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Universidad Del Norte

MAYO 12 de 2010 N.R.C : 1912 Laboratorio de Física Calor y Ondas

LABORATORIO DE FISICA CALOR Y ONDAS CALOR ESPECÍFICO

Maria Ximena Hoyos email: mxhoyos@uninorte.edu.co Ingeniería Industrial

Karol Sastoque email: ksastoque@uninorte.edu.co Ingeniería Industrial

Alexandra Solano email: salexandra@uninorte.edu.co Ingeniería Civil

ABSTRACT We did the method of mixtures to find the specific heats of different test materials, using energy conservation and the latent heat of fusion and vaporization of the water; it is assumed that the system is isolated to its surroundings. RESUMEN Se realizo el método de las mezclas para encontrar los calores específicos de diferentes materiales de prueba, aplicando la conservación de energía y el calor latente de fusión y vaporización del agua; asumiendo que el sistema está aislado a sus alrededores.

Universidad Del Norte 1. OBJETIVOS GENERAL

Determinar el calor especifico de un solidó por medio del método de las mezclas. 2. ESPECIFICOS

Analizar los intercambios de calor que tienen lugar en el interior del calorímetro entre los elementos de la mezcla. Discutir los factores de error en la determinación del calor especifico del solidó.

3. MARCO TEORICO Existen tres tipos de cambios de estado que se relacionan con el cambio de temperatura como son: sólido, líquido y gaseoso.

La temperatura mide la

concentración de energía permitiendo así saber si dos sistemas se encuentran o no a la misma temperatura. Cuando a un sistema se le aumenta o disminuye su temperatura se da lo que llamamos como un cambio de fase que corresponde a una transición que se genera de un cambio de fase a otro. El calor específico: ΔQ = Mc ΔT Las unidades de Q son las calorías y los Btu. Una caloría es la cantidad de calor necesaria para que 1gr de agua eleve su temperatura en 1º C. (14.5ºC a 15.5ºC) Un Btu es la cantidad de calor necesario para que 1Lb de agua eleve su temperatura en 1º F. (63Fº a 64Fº) Factor de conversión: 1Btu =252 calorías. En este laboratorio usaremos un proceso de intercambio de calor entre cuerpos sólidos metálicos y agua para determinar el calor específico de una sustancia que no reacciona químicamente con el resto del sistema, consiste, en el caso de un sólido, en introducir éste en una masa conocida de agua, que se encuentra a una temperatura diferente de la del sólido. Si se prescinde de los intercambios de calor con el ambiente (difíciles de evitar), se tendrá que la mezcla sólido-agua-calorímetro alcanza una temperatura de

Universidad Del Norte equilibrio, de modo que el calor cedido por el sólido será igual al calor absorbido por el agua y por el calorímetro. Dicho de otra forma:

Qcedido

Qabsorbido

Es decir

ci M i Ti

cedido

ci M i Ti

absorbido

i

Esta técnica se llama “método de las mezclas” y el recipiente que contiene la mezcla se llama calorímetro. Un calorímetro es un dispositivo con una buena aislación térmica que permite mantenerlo aislado del intercambio de calor con el medio. El calor específico del agua es 4190

J . kg K

Al suministrar calor a un sistema no siempre cambia su temperatura. La temperatura permanece constante mientras la sustancia cambia de fase. La energía no se pierde, se emplea en el trabajo para romper los enlaces moleculares. El calor latente de fusión es la energía necesaria para aumentar la temperatura en 1º C (manteniendo su volumen constante) de dicha sustancia. Este calor específico generalmente, depende de la temperatura. Es decir, para una misma sustancia a temperaturas diferentes se obtienen calores específicos diferentes. El calor latente de vaporización es el calor necesario para que la unidad de masa de una sustancia que estando en su punto de ebullición cambie de líquido a vapor. 4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Materiales y metodología Calorímetro. Sensor de temperatura de acero inoxidable. Balanza. Agua. Materiales de prueba (aluminio, plomo y cobre).

Universidad Del Norte Primero medimos las masas del aluminio, plomo y cobre, y la masa del calorímetro primero sin agua y luego con agua para así hallar la diferencia que sería la masa del agua, respectivamente para cada uno de los ensayos. Llenamos con agua el generador de vapor a un poco más de la mitad, esperamos a que el agua hierva e introducimos la primera muestra en el generador de vapor, sin tocar el fondo del recipiente, manteniéndolo allí durante unos minutos. Teniendo en el calorímetro una masa de agua conocida a temperatura ambiente. Sacamos lo más rápido posible el sólido del agua hirviendo y lo introducimos igualmente rápido, dentro del calorímetro. Agitamos la mezcla sólido-agua hasta cuando la temperatura se estabilice. (Esto se hace con cada una de las muestras).

