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LABORATORIO DE FISICA II

CALOR/ONDAS

2do PERIODO /14

INFORME:

CALOR ESPECÍFICO

JAIME PALOMINO PLATA 141411555

ALFREDO OROZCO MARQUEZ 101416581

MARTIN DIAZ ZAMBRANO 141412923

SERGIO RODRIGUEZ 101412009

DEPTO. CIENCIAS BASICAS

UNIVERSIDAD AUTONOMA DEL CARIBE

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TABLA DE CONTENIDO

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

MARCO TEORICO

OBJETIVOS

DESCRIPCIÓN DE LA EXPERIENCIA

MATERIALES

GRAFICAS

OBSERVACIONES

HOJA DE RESPUESTAS

BIBLIOGRAFÍA

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INTRODUCCIÓN

Una de las principales aplicaciones del calor específico es averiguar que es cierto material,

midiendo su calor específico y comparándolo con los de las tablas preestablecidas. (Como el

proceso realizado en el laboratorio), así que su conocimiento y subsecuente uso es muy

importante en el ámbito de la ingeniería.

Se define calor específico como la cantidad de calor que se necesita por unidad de masa para

elevar la temperatura un grado Celsius. La relación entre calor y cambio de temperatura, se

expresa normalmente en la forma que se muestra abajo, donde c es el calor específico. Esta

fórmula no se aplica si se produce un cambio, porque el calor añadido o sustraído durante el

cambio de fase no cambia la temperatura.

El calor específico del agua es 1 caloría/gramo °C = 4,186 julios/gramo °C que es más alto que

el de cualquier otra sustancia común. Por ello, el agua desempeña un papel muy importante

en la regulación de la temperatura. El calor específico por gramo de agua es mucho más alto

que el de un metal, como se describe en el ejemplo agua-metal. En la mayoría de los casos es

más significativo comparar los calores específicos molares de las sustancias.

De acuerdo con la ley de Dulong y Petit, el calor específico molar de la mayor parte de los

sólidos, a temperatura ambiente y por encima, es casi constante. A más baja temperatura, los

calores específicos caen a medida que los procesos cuánticos se hacen significativos. El

comportamiento a baja temperatura se describe por el modelo Einstein-Debye para el calor

específico.

Una de las tantas aplicaciones importante es el diseño de materiales de la vida cotidiana como

por ejemplo un termo, aislantes para casas entre otros, para poder desarrollarlos es necesario

conocer los fundamentos del calor especifico, por lo cual se ha profundizado este tema para

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poder desarrollar su aplicación en el laboratorio, se espera sea de gran ayuda al lector la

información a continuación.

MARCO TEORICO

Calor Específico

El calor específico es la cantidad de calor que se necesita por unidad de masa para elevar la

temperatura una unidad.

c=C/m

C(calor específico) C(Celsius) m(masa)

Capacidad Calorífica

La capacidad calorífica es la cantidad de calor que hay que suministrar a toda la masa de la

sustancia para elevar su temperatura en una unidad.

C(capacidad calorífica) Q(Calor absorbido por el sistema) (variación de temperatura)

Calorímetro y su funcionamiento.

El calorímetro es un aparato que se usa para determinar el calor específico de un cuerpo,

también sirve para medir la cantidad de calor que liberan o absorben. Con referencia al

funcionamiento, el calorímetro usa el principio de carga dual (una absorbe y l a otra actúa

como temperatura de referencia), el sensor de temperatura registra la diferencia de las dos

cargas.

