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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO.

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ARAGÓN.

Laboratorio de termodinámica.

Práctica numero 4: CALORIMETRIA.

Grupo: TRM05.

Alumno: Fernández Cano Veronico David Ricardo.

Profesor: Ing. Chico Venancio.

Fecha de realización: 12\07\2012. Fecha de entrega:19/07/2012.

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PRACTICA 4 "CALORIMETRIA"

OBJETIVO:

Determinar la constante en un calorímetro por el método de mezclas y aplicar el concepto de calor especifico, para una sustancia limpia.

ACTIVIDADES:

Determinar la constante de un calorímetro mezclando agua caliente y agua fría. Calcular el calor específico del agua, proporcionando calor al agua de un calorímetro por medio de una resistencia.

MATERIAL Y/O EQUIPO:

1 Parrilla eléctrica de 750W.1 Cronometro1 Calorímetro2 Termómetros1 Resistencia eléctrica de inmersión2 Vasos de precipitados de 400 ml.1 Balanza granataria1 Multimetro1 Pesa de 1Kg1 Pesa de 1/2 Kg1 Guante de asbesto1 Agitador de Vidrio1 Probeta graduada

SUSTANCIAS:

Agua potable.

ASPECTOS TEORICOS

CALOR O ENERGIA TERMICA:

Es la suma de la energía cinética de todas las moléculas, cuyo resultado es la ganancia o perdida de energía interna; el calor es simplemente otra forma de energía que puede medirse solo en función del efecto que produce. Existen 2 unidades para medir calor:

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a) CALORIA (cal): Es el calor necesario para aumentar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius.

b) UNIDAD TECNICA BRITANICA (BTU): Es la cantidad de calor necesario para elevar un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua-

CAPACIDAD CALORIFICA

Es la relación existente entre la cantidad de calor de una sustancia y su correspondiente elevación de temperatura:

C=ΔQ/ΔT

La capacidad calorífica de una sustancia tiene un valor mayor si se lleva a cabo a presión constante, que si se realiza a volumen constante, ya que al aplicar presión constante a una sustancia, esta sufre un aumento en su volumen, lo que provoca una disminución en su temperatura y en consecuencia, necesitara más calor para elevarla. A volumen constante, todo el calor suministrado a la sustancia pasa aumentar la energía cinética de las moléculas, por tanto, la temperatura se incrementa con mayor facilidad.

CALOR ESPECÍFICO (Ce): De una sustancia es igual a la capacidad calorífica de dicha sustancia entre su masa: Ce=c /m

Y como:

C=¿ ΔQ/ΔT

Sustituyendo:

Ce= ΔQ/ΔT m

Por lo tanto: Q=mCeΔT

En términos prácticos el Ce de una sustancia se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado la temperatura de una masa unitaria de la sustancia.

Calorímetro.-Es un recipiente que permite medir las cantidades de calor que interactúan cuando se mezclan sustancias a diferentes temperaturas éstas tienden a alcanzar el equilibrio térmico, es decir, mientras una pierde calor la otra gana, por ello se realiza un balance de energía en el calorímetro y se cumple que: “En cualquier intercambio de calor efectuado, el calor cedido es igual al absorbido”:

Q₂= Q₁

Por lo tato:

m₂Ce₂(T₂-T₁) = m₁Ce₁(T₂-T₁)

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DESARROLLO

ACTIVIDAD 1: "CONSTANTE DE UN CALORIMETRO"

1. Calibrar la balanza.

2. Medir la masa del calorímetro. Anotar su valor en la tabla 4.1ª

3. Con la probeta medir 200 ml de agua fría, vaciarlos en el calorímetro.

4. Medir la masa del agua fría. (Resta la masa del calorímetro con la masa del agua). Anotar su valor en la tabla 4.1 A

5. Con el termómetro medir la temperatura del agua hasta que esta se estabilice. Anotar su valor en la tabla 4.1 A (Considerar esta como la temperatura T₁)

6. con la probeta medir 200 ml de agua, vacíe los en el vaso de precipitado de 400ml y medir la masa del agua, misma que sería la del agua caliente. Anotar su valor en la tabla 4.1 A

7. Colocar el vaso sobre la parrilla.

8. Conectar la parrilla a la toma de corriente.

9. Introducir el termómetro en el vaso, procurando que este no toque el fondo, espere a que el agua alcance una temperatura de 40 °C.

