informe 5 calor especifico

5/8/2018 Informe 5 Calor especifico - slidepdf.com

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Universidad Nacionalde Ingeniería

Facultad de Ingeniería Mecánica

Informe Nº05

Calor Específico de Sólidos

Curso:

Física II - MB224 - F

Profesor:

Ing. Pachas Salhuana José Teodoro

Integrantes:

Corzo Matamoros, Jimmy Dangelo 20090188I

2011



2

ÍNDICE

Prólogo ................................ ................................ ................................ ................................ .... 3

Objetivos................................ ................................ ................................ ................................ .. 4

Esquema gráfico del instrumental ................................ ................................ ............................ 4

Fundamento Teórico ................................ ................................ ................................ ................ 5

CALOR ESPECÍFICO ................................ ................................ ................................ ............... 5

Cantidad de sustancia................................ ................................ ................................ ........... 6

Conceptos relacionados ................................ ................................ ................................ ....... 7

UNIDADES ................................ ................................ ................................ ............................ 7

Unidades de calor ................................ ................................ ................................ ............. 7

Unidades de calor específico ................................ ................................ ............................ 8

FACTORES QUE AFECTAN EL CALOR ESPECÍFICO ................................ ................................ ... 8

Procedimiento experimental ................................ ................................ ................................ .... 9

I.- DETERMINACION DE LA CAPACIDAD CALORIFICA DEL CALORIMETRO.................... 9

II. - CALOR ESPECÍFICO DE LOS SOLIDOS ................................ ................................ ...... 9

Cálculos y resultados ................................ ................................ ................................ .............. 10

PARTE I ................................ ................................ ................................ ............................... 10

PROBLEMA N° 1 ................................ ................................ ................................ .............. 10

PARTE II ................................ ................................ ................................ .............................. 10

PROBLEMA N° 2 ................................ ................................ ................................ .............. 10

PROBLEMA N° 3 ................................ ................................ ................................ .............. 11

PROBLEMA N° 4 ................................ ................................ ................................ .............. 12

Observaciones:................................ ................................ ................................ ....................... 13

Conclusiones: ................................ ................................ ................................ ......................... 13

Recomendaciones: ................................ ................................ ................................ ................. 14

Bibliografía ................................ ................................ ................................ ............................. 14

ANEXO: ................................ ................................ ................................ ................................ .. 14

Tabla de Calor ................................ ................................ ................................ .................... 14

Equivalencias:................................ ................................ ................................ ..................... 15



3

Prólogo

El presente informe de laboratorio de física, que tiene por título CALOR ESPECIFICO lacual pertenece a la sección que se encuentra bajo la dirección del ing. José Pachas,profesor del curso de física II de la facultad de ingeniería Mecánica

Con este experimento se pretende que el estudiante de ingeniería observe el CALORESPECIFICO y a partir de ello identifique las principales magnitudes que intervienen, yvisualice los valores que éstas toman en distintos casos, así como las variaciones queexperimentan en diversos instantes y posiciones.

También es una nueva oportunidad que tenemos los alumnos pertenecientes al grupo, parapoder dar un aporte que sea útil a nuestros compañeros, con los cuales intercambiaremosinformación sobre el tema desarrollado, resultados, y así sacar conclusiones, con las cualessacar recomendaciones para mejorar el experimento realizado. Queremos agradecer a la facultad de ciencia por el préstamo de su laboratorio, además aling. José Pachas por el tiempo brindado hacia nosotros y por su conocimiento que nostransmite en cada experimento

Por último esperamos que este trabajo sea de su agrado.



4

Objetivos

De

e¡ ¢ £ ¤ ¥ ¡ la capac

£ ¦ ad calorífica de un caloríme

ro.

De§

erminar el calor específico de dif erentes muestras solidas mediante el uso de un

modelo dinámico sencillo.

Estudiar el ef ecto de la transf erencia de calor entre el calorímetro y la muestra a

analizar.

Verificar e ̈

perimentalmente las distintas ecuaciones de cantidad de calor (Q).

Aplicar la Ley de Equilibrio Térmico a sistemas termodinámicos. Aplicar la conservación de la energía en sistemas con transf erencia de calor.

Reconocer el calor como una forma de energía.

Afianzaremos los conceptos de calor, temperatura, calor específico, capacidad

calorífica.

Esquema gráf ico del inst rumental

Un calorímetro de mezclas (un

termo).

Un termómetro.

Una olla para calentar agua.

Un soporte universal.

Un matraz de 200 ó 250 ml.



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Una balanza.

3 piezas de material sólido.

Un mec © ero de Bunsen.

Una fuente de gas.