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Balance de calor, en un calorímetro, cuando se mezclan dos sustancias a diferentes

temperaturas

Se define como calor (Q) a la cantidad de energía intercambiada desde un cuerpo más caliente

hacia uno más frío. Esta transferencia de energía ocurre hasta que el sistema (parte del

Universo en estudio) se encuentre en equilibrio térmico. Se dice, por tanto, que un sistema

está en equilibrio térmico cuando ha alcanzado la condición de estado estable, en la que no

tiene lugar intercambio neto de energía entre cualquiera de las partes del sistema y sus

temperaturas son idénticas (temperatura final del equilibrio). Llamamos sistema adiabático a

aquel sistema aislado que no intercambia calor con el medio. Asimismo, un calorímetro ideal o

perfecto es aquel que no intercambia calor con las restantes partes del sistema, es decir que

no entrega ni absorbe calor del resto del sistema. La capacidad calorífica de un cuerpo o

sustancia se define por:

C = ∆Q / ∆T

en donde ∆Q es la cantidad de calor que debe intercambiarse para efectuar un cambio ∆T en la

temperatura. Mientras mayor sea el cuerpo, mayor será la cantidad de calor, por lo tanto, se

define el calor específico, c, de un cuerpo como la capacidad calorífica por unidad de masa:

c = C / M

Donde M es la masa del cuerpo.

En consecuencia, y de acuerdo con esta definición, la cantidad de calor necesario para elevar la

temperatura de M gramos de un objeto es:

∆ Q = M c ∆ T

Considerando un sistema adiabático, un calorímetro “ideal” y una mezcla de dos masas de

agua a distintas temperaturas, se sabe que después de un cierto tiempo se alcanzará la misma

temperatura final. Para calcular la temperatura de equilibrio se recurre a la conservación de la

energía. Como no se efectúa trabajo mecánico, se mantiene la energía térmica total del

sistema. Por tanto, se puede escribir:

Ganancia de calor (por una parte del sistema) + pérdida de calor (por otra parte del sistema) =

0

Esta ecuación de conservación se puede escribir en términos de masas, calores específicos y

diferencias de temperatura de los diversos componentes:

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Mc ca (Tm-Tc) + Mf ca (Tm-Tf) = 0

Dónde:

Mc= masa de agua caliente; Mf = masa de agua fría; ca = calor específico del agua; Tm =

temperatura de la mezcla en el equilibrio; Tc, Tf = temperaturas iniciales del agua caliente y

fría, respectivamente

Tomando el módulo de la variación de temperatura y simplificando el calor específico del agua

(si suponemos insignificante la variación de c con la temperatura), obtenemos:

Mc |∆Tc | = Mf |∆Tf |

Calor especifico de un cuerpo a través de un balance de calor

Cuando varios cuerpos a diferentes temperaturas se encuentran en un recinto adiabático se

producen intercambios caloríficos entre ellos alcanzándose la temperatura de equilibrio al

cabo de cierto tiempo. Cuando se ha alcanzado este equilibrio se debe cumplir que la suma de

las cantidades de calor intercambiadas es cero.

Se define calor específico c como la cantidad de calor que hay que proporcionar a un gramo de

sustancia para que eleve su temperatura en un grado centígrado. En el caso particular del

agua c vale 1 cal/(g ºC) ó 4186 J(kg ºK).

La unidad de calor específico que más se usa es cal/(g ºC) sin embargo, debemos de ir

acostumbrándonos a usar el Sistema Internacional de Unidades de Medida, y expresar el calor

específico en J/(kg·K). El factor de conversión es 4186.

Sustancia Calor específico (J/kg·K)

Acero 460

Aluminio 880

Cobre 390

Estaño 230

Hierro 450

Mercurio 138

Oro 130

Plata 235

Plomo 130

Sodio 1300

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La cantidad de calor recibido o cedido por un cuerpo se calcula mediante la siguiente fórmula

Q=m·c·(Tf-Ti)

Donde m es la masa, c es el calor específico, Ti es la temperatura inicial y Tf la temperatura

final

Si Ti>Tf el cuerpo cede calor Q<0

Si Ti<Tf el cuerpo recibe calor Q>0

La experiencia se realiza en un calorímetro consistente en un vaso (Dewar) o en su defecto,

convenientemente aislado. El vaso se cierra con una tapa hecha de material aislante, con dos

orificios por los que salen un termómetro y el agitador.