10. Con el guante de asbesto puesto, retirar el vaso de la parrilla y colocarlo sobre la zona de trabajo de la mesa.

11. Espere a que la temperatura de vaso se estabilice, esta será considerada como la temperatura (T₂). Anotar su valor en la tabla 4.1 A

12. Verter el agua del vaso en el calorímetro, mezclar con el agitador y esperar a que la temperatura se estabilice. Considerar esta como la temperatura tres (T₃). Anotar el valor en la tabla 4.1 A

13. Por medio del siguiente análisis, determinar la constante del calorímetro (K calorímetro). Anexa la memoria de cálculos en el reporte y coloca los resultados que se piden en la tabla 4.1B y 4.1B-BIS.

Q cedido=Q ganado

Q cedido del agua caliente= Q ganado por el agua fría + el calor ganado por el calorímetro.

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Para calcular la cantidad de calor Q necesario para el cambio de temperatura:

Por lo que:

Q cedido del agua caliente=M agua caliente Ce agua caliente (T₂ agua-T₃ agua)

Q ganado del agua fría=M agua fría Ce agua fría (T₃ agua-T₁ agua)

Q ganado por el calorímetro= M Calorímetro Ce calorímetro (T₃ agua-T₁ agua)

Donde:

M calorímetro Ce calorímetro =K; (K es la constante del calorímetro)

Por lo tanto:

Q ganado por el calorímetro= K calorímetro (T₃ agua-T₁ agua)

Y el calor cedido:

Q cedido= M agua fría Ce agua fría (T₃ agua-T₁ agua)+K calorímetro (T₃ agua-T₁ agua)

Despejando la constante del calorímetro se tiene:

K=Qcedido delagua caliente−Qganado del agua fria

(T ¿¿3−T 1agua)¿

ACTIVIDAD II: CALOR ESPECÍFICO DE UN LÍQUIDO.

1. Calibrar la balanza

2. Medir la masa del calorímetro vacio. Anotar el valor en la tabla 4.2ª

3. Suministra en el calorímetro 450ml de agua para que se cubra por completo la resistencia de inmersión.

4. Medir la masa del agua. (Resta la masa del calorímetro con la masa del agua).Anotar su valor en la tabla 4.2ª

5. Con el termómetro medir la temperatura inicial del agua. Anotar su valor en la tabla 4.2ª

6. Medir el valor de la resistencia de inmersión. Anotar su valor en la tabla 4.2ª

7. Medir el valor del voltaje de línea. Anotar su valor en la tabla 4.2ª

8. Sin retirar el termómetro, sumergir la resistencia completamente dentro del calorímetro.

9. Tomar el tiempo con el cronometro en el momento de conectar la resistencia.

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10. Interrumpir el tiempo del cronometro cuando la temperatura del agua haya alcanzado los 80°C. Anotar el tiempo en la tabla 4.2A

11. Para determinar el calor especifico del agua a presión constante, utilizar el método de suministro de energía eléctrica, que dice: "Por medio de una resistencia se elevara la temperatura a una cantidad de agua en función del trabajo eléctrico realizado", es decir:

W = v ²R

× t

Para conocer el calor suministrado al agua en términos de calorías se tiene que:

volt ²ohm

· seg=.2389cal .=1 joule .

Por lo que el calor cedido por la resistencia a presión constante, sin considerar perdidas es:

Qcedido= v ²R

·t (.2389)

El calor ganado por el agua es:

Q ganado por el agua=Q cedido - Q ganado por el calorímetro.......... 1

Y si el calor del agua es: Q agua=M Ce agua(Tfagua-Tiagua)................. 2

Igualando 1 y 2 tenemos: M Ce agua (Tf agua - Ti agua)=Q cedido res – Q ganado por el calorímetro Despejando:

Si Q cedido res= v ²R

·t (.2389)

Y Q ganado calorímetro = K calorímetro (Tf agua –Ti agua)

Entonces, el calor específico real del agua para este experimento es:

Ceagua=

v ²R

·t ( .2389 )−K calorimetro(Tf H ₂O−Ti H ₂O)

M agua(Tf agua−Tiagua)

Donde:

W=Trabajo realizado(Joule)

R= Resistencia(Ω)

Q= Calor suministrado (J)

t = tiempo suministrado de calor (s)

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V= voltaje de la línea (v)

Rota: R y V pueden obtenerse empleando un multimetro o tomando en cuenta la ley de ohm, que nos dice que la corriente eléctrica que circula en un circuito (resistencia)es directamente proporcional al voltaje aplicado a este, e inversamente proporcional a la resistencia de este.