Un fósforo o un encendedor.

Fundamento Teórico

CALOR ESPECÍFICO

El calo sp cí fico es una magnitud fí sica 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 (kelvin o grado Celsius). En general, el valor del calor específico

depende de dicha temperatura inicial. Se la representa con la letra (minúscula).

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

suministrar a toda la e

tensión de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad

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

Por lo tanto, el calor específico es la capacidad calorífica específica, esto es .

El calor específico es una propiedad intensiva de la materia, por lo que es representativo de

cada sustancia; por el contrario, la capacidad calorífica es una propiedad e tensiva

representativa de cada cuerpo o sistema particular.



6

Cuanto mayor es el calor específico de las sustancias, más energía calorífica se necesita para

incrementar la temperatura. Por ejemplo, se requiere ocho veces más energía para

incrementar la temperatura de un lingote de magnesio que para un lingote de plomo de la

misma masa.

El término "calor específico" tiene su origen en el traba jo del fí sico Joseph Black, quien realizó

variadas medidas calorimétricas y usó la frase capacidad para el calor. En esa época la

mecánica y la termodinámica se consideraban ciencias independientes, por lo que

actualmente el término podría parecer inapropiado; tal vez un mejor nombre podría ser

transferencia de energía calorífica específica, pero el término está demasiado arraigado para

ser reemplazado.

El calo

sp

cí fico m

dio ( ) correspondiente a un cierto intervalo de temperaturas se

define en la forma:

Donde es la transf erencia de energía en forma calorífica entre el sistema y su entorno u otro

sistema, es la masa del sistema (se usa una n cuando se trata del calor específico molar) y

es el incremento de temperatura que e

perimenta el sistema. El calo sp cí fico ( )

correspondiente a una temperatura dada se define como:

El calor específico ( ) es una función de la temperatura del sistema; esto es, . Esta

función es creciente para la mayoría de las sustancias (e cepto para los gasesmonoatómicos y

diatómicos). Esto se debe a ef ectos cuánticos que hacen que los modos de vibración esténcuantizados y sólo estén accesibles a medida que aumenta la temperatura. Conocida la función

, la cantidad de calor asociada con un cambio de temperatura del sistema desde la

temperatura inicial T i a la final T f se calcula mediante la integral siguiente:

En un intervalo donde la capacidad calorífica sea aproximadamente constante la fórmula

anterior puede escribirse simplemente como:

Cantidad de sustancia

Cuando se mide el calor específico en ciencia e ingeniería, la cantidad de sustancia es a

menudo de masa, ya sea en gramos o en kilogramos, ambos del S . Especialmente en química,

sin embargo, conviene que la unidad de la cantidad de sustancia sea el mol al medir el calor

específico, el cual es un cierto número de moléculas o átomos de la sustancia. Cuando la



7

unidad de la cantidad de sustancia es el mol, el término calor específico molar se puede usar

para ref erirse de manera explí cita a la medida; o bien usar el términocalor específico másico,

para indicar que se usa una unidad de masa.

Conceptos relacionados

Hay dos condiciones notablemente distintas ba jo las que se mide el calor específico y éstas se

denotan con sufi jos en la letra c. El calor específico de los gases normalmente se mide ba jo

condiciones de presión constante (Símbolo: c p). Las mediciones a presión constante producen

valores mayores que aquellas que se realizan a volumen constante (cv ), debido a que en el

primer caso se realiza un traba jo de expansión.

El cociente entre los calores específicos a presión constante y a volumen constante para una

misma sustancia o sistema termodinámico se denomina coeficiente adiabático y se designa

mediante la letra griega (gamma). Este parámetro aparece en fórmulas fí sicas, como por

ejemplo la de la velocidad del sonido en un gas ideal.

El calor específico de las sustancias distintas de los gases monoatómicos no está dado por

constantes fi jas y puede variar un poco dependiendo de la temperatura. Por lo tanto, debe

especificarse con precisión la temperatura a la cual se hace la medición. Así, por ejemplo, el

calor específico del agua exhibe un valor mínimo de 0,99795 cal/(g·K) para la temperatura de

34,5 °C, en tanto que vale 1,00738 cal/(g·K) a 0 °C. Por consiguiente, el calor específico del

agua varía menos del 1% respecto de su valor de 1 cal/(g·K) a 15 °C, por lo que a menudo se le

considera como constante.

La presión a la que se mide el calor específico es especialmente importante para gases y

lí quidos.

