Instituto Tecnológico de Cd. Madero

Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica

Laboratorio Integral II

Practica No. 1

“Capacidad calorífica de un sólido (Cu)”

Equipo 6

Integrantes:

Delgado Amaro Cristofher 12071511Espinosa Ramos Carlos David 12070799Mar Méndez Itzel Milagros 12071118

González Del Ángel Pedro Iván 12070931Hernández Obregón Erick 12071010

González Álvarez Félix de Jesús 11070938

Fecha de realización : Martes 10 de febrero 2015

Fecha de entrega: Martes 17 de febrero 2015

Profesora: Laura Isela Montoya Ortiz

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Índice

1. Numero y título del experimento.......................................................................................3

2. Objetivo.............................................................................................................................3

3. Introducción.......................................................................................................................3

4. Marco Teórico...................................................................................................................4

5. Parte experimental............................................................................................................7

6. Cálculos y resultados........................................................................................................8

7. Observaciones................................................................................................................10

8. Conclusiones...................................................................................................................10

9. Cuestionario....................................................................................................................10

10. Bibliografía....................................................................................................................11

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1. Numero y título del experimentoPractica 1: “Capacidad calorífica de un sólido (Cu)”

2. ObjetivoDeterminar la capacidad calorífica de un sólido metálico utilizando un calorímetro convencional de Dewar

3. IntroducciónEn el presente informe se reportan las actividades llevadas a cabo en la realización de la primer práctica de laboratorio del curso, titulada “Capacidad calorífica”. El objetivo de la práctica fue determinar la capacidad calorífica de un sólido metálico mediante el uso del calorímetro de Dewar, específicamente el cobre. Primeramente se desarrolló la parte del experimento correspondiente a la determinación de la capacidad calorífica del sólido problema, tomando mediciones de temperaturas en puntos específicos de la práctica, y con ayuda de un líquido de calor especifico conocido (el agua). Posteriormente se determinó la capacidad calorífica del calorímetro, haciendo uso también de agua, y tomando las temperaturas correspondientes. Para finalizar, se procedió a hacer los cálculos de con las mediciones de temperatura registradas y los datos conocidos, obteniéndose así un valor para la capacidad calorífica del cobre. Dicho valor fue comparado con el registrado en la bibliografía, y se encontró que fue muy similar.

4. Marco Teórico Calorímetro se define como medición del calor que se desprende o absorbe en los procesos biológicos, físicos o químicos. Para esos fines, es común recurrir a recipientes especiales o aparatos específicos denominados calorímetros un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Es decir, sirve para determinar el calor específico de un cuerpo, así como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos.

El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro.

Un vaso Dewar es un recipiente diseñado para proporcionar aislamiento térmico, disminuir las pérdidas de calor por conducción, convección o radiación. Se utiliza para almacenar líquidos, fríos o calientes. El vaso Dewar es llamado así por su inventor, el físico escocés James Dewar.

Su estructura principal consta de una doble pared de vidrio, pintada de plateado, y en el espacio intermedio se produce vacío, cuya función principal es evitar la transferencia de energía por convección y conducción, mientras que el plateado

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permite reflejar la radiación, ya que la plata es un muy buen reflector y tiene baja emisividad. Últimamente se utilizan también fibras de vidrio en el interior para dicho fin.

En mediciones calorimétricas se involucran algunos conceptos como calor especifico (s), lo cual está definido como la cantidad de calor necesario para elevar en un grado Celsius de temperatura la cantidad de un gramo de sustancia. Por otro lado, la capacidad calorífica (C) es la cantidad de calor necesario para elevar un grado Celsius la temperatura de una determinada cantidad de sustancia.

Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de la sustancia, sino también de la cantidad de materia del cuerpo o sistema; por ello, es característica de un cuerpo o sistema particular. Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua de una piscina olímpica será mayor que la de un vaso de agua. En general, la capacidad calorífica depende además de la temperatura y de la presión.

