LABORATORIO DE FISICA II

Experiencia #11

Calor especifico de los metales

2014

TABLA DE CONTENIDOS

Introducción Marco teórico Objetivos Materiales e Instrumentos Utilizados y tema de estudio Descripción de la experiencia Tabla de Datos Obtenidas Observaciones Preguntas y respuestas Ejercicio

INTRODUCCIÓN

La cantidad de energía calorífica que cede o toma una sustancia al ponerse en contacto con otra a diferentes temperaturas es posible de medir. Esta cantidad de energía es la que se denomina calor. El calor es energía en tránsito la cual va de los cuerpos con mayor temperatura hacia los cuerpos con menor temperatura. La experiencia diaria nos dice que el calor es directamente proporcional a su masa y al aumento de temperatura. El modelo matemático que se utiliza para determinar este calor es: Q=m*c*(Tf - To) donde Q es el calor cedido o ganado por el cuerpo, m es la masa del cuerpo y Tf, To es la temperatura final e inicial y c es calor especifico del cuerpo, el cual es característico de él. El calor especifico se define como la cantidad de calor que hay que suministrarle a la unidad de masa de una sustancia o sistema para elevar su temperatura un grado. Entre mayor sea el calor especifico de una sustancia mayor será la energía calorífica que se necesita para elevar su temperatura. Las unidades de calor especifico son cal/gr. K o Joule/gr. °C. Este se puede obtener despejando la ecuación de calor:

c=Q/m*(Tf – To).

MARCO TEORICO

Una variación   en la temperatura de una sustancia es proporcional a la cantidad de calor   que se agrega o extrae de esta, o sea:

Escrito en forma de ecuación

Donde la constante de proporcionalidad   es llamada capacidad calorífica de la sustancia.

Sin embargo la cantidad de calor requerido para cambiar la temperatura de un objeto es también proporcional a la masa de este, por lo tanto es conveniente definir la cantidad llamada capacidad calorífica específica   (o calor específico)

Que es la capacidad calorífica por unidad de masa de la sustancia. Así, la ecuación (1) puede ser escrita como:

Donde el calor específico es la cantidad de calor (en calorías) necesaria para incrementar la temperatura de 1 gramo de sustancia en 1 grado Celsius.

De hecho, la caloría es la unidad de calor definida como la cantidad de calor requerido para incrementar la temperatura de   de agua en 1°C. Por definición, el agua tiene un calor específico de .

En la tabla mostrada a continuación se presentan los valores de los calores específicos para algunos materiales.

OBJETIVOS

- Determinar el calor específico de tres 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.

TEMAS DE ESTUDIO

- Balance de calor- Calor- Calor especifico- Capacidad calorífica- Transferencia de calor- Temperatura de equilibrio

MATERIALES:

- Calorímetro- Termocupla - Sensor de temperatura- Nueces- Varillas soportes- Aro con nuez- Calentador Noak- Trípode - Beaker plástico de 250ml- Erlenmeyer de 100ml- Pinzas de mordazas- Mangueras plásticas

DESCRIPCION DE LA EXPERIENCIA Y RESULTADOS

Para esta experiencia se esperaba comprobar el calor especifico de tres materiales distintos y comparar los resultados obtenidos con valores teoricos que se nos dieron, Para empezar se ubicaron 3 cubos con una masa de 60 gramos cada uno, hechos de Hierro, Laton y Aluminio en un beaker con agua a 100°C calentado por un mechero bunsen y se coloco agua en en otro recipiente a la cual se le otorgo un calor especifico de 4.180 J/(g*°C) a una temperatura inicial de 30°C para el Hierro, 30.9°C para el Laton y a 29.3°C para el Aluminio, pasados suficientes minutos como para que cada metal se encontrase a 100 grados inidvidualmente se metia a dicho material en un recipiente de agua a la respetciva temperatura que se dio para cada material, rapidamente se sello hermeticamente el recipiente y con un sensor se midio la temperatura dentro del recipiente el tiempo suficiente para que se encontrara una temperatura de equilibrio dentro de este, es decir que el agua y el metal se encontraran a la misma temperatura.

Por medio de formulas planteadas en el manual de laboratorio el CASSY lab obtuvo un valores del calor especifico de cada metal cada segundo durante el tiempo que les tomase encontrar su temperatura de equilibrio con el agua del recipiente para cada uno, se obtuvo de esta manera un valor experimental para el calor especifico de cada metal y un error en su punto mas bajo.

Los resultados obtenidos en las tablas fueron los siguientes:

HIERRO

LATON

ALUMINIO

Se puede notar que como era esperado entre más alto el calor especifico del material, más tiempo le llevo alcanzar una temperatura de equilibrio teniendo en cuenta que la temperatura inicial para el agua de los 3 metales era similar, se notan errores un tanto altos probablemente debido a la exposición del metal a 100°C cuando se pasaba del beaker al contenedor hermético, el dar un valor constante al agua cuando esta cambia ligeramente con relación a su temperatura y el uso de un método no muy práctico para colocar el agua fresca y los metales en un contenedor.

PREGUNTAS

1- Una sustancia que se calienta con rapidez, ¿tiene un calor especifico alto o bajo? Explica tu respuesta.

2- Una sustancia que se enfría con rapidez, ¿tiene un calor especifico alto o bajo? Explica tu respuesta.

R. 1-2: El calor especifico determina la cantidad de calor que toma elevar una unidad de masa de un material a una temperatura de un grado, por lo tanto entre más bajo sea el calor especifico menos calor necesitara para cambiar su temperatura, por lo tanto se calentara y se enfriara más rápido que si su calor especifico fuese alto, la respuesta es que ambas sustancias poseen un calor especifico bajo.

3- Explique: ¿Porque el vapor a 100°C produce una quemadura más grave que el agua a 100°C?

R. 3: El agua en estado líquido posee uno de los calores específicos más altos conocidos por el ser humano, el calor especifico del agua en estado de vapor es más bajo por lo tanto es capaz de ganar y ceder energía calorífica a una tasa más elevada que el agua líquida y por ese motivo una quemadura por vapor es más grave que una quemadura por líquido.

4- Explique: ¿Por qué las papas se cocinan más rápidamente cuando si se les atraviesa con una aguja metálica?

R. 4: Los metales generalmente poseen un calor específico bajo por este motivo son capaces de absorber el calor y ya que la papa probablemente posee menos temperatura que la aguja, esta le pasa energía en forma de calor a la papa acelerando así su cocción.

5- Ejercicio. En una noche fría de invierno usted quiere proporcionarse calor y tiene dos opciones: Un bloque de hierro de 10 kg. O una botella con 10 kg. De agua caliente, a la misma temperatura del bloque de hierro. Cuál de estas dos opciones escogería usted. Explique su respuesta.

R. 5: El calor especifico del hierro es de 0.450 J/(g*°C) mientras que el agua posee un calor especifico de 4.1813 J/(g*°C), es decir, la botella de agua perderá reducirá su temperatura a una rapidez más lenta que el hierro, así que la opción más adecuada seria escoger la botella con agua caliente.