1.Objetivos

Determinar experimentalmente la constante del calorímetro (capacidad

calorífica), empleando una muestra que produce una cantidad conocida de

calor.

Determinar la capacidad calorífica de un calorímetro.

Estudiar el efecto de la transferencia de calor entre el calorímetro y la muestra a

analizar

Verificar experimentalmente las distintas ecuaciones de cantidad de calor (Q).

Aplicar la Ley de Equilibrio Térmico a sistemas termodinámicos.

Aplicar la conservación de la energía en sistemas con transferencia de calor.

Afianzaremos los conceptos de calor, temperatura, calor específico, capacidad

calorífica.

2.Representación esquemática

Fig. 1 Masas de plomo aluminio y hierro

[Nombre del autor] 1

Fig. 2 Calentar el agua y hallar la capacidad calorífica del termo

Fig.3 De la misma manera a la anterior calentamos los metales

[Nombre del autor] 2

Fig. 4 Una vez en el equilibrio leer el termometro

3.Fundamento teórico

TEMPERATURA

La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente

o frío. Por lo general, un objeto más "caliente" tendrá una temperatura mayor.

Físicamente es una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un

sistema termodinámico. Más específicamente, está relacionada directamente

con la parte de la energía interna conocida como "energía sensible", que es la

energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un

sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida que es

mayor la energía sensible de un sistema se observa que esta más "caliente"

es decir, que su temperatura es mayor.

En el caso de un sólido, los movimientos en cuestión resultan ser las

vibraciones de las partículas en sus sitios dentro del sólido. En el caso de un

[Nombre del autor] 3

gas ideal monoatómico se trata de los movimientos traslacionales de sus

partículas (para los gases multiatómicos los movimientos rotacional y

vibracional deben tomarse en cuenta también).

Dicho lo anterior, se puede definir la temperatura como la cuantificación de la

actividad molecular de la materia.

El desarrollo de técnicas para la medición de la temperatura ha pasado por un

largo proceso histórico, ya que es necesario darle un valor numérico a una

idea intuitiva como es lo frío o lo caliente.

Multitud de propiedades fisicoquímicas de los materiales o las sustancias

varían en función de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo

su estado (sólido, líquido, gaseoso, plasma), su volumen, la solubilidad, la

presión de vapor, su color o la conductividad eléctrica. Así mismo es uno de

los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las reacciones

químicas.

La temperatura se mide con termómetros, los cuales pueden ser calibrados de

acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medición de la

temperatura. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de

temperatura es el kelvin (K), y la escala correspondiente es la escala Kelvin o

escala absoluta, que asocia el valor "cero kelvin" (0 K) al "cero absoluto", y se

gradúa con un tamaño de grado igual al del grado Celsius. Sin embargo, fuera

del ámbito científico el uso de otras escalas de temperatura es común. La

escala más extendida es la escala Celsius (antes llamada centígrada); y, en

mucha menor medida, y prácticamente sólo en los Estados Unidos, la escala

Fahrenheit. También se usa a veces la escala Rankine (°R) que establece su

punto de referencia en el mismo punto de la escala Kelvin, el cero absoluto,

pero con un tamaño de grado igual al de la Fahrenheit, y es usada únicamente

en Estados Unidos, y sólo en algunos campos de la ingeniería.

[Nombre del autor] 4

CALOR

El calor es la transferencia de energía térmica desde un sistema a otro de

menor temperatura. La energía térmica puede ser generada por reacciones

químicas (como en la combustión), reacciones nucleares (como en la fusión

nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen lugar en el interior del Sol),

disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o por

disipación mecánica (fricción). Su concepto está ligado al Principio Cero de la

Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía

hasta que su temperatura se equilibre.

El calor siempre se transfiere entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de

un mismo cuerpo que se encuentran a diferentes temperaturas y el flujo de

calor siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo

de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambos

cuerpos se encuentren en equilibrio térmico.

