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Universidad de Guanajuato

División de Ciencias e Ingenierías

Laboratorio de Termodinámica

Práctica #2: Capacidad calorífica

 Alumno: Carlos Daniel Lerma Avalos

Prof: Brisa Lizbeth Arenas-López

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Índice

Objetivos………………………………………………………………….…………….2

Marco teórico…………………………………………..………………………………2

Material………………………………………………………………………………….3Procedimiento experimental………………………………………………………….4

Resultados y observaciones………………………………………………………….5

Complemento Práctica 2………………………………………………………………9

Discusión y conclusiones……………………………………………………………..11

Referencias…………………………………………………………………………….12

Objetivos

Los objetivos de la práctica fueron los siguientes:

  Comprender el concepto de capacidad calorífica.

  Determinar el valor de capacidad calorífica para diferentes materiales.

  Analizar las fuentes de error para cada uno de ellos.

Marco teórico 

Todas las sustancias tienen la capacidad de absorber o liberar calor para

lograr estar en equilibrio térmico con su entorno (Ley Cero de la Termodinámica).

El calor se define como una cantidad de energía y es una expresión del

movimiento de las moléculas de un sistema[1]

. El calor es una variable extensiva

(al contrario de la temperatura) ya que ésta depende del tamaño del sistema.

 Al ocurrir un cambio de temperatura en un cuerpo, se pueden tener dos

situaciones: que cambie o no de estado. Si el cuerpo únicamente aumento su

temperatura sin afectar su estado, se habla de calor sensible; en cambio, siaumentó su temperatura y además, cambió de estado, se habla de calor latente [2].

Para esta práctica, sólo se abordará el concepto de calor sensible.

Ciertamente, para las distintas sustancias su capacidad de retener calor va

a ser distinta. La capacidad calorífica es la cantidad de energía que es necesaria

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para aumentar su temperatura un grado[3]

. El cálculo de ésta se realiza mediante

la fórmula:

= ∆

∆ 

Donde:

∆ =Calor absorbido por el sistema.∆ =Diferencia de temperatura entre el estado inicial y final.

Para calcular la cantidad de energía que transfiere o absorbe un cuerpo, se utiliza

la fórmula:

∆=

∙ ∙ ∆ 

Donde

∆ = Cambio de energía en el sistema. = Masa de la sustancia. =Capacidad calorífica de la sustancia.∆ = − = Cambio de temperatura entre el estado final e inicial.

Para calcular la capacidad calorífica de una sustancia, se puede hacer una

comparación con otra sustancia de la que se conozca su capacidad calorífica.

Material 

  1 vaso de unicel con tapa

  2 termómetros

  1 probeta de 250 ml

  1 matraz Erlenmeyer de 125 ml

  1 parrilla eléctrica

  1 balanza analítica

  1 pinzas de sujección

  1 pieza de metal

  Agua

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Procedimiento experimental

La práctica se dividió en dos partes.

Primera parte

1. Con la balanza analítica, se registró el peso del vaso de unicel y del matraz

sin agua.

2. Con la probeta, se midieron 100 ml de agua y se vertieron en el matraz. Se

volvió a tomar el peso del matraz. Se colocó el tapón con el termómetro en

el matraz.

3. De la misma manera, se midieron 100 ml de agua y se vertieron al vaso de

unicel. Se agitó un poco y se dejó que entrara en equilibro con el ambiente.

Se anotó la temperatura alcanzada (T1). Se tomó el peso del calorímetro

con el agua.

4. Se calentó el matraz con la parrilla hasta alcanzar una temperatura

aproximada de 75 °C.

5. Se midió la temperatura del agua justo antes de vaciarla en el calorímetro

(T2) y se peso el calorímetro rápidamente. Ya cerrado el recipiente, se

colocó rápidamente el segundo termómetro en el calorímetro. Se anotó la

temperatura inicial y la temperatura final después del equilibrio.

6. Se repitió el experimento dos veces.

Segunda parte

1. Se pesó el calorímetro con todo y tapa. De igual manera, se pesó la pieza

metálica y se introdujo en el calorímetro.

2. Se introdujo una masa de agua tal que cubriera la mayor parte de la pieza

metálica dentro del calorímetro. Se pesó de nuevo el calorímetro y se anotó

la temperatura de equilibrio.

3. Se pesó la misma cantidad de agua que se añadió al calorímetro en una

probeta y se calentó a una temperatura aproximada de 80 °C. Una vez que

se alcanzó la temperatura deseada, se vertió el agua caliente en el

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calorímetro, se pesó rápidamente y se tomaron las temperaturas inicial y

final del sistema.

