INTRODUCCION

Dentro de este experimento se llevara acabo la transferencia de agua fría y caliente de masas y temperaturas conocidas. Todo este procedimiento se llevara acabo empleando la definición de caloría a su vez la determinación de la energía térmica la cual es transferida en la mezcla hasta que esta alcance la temperatura de equilibrio.

I. OBJETIVOS

Usando la definición de caloría, determinar la

cantidad de energía térmica que es transferida

durante la mezcla de agua fría y caliente.

Determinar si la energía térmica se conserva en este

proceso.

II. MARCO TEORICO

Cuando dos sistemas u objetos a diferentes

temperaturas son puestos en contacto, la energía en

forma de calor es transferida del sistema más caliente

al más frío. Esta transferencia de calor eleva la

temperatura del sistema más frío y disminuye la

temperatura del sistema más caliente. Eventualmente

los dos sistemas alcanzan alguna temperatura

intermedia común, temperatura a la cual el flujo de

calor se detiene.

a unidad estándar para medir la transferencia de

calor es la caloría. Una caloría es definida como la

cantidad de energía requerida para elevar la

temperatura de un gramo de agua desde 14.5 0 C a

15.50 C. No obstante, para nuestro propósito, nosotros

podemos generalizar esta definición diciendo que una

caloría es la cantidad de energía requerida para

elevar la temperatura de un gramo de agua un grado

centígrado.

En este experimento se combinará agua caliente y

fría, de masas y temperaturas conocidas. Usando la

definición de caloría, determinaremos la cantidad de

energía térmica que es transferida en la mezcla hasta

alcanzar la temperatura de equilibrio, y de esta forma

determinar si la energía es conservada en el proceso.

En resumen la caloría es una unidad de energía

basada originalmente en las propiedades del agua, y

se definió como la cantidad de calor necesaria para

elevar la temperatura de un gramo de agua en un

grado Celsius. Así pues, el calor específico del agua

será exactamente Cp = 1 cal.g -1.C0-1. La caloría se

define actualmente en función del julio, y la

conversión es : 1 cal = 4.186 J.

Al tratar con un sistema de agua la caloría es una

unidad muy conveniente, ya que C p = 1.00 cal.g -1.C0-1

(con tres cifras significativas por encima del rango de

los 1000 C). Otra unidad similar de calor es el Btu

(British thermal unit), definida originalmente de

forma que 1 Btu elevaba la temperatura de 1 lb de

agua en 1 0F. La conversión es : 1 Btu = 1055 J.

III. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Determine la masa del calorímetro vacío M ca l. Registre

su resultado en la Tabla I.

2. Llene el calorímetro con agua fría hasta

aproximadamente 1/3 del volumen del calorímetro.

Pese el conjunto agua más calorímetro para determinar

Mca l + H2O, frío. Registre su resultado.

3. Llene un segundo calorímetro con agua caliente hasta

aproximadamente 1/3 del volumen del calorímetro. El

agua podría estar al menos 20 0 C sobre la temperatura

local. Pese el conjunto agua caliente más calorímetro

para determinar, M ca l + H2O, caliente. Registre sus

resultados.

4. Mida Tca l y T f r ío, las temperaturas en 0C del agua

caliente y fría, respectivamente y registre sus

resultados.

5. Inmediatamente después de medir las temperaturas,

añadir el agua caliente a la fría y agitar con el

termómetro hasta que la temperatura se estabilice.

Registre la temperatura final de la mezclas T f ina l.

6. Repita el experimento dos veces con diferentes masas

de agua a diferentes temperaturas.(Usted podría añadir

el agua fría a la caliente en vez del agua caliente a la

fría).

IV. ANALISIS DE DATOS :

TABLA IENSAYO 1 ENSAYO 2 ENSAYO 3

Mca l 54.41 gr. 54.41 gr. 54.41 gr. V.Mca l+H2O, f r ío 108.64

gr.121.82 gr. 113.82 gr.

Mca l+H2O,

ca l iente

105.36 gr.

111.08 gr. 116.8 gr.