El calor puede ser transferido por diferentes mecanismos, entre los que cabe

reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de

los procesos reales todos los mecanismos anteriores se encuentran presentes

en mayor o menor grado.

El calor que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de

transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del

camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la

transferencia de parte de dicha energía interna (energía térmica) de un

sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura.

[Nombre del autor] 5

CALOR ESPECÍFICO

El calor específico es la energía necesaria para elevar 1 ºC la temperatura de una

masa determinada de una sustancia. El concepto de capacidad calorífica es análogo

al anterior pero para una masa de un mol de sustancia (en este caso es necesario

conocer la estructura química de la misma).

El calor específico es un parámetro que depende del material y relaciona el calor que

se proporciona a una masa determinada de una sustancia con el incremento de

temperatura:

Q=m∫T i

T f

ce dT

donde:

Q es el calor aportado al sistema

m es la masa del sistema

c es el calor específico del sistema

ΔT es el incremento de temperatura que experimenta el sistema

Las unidades más habituales de calor específico son:

[ce ]=[ JKg .K ]=[ cal

g .C]

El calor específico de un material depende de su temperatura; no obstante, en

muchos procesos termodinámicos su variación es tan pequeña que puede

considerarse que el calor específico es constante. Asimismo, también se diferencia

del proceso que se lleve a cabo, distinguiéndose especialmente el "calor específico a

presión constante" (en un proceso isobaro) y "calor específico a volumen constante

(en un proceso isocoro).

Q=mce∆T

De esta forma, y recordando la definición de caloría, se tiene que el calor específico

del agua es aproximadamente:

ceH2O=1.000[ cal

g .C]

[Nombre del autor] 6

CALOR ESPECÍFICO MOLAR

El calor específico de una sustancia es un índice importante de su constitución

molecular interna, y a menudo da información valiosa de los detalles de su

ordenación molecular y de las fuerzas intermoleculares. En este sentido, con

frecuencia es muy útil hablar de calor específico molar denotado por cm, y definido

como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un mol de una

sustancia en 1 grado es decir, está definida por:

cm=Qn ∆T

donde: n indica el la cantidad de moles en la sustancia presente.

CAPACIDAD CALORÍFICA

La capacidad calorífica de una sustancia es una magnitud que indica la mayor o

menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de

temperatura bajo el suministro de calor. Se denota por C y se define como:

CC=Q∆T

[ JK

]

Dado que:

ce=Qm∆T

→mce=Q∆T

→C c=mce

De igual forma se puede definir la capacidad calórica molar como:

Cn=nce

CAMBIOS DE FASE

En la naturaleza existen tres estados usuales de la materia: sólido, líquido y gaseoso.

Al aplicarle calor a una sustancia, ésta puede cambiar de un estado a otro. A estos

procesos se les conoce como Cambios de Fase. Los posibles cambios de fase son:

[Nombre del autor] 7

De estado sólido a líquido, llamado fusión,

De estado líquido a sólido, llamado solidificación,

De estado líquido a gaseoso, llamado evaporación o vaporización,

De estado gaseoso a líquido, llamado condensación,

De estado sólido a gaseoso, llamado sublimación progresiva,

De estado gaseoso a sólido, llamado sublimación regresiva o deposición,

De estado gaseoso a plasma, llamado ionización.

CALOR LATENTE

Un cuerpo sólido puede estar en equilibrio térmico con un líquido o un gas a cualquier

temperatura, o que un líquido y un gas pueden estar en equilibrio térmico entre sí, en

una amplia gama de temperaturas, ya que se trata de sustancias diferentes. Pero lo

que es menos evidente es que dos fases o estados de agregación, distintas de una

misma sustancia, puedan estar en equilibrio térmico entre sí en circunstancias

apropiadas.