La capacidad calorífica específica o calor específico, el cual es la propiedad intensiva que se refiere a la capacidad de un cuerpo (para almacenar calor), y es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa del objeto. El calor específico es una propiedad característica de las sustancias y depende de las mismas variables que la capacidad calorífica.

Esto significa que para que un kg de agua aumente 1ºC su temperatura a presión normal, se han de suministrar 4180 J de energía calorífica.

En general, conociendo la masa de sustancia, m, la variación de temperatura que experimenta, ΔT, y su capacidad calorífica específica se puede calcular la energía calorífica intercambiada o transferencia de calor, Q, según la fórmula:

C=m*s

Dónde: s es el calor especifico en J

gr ° C

M = masa (gr)

C = capacidad calorífica J°C

Tabla 4.1 Calor especifico de algunas sustancias comunes.

Sustancia Calor especifico J/gr°CAl .900Au .129C (grafito) .720C(diamante) .502Cu .385Fe .444

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Hg .139Agua 4.184Etanol 2.46

El método consiste en poner en contacto dos sustancias a distintas temperaturas. Como resultado de este contacto, el sistema alcanza el equilibrio térmico, esto es, donde las temperaturas de ambas sustancias se igualan. La cantidad de calor que gana una de las sustancias es perdida por la otra. En un experimento calorimétrico, los objetivos han de ser: conocer la capacidad calorífica del calorímetro y de la sustancia a investigar. El método que se sigue se considera adiabático ya que el calorímetro está construido de tal forma que las pérdidas o ganancias de calor hacia o desde los alrededores se consideran despreciables y tampoco ocurre transferencia de masa del sistema a los alrededores ni viceversa, por lo que se trata de un sistema cerrado.

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5. Parte experimental

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Practica #1

Capacidad Calorífica

Determinación de la capacidad calorífica del

calorímetro.

Medir 200 ml de agua destilada con la probeta y verterla en el calorímetro.

Colocar y fijar el tapón con el termómetro y agitar.

Temperatura constante y anotar este valor (T1).

Calcular la masa de agua (m1)

Colocar la probeta con 100ml agua en el vaso de poli estireno que contiene

agua

Calentar agua hasta entre 60 y 70°C, agregar el agua al

vaso de poliestireno.

Al alcanzar los 50°C el agua de la probeta, agregarla al

vaso Dewar, colocar el tapón y agitar. (T3)

Determinación de la capacidad calorífica de la

sustancia problema (sólido)

Retirar el agua y agregar 150 ml de agua destilada

fría.

Pesar 15 gr de virutas de Cu y colocarlas en el tubo de

ensayo y taparlo

Colocar el tubo con los pedacitos dentro de un

vaso de p. con agua suficiente

Calentar con la parrilla hasta ebullición, suave del agua y mantener 10 min

Registrar T2 de agua y agregar los trozos del metal

al vaso Dewar.

Agitar suavemente, tapar con el tapón, colocar el

termómetro y registrar (T3)

Esquema 5.1. Metodología empleada para la realización de la práctica.

6. Cálculos y resultadosDatos experimentales

Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro (1ra Parte):

Tabla 2.6.1 Tabla de resultados para determinar la masa

T1= 21°C T2= 50°C T3= 30°Cρ=0.998 g/cm3 ρ=0.98807 g/cm3

V1= 200 ml V2= 100 ml

Calculo de m1

ρ=mv

(6.1)

m1=v ρ=(200c m3 ) (0.998 g

cm3 )=199.6 gCalculo de m2

m2=v ρ=(100c m3 )(0.98807 g

cm3 )=98.807 g

Ecuaciones para el cálculo de la capacidad calorífica del calorímetro:

Q1=Q2 (6.2)

Q1=(K+m1 s1 )∆T 1 (6.3)

Q2=(m2 s2 )∆T 2 (6.4)

(K+m1 s1 )∆T1= (m2 s2 )∆T 2 (6.5)

∆T 1=T 3−T1 ;∆T 2=T 2−T3 (6.6)

Despejando K, constante de la capacidad calorífica del vaso Dewar.

