UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA

FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

INFORME DE LABORATORIO N5Calor especfico de slidos

ASIGNATURA: FSICA II

SEMESTRE : 2012- I SECCIN: C

DOCENTE : LIC. NGEL PAREDES CARLOS

ALUMNOS : CHIRINOS VASQUEZ, CARLO CESAR 20111048F LLACUA ANCO ALVARO WILLIAM 20111231E

NDICE

OBJETIVOS 1

FUNDAMENTO TEORICO 2

PROCEDIMIENTO 8

EQUIPO 9

CALCULOS Y RESULTADOS 10

OBSERVACIONES 14

CONCLUSIONES 15

BIBLIOGRAFIA 16

OBJETIVOS1. Determinar la Capacidad Calorfica de un calormetro

2. Determinar el calor especfico de muestras slidas.

3. Aprender a utilizar materiales de laboratorio necesarias para este caso.

4. Tener presente los errores posibles debido a la imprecisin en los materiales a emplear.

FUNDAMENTO TERICOConcepto de temperaturaLa temperatura es la sensacin fsica que nos produce un cuerpo cuando entramos en contacto con l.Observamos cambios en los cuerpos cuando cambian su temperatura, por ejemplo, la dilatacin que experimenta un cuerpo cuando incrementa su temperatura. Esta propiedad se usa para medir la temperatura de un sistema. Pensemos en los termmetros que consisten en un pequeo depsito de mercurio que asciende por un capilar a medida que se incrementa la temperatura.

Concepto de calorCuando dos cuerpos A y B que tienen diferentes temperaturas se ponen en contacto trmico, despus de un cierto tiempo, alcanzan la condicin de equilibrio en la que ambos cuerpos estn a la misma temperatura. Un fenmeno fsico anlogo son losvasos comunicantes.Supongamos que la temperatura del cuerpo A es mayor que la del cuerpo B,TA>TB.Observaremos que la temperatura de B se eleva hasta que se hace casi igual a la de A. En el proceso inverso, si el objeto B tiene una temperaturaTB>TA,el bao A eleva un poco su temperatura hasta que ambas se igualan.

Cuando un sistema de masa grande se pone en contacto con un sistema de masa pequea que est a diferente temperatura, la temperatura de equilibrio resultante est prxima a la del sistema grande.Decimos que una cantidad de calorQse transfiere desde el sistema de mayor temperatura al sistema de menor temperatura. La cantidad de calor transferida es proporcional al cambio de temperaturaT. La constante de proporcionalidadCse denomina capacidad calorfica del sistema.Q=CTSi los cuerpos A y B son los dos componentes de un sistema aislado, el cuerpo que est a mayor temperatura transfiere calor al cuerpo que est a menos temperatura hasta que ambas se igualanSiTA>TB El cuerpo A cede calor:QA=CA(T-TA), entoncesQA0ComoQA+QB=0La temperatura de equilibrio, se obtiene mediante la media ponderada

Calor especficoEl calor especfico es una magnitud fsica que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinmico para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). En general, el valor del calor especfico depende de dicha temperatura inicial.1 2 Se la representa con la letra (minscula).

De forma anloga, se define la capacidad calorfica como la cantidad de calor que hay que suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). Se la representa con la letra (mayscula).

Por lo tanto, el calor especfico es el cociente entre la capacidad calorfica y la masa, esto es donde es la masa de la sustancia.1Joule demostr la equivalencia entre calor y trabajo 1cal=4.186 J. Por razones histricas la unidad de calor no es la misma que la de trabajo, el calor se suele expresar en caloras.El calor especfico del agua esc=1 cal/(g C). Hay que suministrar una calora para que un gramo de agua eleve su temperatura en un grado centgrado.Factores que afectan el calor especfico Las molculas tienen una estructura interna porque estn compuestas de tomos que tienen diferentes formas de moverse en las molculas. La energa cintica almacenada en estos grados de libertad internos no contribuye a la temperatura de la sustancia sino a su calor especfico.