Resultados

En el segundo intento, se cambió de calorímetro. Se obtuvieron las mismas

masas con los recipientes con agua.

m1 (g) m2 (g) T1 (°C) T2 (°C) Tf (°C) T al

mezclar

(°C)

Intento 1 98.10 99.62 18 74 45 56

Intento 2 97.44 99.62 18 75 43 58

Tabla 1. Registro de resultado de la primera parte.

La precisión de los aparatos utilizados fue la siguiente:

-Balanza: 0.01 g

-Termómetros: 1 °C

*Se calcula el calor ganado y perdido de cada sistema en cada intento.

-En el matraz:

= ∙ ∙ ∆ 

= 99.62 ∙ 1  ° ∙ (45 ° − 74 °) 

= −2888.98 

-En el calorímetro:

= 98.10 ∙ 1  ° ∙ (45 ° − 18 °) 

= 2648.70 

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*Cálculo de errores experimentales

∆ = ∗ ∆ +∆ ∗  

∆ = 99.62 ∗ 1  º ∗ 2 º +0.01 ∗ 1

  º ∗ 29 º 

∆ = 199 +0.29 = 199 

∆ = 98.10 ∗ 1  º ∗ 2 º +0.01 ∗ 1  º ∗ 27 º 

∆ = 196 +0.27 = 196  

*Se calcula capacidad calorífica en el primer intento.

=   ∆ − =  −  −  

= −(2889±199) − (2649±196)

(45±1)° − (56±1)° =−(5538±395) 

−(11±2) º  

= (503±127) º  

-Para el segundo intento, en el matraz.

= 99.62 ∙ 1  ° ∙ (43 ° − 75 °) 

= −3187.84 

-En el calorímetro.

= 97.44 ∙ 1  ° ∙ (43 ° − 18 °) 

= 2436.00 

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*Cálculo de errores experimentales

∆ = ∗ ∆ +∆ ∗  

∆ = 99.62 ∗ 1  º ∗ 2 º +0.01 ∗ 1

 º ∗ 32 º 

∆ = 199.24 +0.32 = 200  

∆ = 97.44 ∗ 1  º ∗ 2 º +0.01 ∗ 1  º ∗ 25 º 

∆ = 195 +0.25 = 195  

*Se calcula la capacidad calorífica en el segundo intento.

= −(3188±200) − (2436±195)

(43±1)° − (58±1)° =−(5624±395) 

−(15±2) º  

= (375±76) º  

*Error absoluto

= |503.42

−374.92

| = 128.50

 

+Error relativo

=|503.42 − 374.92|

503.42   ∗ 100%= 25.52% 

*Obteniendo promedio de las capacidades obtenidas.

=[(503±127) +(375±76)]

°

2 =(878±203)

º

2 = (439±101)º  

Por lo tanto, el valor experimental de la capacidad calorífica del calorímetro

es

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= (439±101) °  

Para los resultados de la segunda parte de la práctica se organizó una tabla de

resultados.

m metal (aluminio) = 23.67 g

m s/agua

(g)

m c/agua

fría y

metal (g)

m total

(g)

T1 (°C) T2 (°C) Tf (°C)

Intento 1 8.99 279.32 513.35 20 85 49

Tabla 2. Registro de resultados de la segunda parte

*Para calcular la capacidad calorífica del aluminio se toma en cuenta la cantidad

de calor absorbido por el agua fría, el calorímetro y el metal y la cantidad de calor

cedido por el agua caliente.

-Cálculo del calor absorbido en el agua fría y el metal en el primer intento. Debido

a que el calorímetro tiene capacidad aislante, se puede despreciar su aumento de

temperatura.

=  ∙ ∆ +  ì ∙  ∙ ∆ + ∙  ∙ ∆ 

= 439.17 º (0 º) +246.66 ∙ 1  º ∙ (49 º − 20 º) +23.67 ∙  ∙ (49 º − 20 º) 

= 7153.14 +686.43 º ∙  

-Cálculo del calor cedido por el agua caliente en el primer intento.

=  ∙  ∙ ∆ 

= 234.03 ∙ 1  º ∙ (49 º − 85 º) = −8425.08 

-Con base en que = , entonces:

7153.14 +686.43 º ∙ = 8425.08 

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*Despejando  

= 8425.08 − 7153.14 686.43 º = 1.85 º 

Por lo tanto, la capacidad calorífica específica del aluminio, obtenida en esta

práctica, fue

= (1.85±0.63)  º 

Complemento Práctica 2 

Como parte complementaria a esta práctica, se puede hacer un listado

intuitivo acerca de qué material tiene menor o mayor capacidad calorífica

específica.