UN IDADES

Unidades de calor

La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional es el joule (J). La caloría (cal)

también se usa frecuentemente en las aplicaciones científicas y tecnológicas. La caloría se

define como la cantidad de calor necesario para aumentar en 1 °C la temperatura de un gramo

de agua destilada, en el intervalo de 14,5 °C a 15,5 °C. Es decir, tiene una definición basada en

el calor específico.



8

Uni ! "

#

" $ ! l % & "

#

p" $ ífi $ %

En el Sistema Internacional de Unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramo

y por kelvin (J·kg-1·K-1); otra unidad, no perteneciente al SI, es la caloría por gramo y por kelvin

(cal·g-1·K-1). Así, el calor específico del agua es aproximadamente 1 cal/(g·K) en un amplio

intervalo de temperaturas, a la presión atmosférica; exactamente 1 cal·g-1·K-1 en el intervalo de

14,5 °C a 15,5 °C (por la definición de la unidad caloría).

En los Estados Unidos, y en otros pocos países donde se sigue utilizando el Sistema Anglosajón

de Unidades, el calor específico se suele medir en BTU (unidad de calor) por libra (unidad de

masa) y grado Fahrenheit (unidad de temperatura).

La BTU se define como la cantidad de calor que se requiere para elevar un grado Fahrenheit la

temperatura de una libra de agua en condiciones atmosféricas normales.

FACTO' ( )

QU (

AF (

CTAN ( 0

CA0

O' ( ) 1 (

C 2

F 3

CO

Las moléculas tienen una estructura interna porque están compuestas de átomos que tienen

diferentes formas de moverse en las moléculas. La energía cinética almacenada en estos

g4

ado5

d 6 7

8

b 6

4

9 ad 8

n 9 6

4

no5 no contribuye a la temperatura de la sustancia sino a su calor

específico.



9

Procedimiento experimental

I.- DETERM INACION DE L A CAPACI D A D CA LO R IFICA DELCA LO R I METRO

Se coloca dent ro del calorímet ro una cantidad de masa de agua a una

temperatura menor que la del medio ambiente.

Se deja que se establezca el equilibrio y medimos la temperatura de

equilibrio

Medir una cierto volumen de agua y calentarlo en la

ollita a una temperatura y se coloca una cantidad

de esta agua en el calorímet ro.

II. - CA LO R ES P E CÍFICO DE LO S S O L I DO S

y Se coloca una cantidad de masa de agua en el calorímet ro y se deja

que se establezca el equilibrio.

y Se mide la temperatura de equilibrio.

y El sólido se sumerge en agua caliente.

y Se eleva la temperatura del sólido hasta una temperatura

y Luego se sumerge el cuerpo a temperaturadent ro del agua

que est á contenida en el calorímet ro a temperatura

y Se mide la temperatura de equilibrio T.



10

Cálculos y resultados

PAR@

E I

P ROB LEM A N° 1

Con los datos experimentales determinaremos la capacidad calorífica del calorímetro.

SOLUCION:

Teniendo en cuenta el fundamento teórico

Calor ganado por un cuerpo = calor perdido por el otro

Por definición:

Dónde:

: Calor ganado por el agua a 22,5.

: Calor ganado por el calorímetro.

: Calor perdido por el agua a 50.

C : Capacidad calorífica.

Para el agua se sabe que:

PARA

E II

P ROB LEM A N° 2

Determinar el calor específico de la masa 1.



11

SOLUCION:

Dónde:

: Calor ganado por el agua a 44.


: Calor perdido por la masa 1 a 85.


En el problema N°1 se calculó la capacidad calorífica del calorímetro

P ROB LEM A N° 3


SOLUCION:

Dónde:

: Calor ganado por el agua a 43

: Calor ganado por el calorímetro






12

P ROB LEM A N° 4


SOLUCION:

Dónde:

: Calor ganado por el agua a 20.







13

Obs rvaciones:

Es importante distinguir entre capacidad calorífica y calor específico, el primer término

alude al objeto y el segundo al material del cual está hecho.

La tapa del calorímetro no es muy hermética, por lo que el medio influye en ciertomodo en la temperatura de equilibrio.

La probeta tiene un margen de error en la medición, así que la cantidad de agua en

equilibrio no es exacta.

Las piezas metálicas calentadas no llegaban a variar considerablemente la temperatura

del agua.

Notamos que el ce del aluminio es mayor que el ce del hierro y este a su vez mayor que

el ce del plomo.

Se observa que cada vez que transvasamos el agua, se pierde aproximadamente 1g de

agua.

No llegamos a utilizar el dato de la temperatura del medio ambiente, a menos que sea

para cerciorase que la temperatura agua es menor a la temperatura del medio

ambiente.