Un sistema que consiste en formas sólida y líquida de determinada sustancia, a una

presión constante dada, puede estar en equilibrio térmico, pero únicamente a una

temperatura llamada punto de fusión simbolizado a veces como tf. A esta

temperatura, se necesita cierta cantidad de calor para poder fundir cierta cantidad del

material sólido, pero sin que haya un cambio significativo en su temperatura. A esta

cantidad de energía se le llama calor de fusión, calor latente de fusión o entalpía de

fusión, y varía según las diferentes sustancias. Se denota por Lf. El calor de fusión

representa la energía necesaria para deshacer la fase sólida que está estrechamente

unida y convertirla en líquido. Para convertir líquido en sólido se necesita la misma

cantidad de energía, por ellos el calor de fusión representa la energía necesaria para

cambiar del estado sólido a líquido, y también para pasar del estado líquido a sólido.

El calor de fusión se mide en:

[Lf ]=[ calg

]

De manera similar, un líquido y un vapor de una misma sustancia pueden estar en

equilibrio térmico a una temperatura llamada punto de ebullición simbolizado por te. El

[Nombre del autor] 8

calor necesario para evaporar una sustancia en estado líquido ( o condensar una

sustancia en estado de vapor ) se llama calor de ebullición o calor latente de

ebullición o entalpía de ebullición, y se mide en las mismas unidades que el calor

latente de fusión. Se denota por Le.

En la siguiente tabla se muestran algunos valores de los puntos de fusión y ebullición

y entalpías de algunas sustancias:

TRANSMISIÓN DE CALOR

El calor puede ser transmitido de tres formas distintas: por conducción, por

convección o por radiación.

Conducción térmica: es el proceso que se produce por contacto térmico entre dos

cuerpos, debido al contacto directo entre las partículas individuales de los cuerpos

que están a diferentes temperaturas, lo que produce que las partículas lleguen al

equilibrio térmico. Ej: cuchara metálica en la taza de té.

Convección térmica: sólo se produce en fluidos (líquidos o gases), ya que implica

movimiento de volúmenes de fluido de regiones que están a una temperatura, a

regiones que están a otra temperatura. El transporte de calor está

inseparablemente ligado al movimiento del propio medio. Ej.: los calefactores

dentro de la casa.

Radiación térmica: es el proceso por el cual se transmite a través de ondas

electromagnéticas. Implica doble transformación de la energía para llegar al

cuerpo al que se va a propagar: primero de energía térmica a radiante y luego

viceversa. Ej.: La energía solar.

La conducción pura se presenta sólo en materiales sólidos.

La convección siempre está acompañada de la conducción, debido al contacto directo

entre partículas de distinta temperatura en un líquido o gas en movimiento.

En el caso de la conducción, la temperatura de calentamiento depende del tipo de

material, de la sección del cuerpo y del largo del cuerpo. Esto explica porqué algunos

[Nombre del autor] 9

cuerpos se calientan más rápido que otros a pesar de tener exactamente la misma

forma, y que se les entregue la misma cantidad de calor.

Conductividad térmica

La conductividad térmica de un cuerpo está dada por:

Q∆t

= kA ∆TL

donde:

Q es el calor entregado,

Δt es el intervalo de tiempo durante el cual se entregó calor,

A es la sección del cuerpo,

L es la longitud, y

ΔT es el incremento en la temperatura.

FACTORES QUE AFECTAN EL CALOR ESPECÍFICO

Las moléculas tienen una estructura interna porque están compuestas de átomos que tienen diferentes formas de moverse en las moléculas. La energía cinética almacenada en estos grados de libertad internos no contribuye a la temperatura de la sustancia sino a su calor específico.