Supongamos que el calorímetro está a la temperatura inicial T0, y seamv es la masa del vaso

del calorímetro y cv su calor específico. mt la masa de la parte sumergida del termómetro

y ct su calor específico, ma la masa de la parte sumergida del agitador y ca su calor específico,

M la masa de agua que contiene el vaso, su calor específico es la unidad

Por otra parte:

Sean m y c las masa y el calor específico del cuerpo problema a la temperatura inicial T.

En el equilibrio a la temperatura Te se tendrá la siguiente relación.

(M+mv·cv+mt·ct+ma·ca)(Te-T0)+m·c(Te-T)=0

La capacidad calorífica del calorímetro es

k=mv·cv+mt·ct+ma·ca

se le denomina equivalente en agua del calorímetro, y se expresa en gramos de agua.

Por tanto, representa la cantidad de agua que tiene la misma capacidad calorífica que el vaso

del calorímetro, parte sumergida del agitador y del termómetro y es una constante para cada

calorímetro.

El calor específico desconocido del será por tanto

}

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En esta fórmula tenemos una cantidad desconocida k, que debemos determinar

experimentalmente.

Determinación del calor específico del sólido

Se pesa con una balanza una pieza de material sólido de calor específico c desconocido,

resultando m su masa. Se pone la pieza en agua casi hirviendo a la temperatura T.

Se ponen M gramos de agua en el calorímetro, se agita y después de poco de tiempo, se mide

su temperatura T0.

Se deposita rápidamente la pieza de sólido en el calorímetro. Se agita, y después de un cierto

tiempo se alcanza la temperatura de equilibrio Te.

Se apuntan los datos y se despeja c de la fórmula que hemos deducido en el primer apartado.

La experiencia real se debe hacer con mucho cuidado, para que la medida del calor específico

sea suficientemente precisa. Tenemos que tener en cuenta el intercambio de calor entre el

calorímetro y la atmósfera que viene expresado por la denominada ley del enfriamiento de

Newton.

Modelos matemáticos utilizados en un balance de calor para obtener una variable

desconocida

Para establecer un balance de calor en estado estable se usan métodos similares a los

aplicados en los balances de materia. La energía o calor que entra a un proceso con los

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materiales alimentados, más la energía neta que se añade al proceso, es igual a la energía de

salida de los materiales. Expresando esto de forma matemática,

donde ΣHR es la suma de las entalpías de todos los materiales que entran al proceso de

reacción con respecto al estado de referencia para el calor normal de reacción a 298 K y

101.32 kPa. Si la temperatura de entrada es superior a 298 K, esta suma será positiva.

ΔH0298 = calor normal de reacción a 298 K y 101.32 kPa.

La reacción aporta calor al proceso, por lo que el signo negativo de ΔH0298 se considera como

entrada positiva de calor para una reacción exotérmica.

q=energía neta o calor añadido al sistema. Si el sistema desprende calor, este término será

negativo.

ΣHp= suma de entalpías de todos los materiales de salida con respecto al estado normal de

referencia a 298 K (25 ºC).

Adviértase que si los materiales de entrada a un proceso están por debajo de 298K, ΣHR será

negativa.

Es necesario tomar precauciones para no confundir los signos de los términos en la ecuación.

Si no se produce una reacción química entonces hay un simple calentamiento, enfriamiento o

cambio de fase.

Ejemplos de la vida cotidiana donde el calor específico sea tenido en cuenta.

Una de las principales aplicaciones del calor específico es averiguar que es cierto material,

midiendo su calor específico y comparándolo con los de las tablas preestablecidas. (como el

proceso realizado en el laboratorio).

Algunas aplicaciones de la obtención del calor especifico es por ejemplo la fabricación de un

termo en donde se guardan distintos líquidos como el café, la fabricación de materiales

térmicos para aislar la temperatura de un horno por ejemplo o el aislante térmico de una casa,

da información acerca de muchos materiales como los metales para determinar su transmisión

de calor y así obtener resultados óptimos de pérdida o adquisición de calor.

En fisicoquímica, destilación, balance de materia y energía, generadores de vapor,

evaporación, todas las operaciones unitarias y procesos de separación.