DATOS OBTENIDOS

Masa del calorímetro

Aluminio (Al)

Cobre (Cu)

Plomo (Pb)

199.15 gr

193.24 gr

227 gr

100°C

99.7°C

99.90°C

39°C

31.2°C

27.2°C

14.72 gr

Masa de la Muestra Mcal+H2O 195.10 gr Masa del agua 180.88 gr T o H2 O 24.4°C To muestra Tf equilibrio

Universidad Del Norte 5. ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS Materiales de Prueba Aluminio Plomo Cobre

Calor especifico J/Kg·K 910 130 390

Aluminio

Qagua + Qaluminio = 0 MalCal∆T + MaguaCagua∆T = 0 MalCal∆T = - MaguaCagua∆T Cal = Cal = Cal = 910.4

Εal = Cobre

* 100% = 0.439 %

Qagua + Qcobre = 0 McuCcu∆T + MaguaCagua∆T = 0 McuCcu∆T = - MaguaCagua∆T Ccu = Ccu = Ccu = 387.639

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Εcu=

* 100% = 0.605 %

Plomo

Qagua + Qpb = 0 MpbCpb∆T + MaguaCagua∆T = 0 MpbCpb∆T = - MaguaCagua∆T Cpb = Cpb = Cpb = 128.41 Εpb =

* 100% = 1.223 %

6. Preguntas problematologicas. Se aprecia valores diferentes para calos específicos de los distintos materiales. ¿Cuál es la explicación física de este hecho? R/ Los materiales poseen diferente calor específico, debido a que presentan una composición físico-química diferentes entre sí, lo que hace que para cada material la cantidad de calor necesaria para elevar su temperatura 1°C o 1K sea diferente a la de otro material

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Se tienen tres

muestras: aluminio, cobre y plomo de igual masa a una

misma temperatura de 100º C y se enfrían introduciéndola en agua a temperatura de 27 o C ¿cuál cede mayor cantidad de calor? Explique R/ Para resolver este problema se necesita el calor específico de estos materiales. Aluminio = 0.22 cal/gºC Cobre = 0.094 cal/gºC Plomo = 0.031 cal/gºC El calor específico de un material significa la capacidad para almacenar energía interna, es decir la energía necesaria para incrementar 1ºC. Comparando estos valores, el plomo es el que mas cede calor.

Qganado= -Qperdido mcpΔT = - mcpΔT ALUMINIO m(0.22cal/gºC)(Tf – 100ºC) = -m(1cal/gºC)(Tf – 27ºC) Tf = 40,16ºC COBRE m(0.094cal/gºC)(Tf – 100ºC) = -m(1cal/gºC)(Tf – 27ºC) Tf = 29,81ºC PLOMO m(0.031/gºC)(Tf – 100ºC) = -m(1cal/gºC)(Tf – 27ºC) Tf = 29,19ºC

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De acuerdo con lo observado en las graficas en esta experiencia ¿Qué explica el hecho de los diferentes cambios de temperatura en el agua contenida en el calorímetro para las diferentes muestras?

R/ Esto se debe a la capacidad de calor especifico de cada material, entre mas menor sea el calor especifico del material, mas rápido cede calor, por esto el agua experimenta diferentes cambios de temperatura con cada material.

Grafica 1. Temperatura Vs Tiempo Aluminio

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Grafica 2. Temperatura vs Tiempo Cobre

Grafica 3. Temperatura vs Tiempo Plomo

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7. CONCLUSION Sabemos que la cantidad de calor es definida como la energía térmica necesaria para elevar la temperatura de una masa dada. Sin embargo, la cantidad de energía térmica requerida para elevar la temperatura de una sustancia, varía para diferentes materiales. En el experimento hecho en el laboratorio, en vista de que el calor específico del aluminio es el mayor, se requerirá más calor para dicho material que para el cobre y otros materiales que tengan calores específicos menores.

8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Sears, F.; Zemansky, M.; Young, H.; Freedman, R. Física universitaria 11ed. San Francisco: Addison Wesley.

Allen,Paul;Mosca, Gene; Fisica para la ciencia y la tecnología 5ed.


Calor especifico