K=m2 s2∆T 2

∆T 1−m1 s1

K=(98.807 g )(1 calg°C ) (20° C )

9 °C−199.6g (1 calg ° c )

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K=19.88 cal°C

Determinación de la capacidad calorífica de la sustancia problema Cu (2da parte):

T1= 23°C T2= 95°C T3= 23.8°Cρ=0.99754 g/cm3

V1= 150 ml

Calcular m1 con la ecuación 6.1

m1=v ρ=(100c m3 )(0.99754 g

cm3 )=149.631gCalculo de la capacidad calorífica de la sustancia problema considerando el calor especifico del agua como 1.0 cal/g °C.

(m1 s1+K )∆T1= (m2 s2 )∆T 2 (6.7)

Despejando S2

S2=(m1 s1+K )∆T1m2∆T2

∆T 1=23.8−23=0.8° C

∆T 2=95−23.8=71.5° C

Sustituyendo para obtener S2

S2=( (149.631g )(1 calg° C )+19.88 cal° C )(0.8 °C )

(5 g)(71.5° C)

S2=0.3809calg °C

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La capacidad calorífica del Cobre es: 0.3809 cal/g °C

7. Observaciones Se conoció el vaso Dewar, el cual primero se determinó su capacidad

calorífica ya que nos serviría como dato para la determinación de la capacidad calorífica de nuestra sustancia problema, en esta práctica se utilizó virutas de cobre.

Se debe ser cuidadoso al tomar lectura de la temperatura y esperar unos minutos hasta que se estabilice ya que el mínimo cambio afecta el resultado final del cálculo de la capacidad calorífica.

Al calentar el agua corriente en el vaso de precipitado es preciso estar al pendiente de la temperatura para que esta se encuentre entre 60-70°c y sea más rápido el cambio de temperatura del agua contenida en la probeta (50°c).

Se dificulto un poco la parte de alcanzar la temperatura de 50°C ya que fue necesario calentar mucha agua corriente para llegar a la temperatura deseada en la probeta que se encontraba dentro del vaso de poliestireno.

8. ConclusionesSe llegó al objetivo establecido, se determinó la capacidad calorífica de la muestra problema en este caso del cobre y haciendo una comparación con la capacidad calorífica reportada en la bibliografía el resultado obtenido no varía demasiado, como se puede observar en el apartado de resultados.

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9. Cuestionario1.- Explique las diferencias entre los valores teóricos y experimentales de las sustancias problema:

En la siguiente tabla se muestra el resultado obtenido en la práctica y se hace la comparación con el valor reportado en la bibliografía y podemos notar el parecido en los resultados, que es muy favorable, dado que el resultado experimental no esta tan alejado del teórico:

Calor específico teórico del cobre Calor específico experimental del cobre0.385 0.3809

2.- De los calorímetros empleados por los equipos, ¿cuál consideran que es mejor y por qué?

Basándonos en los datos de nuestros compañeros, concluimos que los calorímetros de nuestro equipo con el equipo 4 fueron los más próximos al resultado.

3.- Describa una metodología para determinar el calor de una reacción a volumen constante:

El procedimiento es el mismo, solo que en este caso, como no hay variación de volumen, el trabajo es nulo, con el que la expresión del primer principio queda: ΔU = Qv donde Qv es el intercambio de calor a volumen constante. Esta condición se da cuándo llevamos a cabo la reacción en un calorímetro, en el que no puede haber contracción o dilatación del sistema. En los procesos a volumen constante, el valor del calor medido en el calorímetro da directamente la variación de la energía interna, ∆U, para la reacción que se está a estudiar. El calor absorbido o desprendido en una reacción química a volumen constante (Qv) es igual a la variación de energía interna del sistema.

10. Bibliografía[1] W. Castellan. (1987). “Fisicoquímica” Segunda Edición. Editorial Addison Wesley. México

[2] Kurt C. Rolle (2001) “Termodinámica” Sexta Edición. Prentice Hall. España

[3] Perry (2012) “Manual del Ingeniero Químico: Tomo I” Séptima Edición. McGraw Hill. México

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