Tca l iente 63 ºC 70.5 ºC 71 ºCT f r ío 10.3 ºC 9.1 ºC 9.9 ºC

T f ina l 29.6 ºC 31.7 ºC 34.8 ºCM f ina l 157.16

gr.174.97 gr. 179.8 gr.

Cálculo:

Restamos para cada caso la masa del calorímetro

(Mca l), para hallar las masas del agua, tanto frío como

caliente:

MH2O, f r ío = M ca l+H2O, f r ío - Mca l (F r ío )

MH2O, ca l iente = Mca l+H2O, ca l iente - Mca l (ca l iente)

Para el cálculo de los cambios de temperatura (T):

T f r ío = T f ina l - T f r ío

Tca l iente = Tca l iente -T f ina l

Calculamos el calor ganado por el agua fría y caliente

respectivamente:

Usamos las ecuaciones siguientes:

Q f r ío = (MH2O, f r ío) ( T f r ío) (1 cal/gr ºC)

Qca l iente =( MH2O, ca l iente) ( Tca l iente) (1 cal/gr ºC)

ENSAYO 1:

MH2O, f r ío = Mca l+H2O, f r ío - Mca l (F r ío )

MH2O, f r ío = 108.64 gr. – 54.41

MH2O, f r ío = 54.23 gr.

MH2O, ca l iente = Mca l+H2O, ca l iente - Mca l (ca l iente)

MH2O, ca l iente = 105.36 gr. – 56.22 gr.

MH2O, ca l iente = 49.14 gr.

T f r ío = T f ina l - T f r ío

T f r ío = 29.6 ºC – 10.3 ºC

T f r ío = 19.3 ºC

Tca l iente = Tca l iente -T f ina l

Tca l iente = 63 ºC – 29.6 ºC

Tca l iente = 33.4 ºC

Q f r ío = (MH2O, f r ío) ( T f r ío) (1 cal/gr ºC)

Q f r ío = (54.23 gr.)( 19.3 ºC) (1 cal/gr ºC)

Q f r ío = 1046.639 cal.

Qca l iente = ( MH2O, ca l iente) ( Tca l iente) (1 cal/gr ºC)

Qca l iente = (49.14 gr.)( 33.4 ºC) (1 cal/gr ºC)

Qca l iente = 1641.276 cal.

ENSAYO 2:

MH2O, f r ío = Mca l+H2O, f r ío - Mca l (F r ío ) MH2O, f r ío = 121.82 gr. – 54.41

MH2O, f r ío = 67.41 gr.

MH2O, ca l iente = Mca l+H2O, ca l iente - Mca l (ca l iente)

MH2O, ca l iente = 111.08 gr. – 56.22 gr.

MH2O, ca l iente = 54.86 gr.

T f r ío = T f ina l - T f r ío

T f r ío = 31.7 ºC – 9.1 ºC

T f r ío = 22.6 ºC

Tca l iente = Tca l iente -T f ina l

Tca l iente = 70.5 ºC – 31.7 ºC

Tca l iente = 38.8 ºC

Q f r ío = (MH2O, f r ío) ( T f r ío) (1 cal/gr ºC)

Q f r ío = (67.41 gr.)( 22.6 ºC) (1 cal/gr ºC)

Q f r ío = 1523.466 cal.

Qca l iente = ( MH2O, ca l iente) ( Tca l iente) (1 cal/gr ºC)

Qca l iente = (54.86 gr.)( 38.8 ºC) (1 cal/gr ºC)

Qca l iente = 2128.568 cal.

ENSAYO 3:

MH2O, f r ío = Mca l+H2O, f r ío - Mca l (F r ío )

MH2O, f r ío = 113.82 gr. – 54.41

MH2O, f r ío = 59.41 gr.

MH2O, ca l iente = Mca l+H2O, ca l iente - Mca l (ca l iente)

MH2O, ca l iente = 116.8 gr. – 56.22 gr.

MH2O, ca l iente = 60.58 gr.

T f r ío = T f ina l - T f r ío

T f r ío = 34.8 ºC – 9.9 ºC

T f r ío = 24.9 ºC

Tca l iente = Tca l iente -T f ina l

Tca l iente = 71 ºC – 34.8 ºC

Tca l iente = 36.2 ºC

Q f r ío = (MH2O, f r ío) ( T f r ío) (1 cal/gr ºC)

Q f r ío = (59.41 gr.)( 24.9 ºC) (1 cal/gr ºC)

Q f r ío = 1479.309 cal.