Grados de libertadEl comportamiento termodinmico de las molculas de los gases monoatmicos, como el helio y de los gases biatmicos, el hidrgeno es muy diferente. En los gases monoatmicos, la energa interna corresponde nicamente a movimientos de traslacin. Los movimientos traslacionales son movimientos de cuerpo completo en un espacio tridimensional en el que las partculas se mueven e intercambian energa en colisiones en forma similar a como lo haran pelotas de goma encerradas en un recipiente que se agitaran con fuerza. (vea la animacin aqu). Estos movimientos simples en los ejes dimensionales X, Y, y Z implican que los gases monoatmicos slo tienen tres grados de libertad traslacionales.Las molculas con mayor atomicidad, en cambio tienen varios grados de libertad internos, rotacionales y vibracionales, adicionales ya que son objetos complejos. SE comportan como una poblacin de tomos que pueden moverse dentro de una molcula de distintas formas (ver la animacin a la derecha). La energa interna se almacena en estos movimientos internos. Por ejemplo, el Nitrgeno, que es una molcula diatmica, tiene cinco grados de libertad disponibles: los tres traslacionales ms dos rotacionales de libertad interna. Cabe destacar que la capacidad calorfica molar a volumen constante de los gases monoatmicos es , siendo R la Constante Universal de los gases ideales, mientras que para el Nitrgeno (biatmico) vale , lo cual muestra claramente la relacin entre los grados de libertad y el calor especfico.Masa molarUna de las razones por las que el calor especfico adopta diferentes valores para diferentes sustancias es la diferencia en masas molares, que es la masa de un mol de cualquier elemento, la cual es directamente proporcional a la masa molecular del elemento, suma de los valores de las masas atmicas de la molcula en cuestin. La energa calorfica se almacena gracias a la existencia de tomos o molculas vibrando. Si una sustancia tiene una masa molar ms ligera, entonces cada gramo de ella tiene ms tomos o molculas disponibles para almacenar energa. Es por esto que el hidrgeno, la sustancia con la menor masa molar, tiene un calor especfico tan elevado; porque un gramo de esta sustancia contiene una cantidad tan grande de molculas.Una consecuencia de este fenmeno es que, cuando se mide el calor especfico en trminos molares la diferencia entre sustancias se hace menos pronunciada, y el calor especfico del hidrgeno deja de ser atpico. En forma correspondiente, las sustancias moleculares (que tambin absorben calor en sus grados internos de libertad), pueden almacenar grandes cantidades de energa por mol si se trata de molculas grandes y complejas, y en consecuencia su calor especfico medido en trminos msicos es menos notable.Ya que la densidad media de un elemento qumico est fuertemente relacionada con su masa molar, existe en trminos generales, una fuerte correlacin inversa entre la densidad del slido y su cp (calor especfico a presin constante medido en trminos msicos). Grandes lingotes de slidos de baja densidad tienden a absorber ms calor que un lingote pequeo de un slido de la misma masa pero de mayor densidad ya que el primero por lo general contiene ms tomos. En consecuencia, en trminos generales, hay una correlacin cercana entre el volumen de un elemento slido y su capacidad calorfica total. Hay sin embargo, muchas desviaciones de esta correlacin general.

Enlaces puente de hidrgenoLas molculas que contienen enlaces polares de hidrgeno tienen la capacidad de almacenar energa calorfica en stos enlaces, conocidos como puentes de hidrgeno.

ImpurezasEn el caso de las aleaciones, hay ciertas condiciones en las cuales pequeas impurezas pueden alterar en gran medida el calor especfico medido. Las aleaciones pueden mostrar una marcada diferencia en su comportamiento incluso si la impureza en cuestin es uno de los elementos que forman la aleacin; por ejemplo, las impurezas en aleaciones semiconductoras ferromagnticas pueden llevar a mediciones muy diferentes, tal como predijeron por primera vez White y Hogan.10

Fundamentos fsicosCuando varios cuerpos a diferentes temperaturas se encuentran en un recinto adiabtico se producen intercambios calorficos entre ellos alcanzndose la temperatura de equilibrio al cabo de cierto tiempo. Cuando se ha alcanzado este equilibrio se debe cumplir que la suma de las cantidades de calor intercambiadas es cero.Se define calor especficoccomo la cantidad de calor que hay que proporcionar a un gramo de sustancia para que eleve su temperatura en un grado centgrado. En el caso particular del aguacvale 1 cal/(g C) 4186 J(kg K).La unidad de calor especfico que ms se usa es cal/(g C) sin embargo, debemos de ir acostumbrndonos a usar el Sistema Internacional de Unidades de Medida, y expresar el calor especfico en J/(kgK). El factor de conversin es 4186.

