente masa de agua y diferentes temperaturas (Usted puede tratar de aadir agua fra a caliente en lugar de caliente a frio).RECOLECCION DE DATOSTabla 1.1: Datos para el CobrePRUEBA 1PRUEBA 2

29.15 g29.15 g

197 g176 g

192 g165 g

11 C12.5 C

66 C74.7 C

35 C41.7 C

357 g308 g

Tabla 1.2: Datos para el AceroPRUEBA 1PRUEBA 2

29.15 gr29.15 gr

196 gr163 gr

177 gr179 gr

12 C13.5 C

67 C79.7 C

37 C46.5 C

342 gr308 gr

ANALISIS DE DATOSPARA EL COBRE:

PARA LA PRUEBA 1 COBREPARA LA PRUEBA 2 COBRE

H frio=(Magua fra)*( Tfria)*(1cal/g.c)Hfrio=(167.85)(24)1cal*g.c/g.c)H frio=4028.4 calHfrio=(Mfria)( T fria)(1cal/g.c)Hfrio=(146.85)(29.2)(1) gr.c.cal/g.cHfrio=4288.02 cal

H caliente=(M caliente)( Tcaliente)(1cal/g.c)H caliente=(162.85gr)(31c)(1cal/g.c)H calente= 5048.35 calHfrio=(Mcalientes)( T caliente)(1cal/g.c)Hfrio=(135.85)(33)(1) gr.c.cal/g.cHfrio=4483.05 cal

PRUEBA 1: COBREPRUEBA 2: COBRE

Magua fra167.85 gr146.85 gr

Magua caliente162.85 ge135.85 gr

T frio24c29.2c

T caliente31c33c

H frio4028.4 cal4288.02 cal

H caliente5048.35 cal4483.05 cal

PARA EL ACERO:PARA LA PRUEBA 1 ACEROPARA LA PRUEBA 2 ACERO

H frio=(Magua fra)*( Tfria)*(1cal/g.c)Hfrio=(166.85)(25)1cal*g.c/g.c)H frio=4171.25 calHfrio=(Mfria)( T fria)(1cal/g.c)Hfrio=(133.85)(33)(1) gr.c.cal/g.cHfrio=4417.05 cal

H caliente=(M caliente)( Tcaliente)(1cal/g.c)H caliente=(147.85gr)(30c)(1cal/g.c)H calente= 4435.5 calHfrio=(Mcalientes)( T caliente)(1cal/g.c)Hfrio=(149.85)(33.2)(1) gr.c.cal/g.cHfrio=4975.02 cal

PRUEBA 1: ACEROPRUEBA 2: ACERO

Magua fra166.85 gr133.85 gr

Magua caliente147.85 ge149.85 gr

T frio25c33c

T caliente30c33.2c

H frio4171.25 cal4417.05 cal

H caliente4435.5 cal4975.02 cal

1. De sus datos, haga los clculos necesarios para determinar a masa del agua fra y caliente () y tambin los cambios de temperatura experimentados por cada uno (). Entre en sus resultados en la Tabla 1.2.2. Usando las ecuaciones mostradas debajo, calcula a el calor ganado por el agua fra y caliente, respectivamente. Introduzca sus resultados en la tabla.

ACTIVIDAD 2: CALOR ESPECFICOPROCEDIMIENTOLa medida de la masa del calormetro que usted usara (deber estar vaco y seco). Registre su resultado en la Tabla 2.1Mida las masas del aluminio, el cobre, y las muestras de tungsteno. Registre estas masas en Tabla 2.01 en la fila designado.Pegue un hilo para cada uno de las muestra de metal y suspenda cada uno de las muestras en agua hirviendo. Espere unos minutos para que las muestras se calientes bien.Llene el calormetro aproximadamente con la agua fra utilizar el agua suficiente para cubrir la totalidad de cualquiera de las muestra de metal.La medida , es la temperatura del agua fra. Registre su medida en la Tabla.Inmediatamente despus de la medicin de la temperatura, remueva uno de los metas del agua hirviendo, rpidamente squelo con un pao, entonces suspndalo en el agua fra en el calormetro (la muestra debe estas completamente cubierta, pero no debe tocar la parte inferior del calormetro).Agite el agua y registre , la temperatura ms alta alcanzada por el agua entra en equilibrio trmico con la muestra de metal.Inmediatamente despus de tomas la temperatura, medida y registre la , la masa toral del calormetro, el agua, y el metal de muestra.RECOLECCION DE DATOSTabla 2.1: Los Datos y los ClculosPRUEBA 1 (COBRE)PRUEBA 2 (ACERO)

29.15 gr29.15 gr

90 gr78 gr

13.6C13.8C

16.2C16.1C

329 gr341 gr

209.85262 gr

2.6C2.3C

67.8C67.9C

C

Remplazando datos:Para el Cobre:

Para el Acero:

ANALISIS DE DATOSPara cada metal probado, use las ecuaciones mostradas abajo para determinar a , la masa del agua usada, el cambio de temperatura del agua cuando este entro en contacto con la muestra de metal, el cambio de temperatura de la muestra de metal cuando este entro en contacto con el agua. Registre sus resultados en la Tabla 2.1.

De la ley de conservacin de energa, el calor perdido por la muestra de metal debe igualar el calor ganado por el agua.El calor perdi por muestra= El calor ganado por el agua El es el calor especifico de agua, lo cual es 1.0 cal/g K.Utilice la ecuacin anterior, y los datos recogidos, para resolver los calores especficos de aluminio, cobre, y tungsteno. Registre sus resultados en la ltima fila de la Tabla 2.1.

LABORATORIO DE FISICA II