Tabla 4.1 A

CONCEPTO SIMBOLO UNIDAD LECTURAMasa del vaso M vaso gr 153.6

Masa del vaso con agua M vaso agua gr 354.5Masa del calorímetro M cal gr 200.9Masa del calorímetro

con aguaMcal-agua gr 598.2

Masa del agua fría M agua-fría gr 444.6Temperatura inicial del

agua fríaTi agua ᵒC 22

Temperatura inicial del agua caliente

T2 agua ᵒC 40

Temperatura de equilibrio

T3 agua ᵒC 34

Masa del agua caliente M agua caliente gr 195.8

Tabla 4.2 A

CONCEPTO SIMBOLO UNIDAD LECTURAMasa del calorímetro M-cal gr 153.6Masa del calorímetro

con aguaM-cal agua gr 598.2

Masa del agua M agua gr 444.6Temperatura inicial del

aguaTi del agua ᵒC 22

Tiempo de suministro de energía al agua

T Seg 3.55.27

Temperatura final del agua

Tf del agua ᵒC 80

Resistencia de inmersión R Ω 1.3voltaje V v 128

CÁLCULOS

Kcal = mcal Ccal

Qac = Qaf + Kcal (T₃-T₁)

Ccal = Kcal/mcal

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Kcal = Qac - Qaf/T₃-T₁

Ccal= 10.1/87.7= 0.11516 cal/gr °C

Kcal=1282.8-1222.2/34-28= 10.1cal/°C

Ca = 1 cal/gr °C

Qc=Qg

Qc = Qac = (mac(Ca)) (T₂-T₁)= 213.8*1*(40-34)=1282.8 cal

Qg = Qaf + Qcal

Qaf = maf *Ca * (T₃-T₁)= 203.7*1*(34-28) = 1222.2 cal

Qcal = Kcal*(T₃-T₁) = 10.1*(34-28) = 60.6 cal

Q R= V²/R(t)*(0.2389) =129.3²/20*228*(0.2389)= 45532.13878 cal

Qc=Qg

QR=Qa + Qcal

Qa=QR- Qcal

Qcal= Kcal (Tf-Ti)= 10.1(77-29)=484.8 cal

MaCa(Tf-Ti) = QR - Qcal

Ca = QR-Qcal/ma(Tf-Ti)=45532.13878-484.8/785.3+(77-29)= 1.195067 cal

CONVENCIONES

1282.8 cal X (0.00397 BTU)/1cal = 5.0927 BTU

1282.8 cal X(0.00116 J)/1 cal = 1.4880 J

5.0927 BTU X(1.055*10¹⁰Erg)/1 BTU = 5.3727*10¹⁰Erg

1222.2 cal X(0.00397 BTU)/1 cal = 4.8521

1222.2 cal X (0.00116 J)/ 1 cal = 1.4177 J

4.8521 BTU X (1.055*10¹⁰Erg)/1 BTU = 5.1189*10¹⁰

60.6 cal X (0.00397 BTU)/1 cal = 0.2405 BTU

60.6 cal X (0.00116 J)/1 cal = 0.0702 J

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0.2405 BTU X (1.055*10¹⁰Erg)/1 BTU = 2.405*10⁹

10.1 cal/°C X(1 BTU/°F)/1 cal/°C= 10.1 BTU/°F

10.1 cal/°C X (0.001163 J/°C)/1 cal/°C = 0.0117 J/°C

10.1 BTU/°F X (1.055*10¹⁰Erg/°C)/1 BTU/°F= 1.06555*10¹¹ Erg/°C

Qe=

V 2

R( t ) ·(.2389)

m(Tf −Ti)=45532.13878−484.8 ·(77−29)

785.3 ·(77−29)

Qei=

V ²R

m(Tf −Ti)=

45532.13785.3(77−29)

=1.207cal

grᵒC

TABLA 4.1B

CONCEPTO JOULE ERGIO BTU CALQ cedido por el agua caliente

1.488 5.372X10¹⁰ 5.09 1282.9

Q ganado por el agua fría

1.41 5.11X10¹⁰ 4.85 1222.2

Q ganado por el agua del

calorímetro

.07 2.405X10⁹ .2405 60.6

CONCEPTO J/⁰C ERGIO/⁰C BTU/⁰C CAL/⁰CK calorímetro .0117 1.06X10¹¹ 10 10

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TABLA 4.2B

CONCEPTO SIMBOLO UNIDADES RESULTADOSTrabajo eléctrico W J 190590.7

Voltaje V Volts 129.3Calor cedido por la

resistenciaQ cedido por la

resistenciaCal 45532.13

CONCEPTO SIMBOLO KJ/KgᵒK Kcal/KgᵒC BTU/Lb⁰FCalor especifico del

agua realCe agua real .5905 .5905 .5905

Calor especifico del agua ideal

Ce agua ideal 1.206 1.206 1.206

CUESTIONARIO 4

1.- ¿Porque los calores específicos del agua son diferentes?