Estamos incurriendo a un error en los cálculos, pues no consideramos la pérdida de la

temperatura del metal en el momento que se retira del sistema que le entrega calor

para después sumergirlo en el sistema de prueba.

Se observó que luego de calentar el agua y apagar el mechero, la medida que se

observaba en el termómetro disminuía rápidamente en aproximadamente 5 a 10 °C,

luego seguía disminuyendo pero más despacio (de manera casi imperceptible).

En nuestros cálculos no hemos incluido el calor que absorbe el metal del termómetro.

Conclusiones: En el cálculo del calor especifico de las muestras sólidas (fierro, aluminio, plomo) se

encontró que nuestros valores hallados distan considerablemente de los valoras

promedio encontrados en los textos de física. Pese a esto se guarda una correcta

proporción en los resultados.

El calor es energía que es transferida de un sistema a otro, debido a que se encuentran

a diferentes niveles de temperatura. Por esta razón, al poner los dos cuerpos en

contacto, el que se encuentra a mayor temperatura transfiere calor al otro hasta que

se logra el equilibrio térmico.

Distintas sustancias tienen diferentes capacidades para almacenar energía interna al

igual que para absorber energía y una buena parte de la energía hace aumentar la

intensidad de las vibración de las redes atómicas y este tipo de movimiento es el

responsable del aumento en la temperatura.

Cuando la temperatura del sistema aumenta Q y T se consideran positivas, lo que

corresponde a que la energía térmica fluye hacia el sistema, cuando la temperatura

disminuye, Q y T son negativas y la energía térmica fluye hacia fuera del sistema.



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El equilibrio térmico se establece entre sustancias en contacto térmico por la

transferencia de energía, en este caso calor; para calcular la temperatura de equilibrio

es necesario recurrir a la conservación de energía ya que al no efectuarse trabajo

mecánico la energía térmica total del sistema se mantiene.

Se concluye que los tres tipos de materiales tienen diferentes valores, de acuerdo a

sus propiedades físicas.

Recomendaciones:

Se recomienda el uso de guantes aislantes del calor, para prevenir cualquier accidente

de quemadura, ya que se trabaja a temperaturas mayores a 50°C.

Se recomienda que la ex eriencia se realice con mucho cuidado y rapidez para que al moment o de vaciar el agua al t ermo no se disipe mucho calor al medio ext erior.

Se recomienda hacer el experiment o t res veces para así t rabajar con mayor precisióny que el result ado se aproxime m s al real.

Para la primera part e de la experiencia, se recomienda humect ar la ollit a ant es de vaciar el cont enido de la probet a a f in de compensar las pérdidas de masa de agua.

Se recomienda calent ar el agua de manera moderada y de pref erencia menos de 100°C.

Bibliograf ía

FÍSICA UNIVERSITARIA VOLUMEN I, Sears, Zemansky, Young, Fredman, Pearson. FÍSICA VOLUMEN I, Tipler, Mosca, Reverté.

FÍSICA GENERAL, Burbano.

FÍSICA II, Leyva Naveros, Moshera. Resnik Halliday Krane (2002). Física Vo

B

umC n 1.

Serway Jewet (2003). Física 1. Thomson.

http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/tb01_calor.php

ANEXO:

T D

bE

D

F

e C D

E

G H

Material Específico (Ce) Fusión (lf ) Vaporización (lv)

Kcal/kg.°C kJ/kg.K kJ/kg kJ/kgAceite de OlivaAceroAguaAlcohol Alpaca

0,4000,1101,0000,6000,095

1,6750,4604,1832,5130,398

-205335--

--2250880-



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AluI inioAnti I onioAzufreBronceCadI ioCarbón Mineral

Carbón Vegetal CincCobaltoCobreCroI oEstañoÉter etílicoFenol GlicerinaHierroLadrillo RefractarioLatón

ManganesoMercurioMicaNaftalinaNíquel OroParafinaPlataPlatinoPloI oPotasioTolueno

Vidrio

0,2170,0500,1790,0860,0560,310

0,2010,0930,1040,0930,1080,0600,540-0,5800,1130,2100,094

0,1100,0330,210-0,1100,0310,7780,0560,0310,0310,0190,380

0,200

0,9090,2100,7500,3600,2341,300

0,8400,3890,4350,3890,4520,2502,261-2,4300,4730,8800,394

0,4600,1380,880-0,4610,1303,2600,2350,1300,1300,0801,590

0,838

37716438-46-

-11724317259113113109176--168

15511,7-151234671471091132359-

-

------

------------

-281---------365

-

Equival eP c ias:

1 kJ/kg.K = 0,2388 kcal/kg.°C

informe 5 calor especifico

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