SustanciaCalor especfico (J/kgK)

Acero460

Aluminio880

Cobre390

Estao230

Hierro450

Mercurio138

Oro130

Plata235

Plomo130

Sodio1300

PROCEDIMIENTODeterminacin de la capacidad calorfica (o equivalente en agua) del calormetro.1. Coloque dentro del calormetro una cantidad de agua a temperatura menor que la del ambiente.2. Deje que se establezca el equilibrio y medir la temperatura de equilibrio 3. Caliente agua en la olla a una temperatura y colocar una cantidad de esta agua en el calormetro.4. Mida la nueva temperatura de equilibrio.Determinacin del calor especfico del slido

1. Se pesa con una balanza una pieza de material slido de calor especficocdesconocido, resultandomsu masa. Se pone la pieza en agua casi hirviendo a la temperaturaT.2. Se ponenMgramos de agua en el calormetro, se agita y despus de poco de tiempo, se mide su temperaturaT0.3. Se deposita rpidamente la pieza de slido en el calormetro. Se agita, y despus de un cierto tiempo se alcanza la temperatura de equilibrioTe.Se apuntan los datos y se obtiene una frmula:

EQUIPO

1) Calormetro2) Termmetro3) Agua4) Dos slidos de masas conocidas5) Olla para calentar el agua6) Una balanza7) Un matraz8) Un mechero a gas

Clculos y Resultados1. Hallar la Capacidad Calorfica del TermoTa = Temperatura del Termo y el agua inicial en equilibrioTb = Temperatura del agua calienteTeq = Temperatura en Equilibrio Final ma = Masa del agua inicial en el termo mb = Masa del agua caliente = Capacidad calorfica del termo1er Vez = = = 71.111 Caloras/2da Vez= = = 71.111 Caloras/3ra Vez= = =67.53731 Caloras/

Calculando la incertidumbre de la Capacidad Calorfica = = (). = . (I) . = . = . = . = (II)La expresin (I) quedara de la forma:(I): .Entonces el valor de , quedar de la siguiente manera: . + 1era Vez = = 27.5728 Caloras/

2da Vez = = 19.15226 Caloras/3era Vez = = 17.59 Caloras/

Hallando el promedio = 69.52301786 Caloras/Hallando el promedio = = 11.72539 Caloras/

2. Hallar el Calor Especifico de dos Solidos (Para el PbSe tiene: = = = 0.02148725 Caloras/g.

Hallando la incertidumbre del , se llega a la siguiente expresin:= = 0.1088990216 Caloras/g.

Para el AlSe tiene: = = = 0.30467206 Caloras/g.

Hallando la incertidumbre del , se llega a la siguiente expresin:= = 0.1214914 Caloras/g.

OBSERVACIONES La masa de agua necesaria es arbitraria.

La temperatura del slido es arbitraria.

El volumen empleado es arbitrario.

El procedimiento para los dos slidos es el mismo.

El error tambin pudo ocasionarse al momento de sacar el slido del recipiente con agua caliente para ponerlo en el calormetro, teniendo contacto as con el medio ambiente perdiendo energa en forma de calor.

CONCLUSIONES Al calcular tres veces el calor especfico de un slido sale aproximadamente igual, lo cual indica un error debido a los materiales utilizados. Se debe tomar en cuenta el error en la temperatura que marca el termmetro, las masas y el volumen. El porcentaje de error depender del experimento hecho en laboratorio. Se comprob el principio de conservacin de la energa. Distintas sustancias tienen diferentes capacidades calorficas El calor es energa transferida de un cuerpo de mayor temperatura a uno de menor temperatura. El equilibrio se establece por sustancias en contacto trmico por la transferencia de energa.

Bibliografa

SERWAY, Raymond A. Fsica, Cuarta Edicin. Editorial McGraw-Hill, 1996. Sears Zemansky. Fsica universitaria. Volumen I. 12ava edicin. cap. XIII. Pag.419; 438. Editorial Addison-Wesley. Mxico 2009. Www.wikipedia.com Www.monografas.com Marcelo Alonso, Edward J. Finn. Addison-Wesley Iberoamericana