El calor específico de una sustancia varía de acuerdo a su densidad.

2.-¿Como se determina la constante de un calorímetro?

Se ocupa la “constante calorimétrica” de la formula.

3.- Un bloque de madera y uno de metal están a la misma temperatura, cuando los bloques se sienten fríos, el metal se siente más frio que la madera, cuando los bloques se sienten calientes, el metal se siente más caliente que la madera. Dar una explicación del por qué. ¿A qué temperatura se sentirán los bloques igualmente fríos o calientes?

Porque aunque 2 sustancias diferentes alcancen la misma temperatura eso no significa que tengan la misma energía interna. Para este caso el metal es buen conductor del calor, contrariamente a la madera que es material aislante.

4.-¿Porque es importante proteger las tuberías de agua para que no se congelen?

Porque esto obstruiría el flujo normal del agua ya que si es posible que el agua que corre por la tubería llegue a congelarse.

5.- Si el calor especifico del agua fuera menor. ¿Qué probabilidades existirían de que los lagos se congelasen en invierno?

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De hecho seria más común que los lagos se congelaran, ya que el punto de fusión del agua seria a una temperatura más alta.

6.- En los viejos tiempos era común llevarse objetos calientes a la cama en las noches frías de invierno. ¿Cuál de estos objetos sería más eficaz: Un bloque de hierro de 10kg o una botella con 10 Kg de agua caliente a la misma temperatura?.Explicar

Para el caso del hierro quemaría la superficie de la cama , pero en cambio el agua caliente solo transmitiría el calor hasta que se produjera el equilibrio térmico.

7.-¿Que significa afirmar que un material tiene una capacidad calorífica grande o pequeña?

La cantidad de calor necesaria para que una partícula o un sistema termodinámico, eleven su temperatura en 1°C.

8.-¿Porque es incorrecto decir, la materia "contiene" calor?

Lo que realmente contiene la materia es la energía cinética de sus moléculas que a su vez generan el calor que está en contacto con la materia y se transmite a esta.

9.- ¿A qué temperatura alcanza el agua su máxima densidad?

A los 100°C.

10.- ¿Que es el equivalente de calor y cuál es su equivalencia?

El equivalente del calor o caloría es el joule, y su equivalencia es de 1 cal=4.186 J.

SERIE No. 4

1.- Se introducen 140gr de una aleación a una temperatura de 93°C en un calorímetro de aluminio de 50gr que contiene 200gr de agua a 20°C. Se agita la mezcla y la temperatura se estabiliza a los 24°C. ¿Cuál es el calor específico de la aleación?. A que material se refiere

Sol. 0.087Cal/g°C

2.- Un trozo de hierro de 316.93gr se pone a calentar en un vaso de precipitado con agua hasta que alcanza una temperatura de 90°C. Se introduce inmediatamente en el recipiente interior del calorímetro de aluminio cuya masa es de 150gr. Que contiene 300gr de agua a 18°C se agita la mezcla y la temperatura aumenta hasta 25°C. ¿Cuál es el calor específico del hierro?

Sol.0.113Cal/g°C

3.- En un sistema domestico de calefacción por agua caliente el agua llega a los radiadores a la temperatura de 60°C y sale a 38°C se desea reemplazar el sistema de calefacción por otro de vapor en el cual el vapor a la presión atmosférica se condensa en los radiadores, saliendo de estos a

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82°C. ¿Cuántos kilogramos de vapor suministraran el mismo calor que suministra un kilogramo de agua caliente en la primera instalación?

Sol. 0.0396 Kg de vapor

CONCLUCIONES.

La practica deja en claro que el calor puede ser convertido en energía mecánica y a su vez la energía mecánica también puede ser transformada en energía calorífica. Por lo tanto es una de mostración de la ley de la conservación de la energía (la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma ).

Sin embargo; se debe de tener en cuenta que es imposible para las maquias convertir toda la energía calorífica en mecánica y viceversa, aun en el caso de que las pérdidas por fricción sean nulas.

La energía mecánica se expresa en joules y la energía calorífica se expresa en calorías, pero ambas son equivalentes numéricamente hablando y a esto es lo que se conoce como equivalente mecánico del calor.

BIBLIOGRAFIA

http://es.wikipedia.org/wiki/Calor%C3%ADmetro

http://www.cam.educaciondigital.net/fisica/Apuntes/calormarin

http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/ap10_calorimetria.php

http://fisica2013.blogspot.mx/p/calorimetria-y-temperatura.html

M. Alonso y E. Finn. Física volumen I.

Resnick D. Halliday and Krane. Física vol. I, CECSA MEXICO 2002.