Material 

  Varios globos

  Dos soportes universales

  Una barra larga de metal

  Agua

  Arena

  Tres velas

  Dos nueces

Procedimiento 

1. Con los soportes universales, las dos nueces y la barra de metal larga, se

armó un arco con altura suficiente para poder colocar los globos.

2. Un globo se llenó con agua, otro se llenó con arena y uno último, con aire.

Los tres globos se fijaron a la barra de metal.

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3. Se colocó una vela debajo de cada globo y se encendieron al mismo

tiempo. Se registró en qué orden estallaron los globos y se repitió el

experimento nuevamente.

4. En una segunda parte, se tenían dos globos: uno lleno totalmente de hielo y

otro parcialmente lleno de hielo. Se repitió el mismo procedimiento para

ambos globos y se realizaron observaciones.

Observaciones y resultados 

En la primera parte del experimento, las dos veces que se realizó se

obtuvieron los mismos resultados: el primer globo en estallar era el que contenía

aire, seguido del que tenía arena y finalmente (que nunca estalló) el que tenía

agua. En ese orden, la capacidad calorífica experimental de los materiales se

puede ordenar de menor a mayor de la siguiente manera:

1. Aire

2. Arena

3. Agua

En la segunda parte de la práctica sólo se realizó una vez el experimento

debido a la falta de globos llenos de hielo. El resultado observado fue que el

primer globo en estallar fue el que estaba parcialmente lleno de hielo; el que

estaba totalmente lleno de hielo no explotó.

Comparando los resultados de la primera parte con las capacidades

caloríficas reportadas en la literatura, ordenadas de mayor a menor:

1. Aire: 0.24 º 

2. Arena: 0.44

 º 

3. Agua: 1 º 

Como es posible observar, los datos reportados coinciden con el

procedimiento experimental realizado.

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Para explicar el porqué el globo lleno parcialmente con hielo explotó primero

que el que estaba totalmente lleno, se puede utilizar la definición de capacidad

calorífica específica. Ambos sistemas tenían la misma capacidad calorífica, pero el

que estaba parcialmente lleno tenía menor cantidad de masa de agua; por lo

tanto, este sistema requería menor cantidad de energía para aumentar su

temperatura.

Discusión y conclusiones

 Analizando los resultados obtenidos en esta práctica, se puede observar la

en la primera parte que un pequeño cambio de temperatura y de masa lleva

consigo un cambio considerable de energía. Por eso, es que los dos valores

obtenidos variaron en un 25%. En la segunda parte se observa un dato aberrante,

ya que se obtuvo una capacidad calorífica negativa; esto es prácticamente

imposible y el error se puede deber a una falla en la medición de la temperatura

final: se anotó una temperatura cuando todavía no se alcanzaba el equilibrio.

Como conclusión, la capacidad calorífica es una propiedad de cada sustancia

para poder almacenar calor; si la sustancia tiene una capacidad calorífica alta,

tendrá la capacidad de almacenar una gran cantidad de energía con un muy bajo

aumento de temperatura; en su contraparte, un objeto con capacidad calorífica

baja es capaz de almacenar muy poca energía y los aumentos de temperatura son

más fáciles de llevar a cabo. Una aplicación que se le puede dar a las sustancias

con baja capacidad calorífica es la función de aislantes como en los

refrigeradores; las coberturas de lugares que necesitan mucha resistencia al calor

como en los cohetes y para el diseño de materiales de construcción, como

encontrar un material capaz de regular la temperatura del interior de un lugar. Para

poder mejorar los resultados en este experimento, se recomienda tener mucha

pericia al momento de medir las temperaturas, ya que ésta se comienza a perder

en el instante que se retira de la fuente de calor y decae muy rápidamente;

además, es muy necesario tomar más mediciones, el tiempo no apremia mucho

en la obtención de datos por lo que se tiene que ser muy eficiente.

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Referencias 

[1]. http://www.profesorenlinea.com.mx/fisica/Calor_y_Temperatura.htm 

[2]. http://celottisilviamarta.blogspot.mx/2011/08/calor-sensible-y-calor-latente.html 

[3]. http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/131-calor-especifico-y-capacidad-calorifica.html 

http://www.profesorenlinea.com.mx/fisica/Calor_y_Temperatura.htmhttp://www.profesorenlinea.com.mx/fisica/Calor_y_Temperatura.htmhttp://celottisilviamarta.blogspot.mx/2011/08/calor-sensible-y-calor-latente.htmlhttp://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/131-calor-especifico-y-capacidad-calorifica.htmlhttp://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/131-calor-especifico-y-capacidad-calorifica.htmlhttp://celottisilviamarta.blogspot.mx/2011/08/calor-sensible-y-calor-latente.htmlhttp://www.profesorenlinea.com.mx/fisica/Calor_y_Temperatura.htm