[Nombre del autor] 10

4.Hoja de datos

[Nombre del autor] 11

5.Resultados5.1. Cálculos y resultados

CALIBRACIÓN DEL CALORÍMETRO

Hallamos la capacidad calorífica del recipiente (C )

C .∆T +m1H2O.CeH 2O

.∆T=−m2H2O.CeH2O .∆T 1

m1H2O=210gr ∆T=(43−20 )° C=13 °C

m2H2O=140gr ∆T 1=(43−80 )° C=−37 °C

C=188.46 cal°C

PARA Ce DE LOS METALES

C .∆T +mH 2O.CeH 2O

.∆T=−m .Ce .∆T 1

PARA m1:

(188,46) .2+170.1.2=−(72.1 ) .Ce1 . (−70 )

mH2O=170gr ∆T=(23−21 ) °C=2 °C

m=72,1 gr ∆T 1=(23−93 ) °C=−70 ° C

Ce1=0.142calgr . ° C

PARA m2:

(188,46 ) .8+150.1 .8=− (155,8 ) .Ce2 . (−66 )

mH2O=150gr ∆T=(28−20 ) °C=8° C

m=155,8 gr ∆T 1=(28−94 )° C=−66 °C

Ce2=0.263calgr .° C

[Nombre del autor] 12

PARA m3:

(188,46 ) .2+210.1 .2=−(22,6 ) .Ce3 . (−72 )

mH2O=210gr ∆T=(23−21 ) °C=2 °C

m=22,6 gr ∆T 1=(23−95 ) °C=−72 ° C

Ce2=0.4897calgr .° C

6.Conclusiones

En el cálculo del calor especifico de las muestras sólidas (fierro, aluminio, plomo) se encontró que nuestros valores hallados distan considerablemente de los valoras promedio encontrados en los textos de física. Pese a esto se guarda una correcta proporción en los resultados.

El calor es energía que es transferida de un sistema a otro, debido a que se encuentran a diferentes niveles de temperatura. Por esta razón, al poner los dos cuerpos en contacto, el que se encuentra a mayor temperatura transfiere calor al otro hasta que se logra el equilibrio térmico.

Distintas sustancias tienen diferentes capacidades para almacenar energía interna al igual que para absorber energía y una buena parte de la energía hace aumentar la intensidad de las vibración de las redes atómicas y este tipo de movimiento es el responsable del aumento en la temperatura.

Cuando la temperatura del sistema aumenta Q y ∆T se consideran positivas, lo que corresponde a que la energía térmica fluye hacia el sistema, cuando la temperatura disminuye, Q y ∆T son negativas y la energía térmica fluye hacia fuera del sistema.

El equilibrio térmico se establece entre sustancias en contacto térmico por la transferencia de energía, en este caso calor; para calcular la temperatura de equilibrio es necesario recurrir a la conservación de energía ya que al no efectuarse trabajo mecánico la energía térmica total del sistema se mantiene.

Se concluye que los tres tipos de materiales tienen diferentes valores, de acuerdo a sus propiedades físicas.

[Nombre del autor] 13

7.Recomendaciones

Se recomienda el uso de guantes aislantes del calor, para prevenir cualquier accidente de quemadura, ya que se trabaja a temperaturas mayores a 50°C.

Se recomienda que la experiencia se realice con mucho cuidado y rapidez para que al momento de vaciar el agua al termo no se disipe mucho calor al medio exterior.

Se recomienda hacer el experimento tres veces para así trabajar con mayor precisión y que el resultado se aproxime más al real.

Para la primera parte de la experiencia, se recomienda humectar la ollita antes de vaciar el contenido de la probeta a fin de compensar las pérdidas de masa de agua.

Se recomienda calentar el agua de manera moderada y de preferencia menos de 100°C.

[Nombre del autor] 14

8.Bibliografía

FÍSICA UNIVERSITARIA VOLUMEN I, Sears, Zemansky, Young, Fredman, Pearson.

FÍSICA VOLUMEN I, Tipler, Mosca, Reverté. FÍSICA GENERAL, Burbano. FÍSICA II, Leyva Naveros, Moshera. Resnik Halliday Krane (2002). Física Volumen 1. Serway Jewet (2003). Física 1. Thomson.

[Nombre del autor] 15