Qca l iente = ( MH2O, ca l iente) ( Tca l iente) (1 cal/gr ºC)

Qca l iente = (60.58 gr.)( 36.2 ºC) (1 cal/gr ºC)

Qca l iente = 2192.996 cal.

TABLA II. Cálculos

ENSAYO 1 ENSAYO 2 ENSAYO 3

MH2O, f r ío 54.23 gr. 67.41 gr. 59.41 gr.MH2O, ca l iente 49.14 gr. 54.86 gr. 60.58 gr.

T f r ío 19.3 ºC 22.6 ºC 24.9 ºCTca l iente 33.4 ºC 38.8 ºC 36.2 ºC

Q f r ío 1046.639 cal.

1523.466 cal.

1479.309 cal.

Qca l iente 1641.276 cal.

2128.568 cal.

2192.996 cal.

VI. CUESTIONARIO:

1. ¿Cuál tuvo más energía térmica, los dos depósitos de

agua antes que ellas fueran mezcladas o después que

ellas fueran mezcladas?. ¿Fue conservada la energía?

Antes que las muestras fueran mezcladas en los tres

ensayos, la mayor energía térmica se concentra en el

agua caliente. Después del resultado de los ensayos,

según la tabla II, en los tres casos la mayor energía

térmica también se concentró en el depósito del agua

caliente. Debido a que uno cede calor y el otro gana,

respectivamente y según el principio de calorimetría

se tiene que en dos cuerpos en contacto: Qganado

=Qced ido y según lo observado no cumple; con lo cual

podemos concluir que: NO HAY CONCERVACION DE

ENERGIA.

2. Distinguir alguna fuente no deseada de la pérdida o

ganancia de calor que podría haber tenido algún

efecto sobre el experimento.

Debido a que el experimento se llevó acabo en el

laboratorio y en contacto con el medio ambiente, es

evidente que hay pérdida de energía térmica que se

disipa en el aire.

Al medir la temperatura de las muestras de agua

caliente también hay pérdida de energía térmica.

El traslado de los recipientes con las muestras es otro

factor de pérdida de energía.

3. Si 200 gr. de agua a 85 ºC fueron añadidos a 150 gr.

de agua a 15 ºC, ¿Cuál podría ser la temperatura final

de equilibrio de la mezcla?

Según el principio fundamental de calorimetría:

Qganado =Qced ido

(Ceagua) ( m1) ( T1) = (Ceagua) ( m2) ( T2)

(200 gr.)(85 ºC - T) = (150 gr.)(T - 15 ºC)

1700 ºC – 20T = 15T - 225 ºC

1925 ºC = 35T

T = 55 ºC

4. Los pioneros encontraron que una tina larga de agua

colocada en el sótano de un almacén evitaba que se

congelara la comida en noches muy frías. Explique,

cómo es esto.

Se trata debido a que en el día el agua tiende ha

almacenar energía térmica en las horas de sol, el cual

es liberada en las noches cuando la temperatura es

baja; un ejemplo de la naturaleza es la que ocurre en

el lago Titicaca y los habitantes de las región del

altiplano, esto logra un equilibrio térmico; sin la

presencia del lago la temperatura sería mucho más

severa en esa región.

5. Una patata envuelta en una hoja de aluminio se cuece

en un horno, luego se seca y se quita el aluminio. Este

se enfría mucho más rápidamente que la patata.

¿Porqué?

Todos los metales tienen la propiedad de disipar

calor, en este caso el aluminio; por tal motivo la

patata tiene capacidad de retener calor mucho más

tiempo.

VII. RECOMENDACIONES:

Tomar las precauciones necesarias para retener el

calor en los ensayos.

Manipular los instrumentos con la mayor audacia

posible para usar el menor tiempo en la toma de las

temperaturas.

IV. BIBLIOGRAFIA

SERWAY. “Física”, pg. 539-540, Vol. IEdit. McGraw Hill, 1993.

TIPLER. “Física”, pg. 517-158, Vol. I Edit. Reverte, 1993.