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OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL:

Observar el fenómeno de calor especifico en los cuerpos, observar y obtener la

diferencia de calor entre cuerpos y su equilibrio térmico

OBJETIVO ESPECIFICO:

Determinar el calor especifico de ter cuerpos utilizando un calorímetro y la capacidad

de absorber calor de estos

Utilizar el sistema cassy lab para la obtención de los datos solicitados

Confrontar los datos experimentales hallados con los teóricos y expresar los errores

cometidos

DESCRICCION DE LA EXPERIENCIA:

Se armo el equipo segun lo indicaba el manual de laboratorio. se depositaron los metales en

un beaker lleno con agua los metales eran ALUMINIO,HIERRO Y LATON luego se puso a hervir

el beaker con el agua y los metales hasta aprox 100 grados centigrados ,despues de que hierva

le agua sacamos uno a uno los metales del beaker y los colocamos en el calorimetro y asi el

calorimetro por medio de un sensor media el calor especifico de cuyo metal, cada resultado se

veia reflejado en el cassylab luego de esto procedimos a los demas metales dando asi datos

diferentes para cada uno de ellos.

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MATERIALES

Calorímetro

Termocupla

Sensor de temperatura

Nueces

Varillas soporte

Aro con nuez

Calentador NOAK

Trípode

Beaker plástico 250ml

Erlenmeyer 100ml

Pinzas de mordazas

Mangueras plásticas

Malla de asbesto

Tapones de caucho

Termómetro

Virutas de cobre, granallas de plomo, perlas de vidrio

Interface Cassy Lab

Balanza

PROCEDIMIENTO

1. Hervir el agua del matraz Erlenmeyer.

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2. Mida la temperatura total al del agua en el calorímetro.

3. Cuando el agua hierva, baje un poco la llama.

4. Saca uno de los cuerpos del agua hirviendo y mételo rápidamente en el calorímetro.

Agita y mide la temperatura estabilizada TEQ.

5. Enfría el calorímetro enjuagándolo. Secándolo bien y repite el experimento con los

otros cuerpos.

GRAFICAS

TABLA CALOR ESPECIFICO ALUMINO

TABLA CALOR ESPECIFICO HIERRO

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TABLA GRAFICA CALOR ESPECIFICO LATON

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IMÁGENES

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OBSERVACIONES

En esta experiencia se tuvieron en cuenta las siguientes observaciones

de acuerdo a nuestros objetivos pudimos observar que la medida del calorimetro se hallo

mediante los parametros y formulas que se introdujeron en el cassylab lo cual nos hizo mas

sencillo calcular lo que se nos pedia que era hallar el calor especifico de cada metal , en otras

observaciones se determino que en la tabla de resultados vimos que algunos de los datos no

eran muy preciso ya que algunos valores variaban. NO mucho pero si habian valores que se

excedian valga la redundancia, asi como habian datos que eran un poco mas preciso y tenian

un porcentaje que error extremadamente bajo.En las graficas que obtuvimos observamos que

los valores excedian porque su temperatura en ese momento cambiaba de forma grotesca y a

medida que pasaba en tiempo los valores se mantuvieron constantes hasta finalizar la

experiencia.

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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BASICAS

LABORATORIO DE FISICA II CALOR ONDAS

TEMAS DE ESTUDIO Y RECOMENDACIONES PARA LA EXPOSICION DE LA EXPERIENCIA

CALOR ESPECÍFICO

1. Defina el concepto de Calor Especifico

El calor específico es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay

que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para

elevar su temperatura en una unidad. En general, el valor del calor específico depende del

valor de la temperatura inicial.1 2 Se le representa con la letra c (minúscula).

De forma análoga, se define la capacidad calorífica como la cantidad de calor que hay que

suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad

(kelvin o grado Celsius). Se la representa con la letra C (mayúscula).

2. Defina el concepto de Capacidad Calorífica

La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica

transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio

de temperatura que experimenta. En una forma más rigurosa, es la energía necesaria para

aumentar la temperatura de una determinada sustancia en una unidad de temperatura.

Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios

de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida

de inercia térmica. 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.

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3. Explique que es un calorímetro y su funcionamiento.

El calorímetro es 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. Si se conoce la capacidad calorífica del

calorímetro (que también puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la

cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Cuando la fuente de calor es un

objeto caliente de temperatura conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir

midiéndose según se va enfriando el objeto. El calor latente, que no está relacionado con

un cambio de temperatura, es la energía térmica desprendida o absorbida por una

sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa.

Cuando la fuente de calor es una reacción química, como sucede al quemar un

combustible, las sustancias reactivas se colocan en un envase de acero pesado llamado

bomba. Esta bomba se introduce en el calorímetro y la reacción se provoca por ignición,

con ayuda de una chispa eléctrica.

4. Explique cómo se plantea un balance de calor, en un calorímetro, cuando se mezclan

dos sustancias a diferentes temperaturas

Cuando dos cuerpos A y B que tienen diferentes temperaturas se ponen en contacto

térmico, después de un cierto tiempo, alcanzan la condición de equilibrio en la que

ambos cuerpos están a la misma temperatura. Un fenómeno físico análogo son los

vasos comunicantes.

Supongamos que la temperatura del cuerpo A es mayor que la del cuerpo B, TA>TB.

Observaremos que la temperatura de B se eleva hasta que se hace casi igual a la de A.

En el proceso inverso, si el objeto B tiene una temperatura TB>TA, el baño A eleva un

poco su temperatura hasta que ambas se igualan.

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5. Presente los modelos matemáticos utilizados en un balance de calor para obtener

una variable desconocida

El calor se considera positivo cuando fluye hacia el sistema, cuando incrementa su

energía interna. El calor se considera negativo cuando fluye desde el sistema, por lo

que disminuye su energía interna.

Cuando una sustancia incrementa su temperatura de TA a TB, el calor absorbido se

obtiene multiplicando la masa (o el número de moles n) por el calor específico c y por

la diferencia de temperatura TB-TA.

Q=nc(TB-TA)

Cuando no hay intercambio de energía (en forma de calor) entre dos sistemas,

decimos que están en equilibrio térmico. Las moléculas individuales pueden

intercambiar energía, pero en promedio, la misma cantidad de energía fluye en ambas

direcciones, no habiendo intercambio neto. Para que dos sistemas estén en equilibrio

térmico deben de estar a la misma temperatura.

Tambien podría decirse que:

Cp = Q/mΔT.

Que se puede modificar la fórmula si se quiere hallar el incremento o la

variación del calor en lugar del calor específico. En tal caso, la fórmula sería:

ΔQ = mCpΔT

Presente ejemplos de la vida cotidiana donde el calor específico sea tenido en

cuenta.

Algunas aplicaciones de la obtención del calor especifico es por ejemplo la fabricación

de un termo en donde se guardan distintos líquidos como el café, la fabricación de

materiales térmicos para aislar la temperatura de un horno por ejemplo o el aislante

térmico de una casa, da información acerca de muchos materiales como los metales

para determinar su transmisión de calor y así obtener resultados óptimos de pérdida o

adquisición de calor.

En fisicoquímica, destilación, balance de materia y energía, generadores de vapor,

evaporación, todas las operaciones unitarias y procesos de separación

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BIBLIOGRAFÍA

http://www.ehowenespanol.com/funciona-calorimetro-como_175497/

http://es.wikipedia.org/wiki/Capacidad_calor%C3%ADfica

http://es.wikipedia.org/wiki/Calor_espec%C3%ADfico

http://www.fisicarecreativa.com/informes/infor_termo/conserv_energia_calor2k1.pdf

Koshkin N. I., Shirkévich M. G.. Manual de Física Elemental. Editorial Mir 1975, pág 74-75

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/calorimetro/calorimetro.htm

http://datateca.unad.edu.co/contenidos/332569/MODULO_332569_EXE/conservacin_de_ene

rgia_y_balances_de_calor.html