UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA

CURSO: Laboratorio de Fsica (MB 224)

FACULTAD: Facultad de Ingeniera Mecnica (FIM)

TEMA: Calor especfico de slidos

PROFESOR: Ing. Vasquez Alva, Daro

INTEGRANTES: Ferrer Chvez, Carlos (20140416J). ..(). .(). AO:2015-1

NDICEIntroduccin1

Objetivos 2

Fundamento terico3

Experiencia7

Materiales7

Procedimiento10

Clculos y resultados12

Observaciones18

Sugerencias19

Conclusiones20

Bibliogrfa21

INTRODUCCIN

Si tenemos dos recipientes del mismo material que contienen una cantidad especfica de agua. Si a uno de ellos le echamos alcohol y al otro una esfera de plomo, ambos a la misma temperatura e igual cantidad de masa. Observaremos que en los dos casos la temperatura de equilibrio no ser la misma. A qu se debe dicho fenmeno? Por qu el termmetro no indica la misma temperatura de equilibrio?Y para no irnos tan lejos a lo que queremos llegar. Si en nuestra casa de repente tocamos con una mano una silla de madera, y con la otra mano, una silla de fierro, en ambos casos la sensacin de frio o calor no va a ser la misma. La mano que toc la silla de madera no experimentar sensacin de frio o de calor; mientras que en la mano que toc la silla de fierro experimentar una sensacin de frio. A qu se debe este fenmeno? Por qu si estando a la misma temperatura ambiente, una silla nos parece ms fra que la otra?Bueno, toda esta clase de preguntas sern resueltas con el estudio de los temas de fsica como: la temperatura y calor, propagacin de calor y termodinmica. Y es en el presente informe de laboratorio que desarrollaremos lo estudiado en clase y as comprender mejor nuestro mundo mega diverso.

OBJETIVOS Demostrar que lo proporcionado en clase se cumplirse. Tanto en la parte matemtica como terica

Demostrar la conservacin de la energa Q ganado = - Q perdido

Demostrar el equilibrio trmico en los metales

Obtener el valor aproximado de los calores especficos de los slidos y compararlos con una tabla de calores especficos.

FUNDAMENTO TERICO

Carlos especficoEl calor especfico es una magnitud fsica que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinmico para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). En general, el valor del calor especfico depende de dicha temperatura inicial. Se la representa con la letra (Ce).

Capacidad calorficaSe define como la cantidad de calor que hay que suministrar a toda la extensin de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). Se la representa con la letra (mayscula).Por lo tanto, el calor especfico es la capacidad calorfica especfica, esto es

(1) El calor especfico es una propiedad intensiva de la materia, por lo que es representativo de cada sustancia; por el contrario, la capacidad calorfica es una propiedad extensiva representativa de cada cuerpo o sistema particular. Cuanto mayor es el calor especfico de las sustancias, ms energa calorfica se necesita para incrementar la temperatura. Por ejemplo, se requiere ocho veces ms energa para incrementar la temperatura de un lingote de magnesio que para un lingote de plomo de la misma masa.El trmino "calor especfico" tiene su origen en el trabajo del fsico Joseph Black, quien realiz variadas medidas calorimtricas y us la frase capacidad para el calor. En esa poca la mecnica y la termodinmica se consideraban ciencias independientes, por lo que actualmente el trmino podra parecer inapropiado; tal vez un mejor nombre podra ser transferencia de energa calorfica especfica, pero el trmino est demasiado arraigado para ser reemplazado.El calor especfico medio (Ce) correspondiente a un cierto intervalo de temperaturas se define en la forma:

(2)

Donde es la transferencia de energa en forma calorfica entre el sistema y su entorno u otro sistema, es la masa del sistema (se usa una n cuando se trata del calor especfico molar) y es el incremento de temperatura que experimenta el sistema. El calor especfico (Ce) correspondiente a una temperatura dada se define como: (3)El calor especfico (Ce) es una funcin de la temperatura del sistema. Esta funcin es creciente para la mayora de las sustancias (excepto para los gases monoatmicos y diatmicos). Esto se debe a efectos cunticos que hacen que los modos de vibracin estn cuantizados y slo estn accesibles a medida que aumenta la temperatura. Conocida la funcin, la cantidad de calor asociada con un cambio de temperatura del sistema desde la temperatura inicial Ti a la final Tf se calcula mediante la integral siguiente: (4)En un intervalo donde la capacidad calorfica sea aproximadamente constante la frmula anterior puede escribirse simplemente como: (5)

Tabla 1. Calores especficos

Cantidad de sustanciaCuando se mide el calor especfico en ciencia e ingeniera, la cantidad de sustancia es a menudo de masa, ya sea en gramos o en kilogramos, ambos del SI. Especialmente en qumica, sin embargo, conviene que la unidad de la cantidad de sustancia sea el mol al medir el calor especfico, el cual es un cierto nmero de molculas o tomos de la sustancia. Cuando la unidad de la cantidad de sustancia es el mol, el trmino calor especfico molar se puede usar para referirse de manera explcita a la medida; o bien usar el trmino calor especfico msico, para indicar que se usa una unidad de masa.Conceptos relacionadosHay dos condiciones notablemente distintas bajo las que se mide el calor especfico y stas se denotan con sufijos en la letra c. El calor especfico de los gases normalmente se mide bajo condiciones de presin constante (Smbolo: cp). Las mediciones a presin constante producen valores mayores que aquellas que se realizan a volumen constante (cv), debido a que en el primer caso se realiza un trabajo de expansin.El cociente entre los calores especficos a presin constante y a volumen constante para una misma sustancia o sistema termodinmico se denomina coeficiente adiabtico y se designa mediante la letra griega (gamma). Este parmetro aparece en frmulas fsicas, como por ejemplo la de la velocidad del sonido en un gas ideal.El calor especfico de las sustancias distintas de los gases monoatmicos no est dado por constantes fijas y puede variar un poco dependiendo de la temperatura. Por lo tanto, debe especificarse con precisin la temperatura a la cual se hace la medicin. As, por ejemplo, el calor especfico del agua exhibe un valor mnimo de 0,99795 cal/(gK) para la temperatura de 34,5C, en tanto que vale 1,00738 cal/(gK) a 0C. Por consiguiente, el calor especfico del agua vara menos del 1% respecto de su valor de 1 cal/(gK) a 15C, por lo que a menudo se le considera como constante.Determinacin del equivalente en agua del calormetro (k)Se una porcin de masa ma dentro de un calormetro de masa mcal ambos a una temeratura Ta. sobre este conunto se vierte agua de masa mb que inicialmente se encuentra a una temperatura Tb > Ta. Considerando Ca el calor especifico del agua, Ccal el calor especifico del calormetro se deja que se equilibre el proceso de la mezcla a una temperatura llamada de equilibro Te.

ma Ca(Tc Ta) + mcal Ccal(Tc Ta) = mbCa(Tc Ta) (6) K=mcalCcal (7)

De (6) y (7) (8) UNIDADESUnidades de calorLa unidad de medida del calor en el Sistema Internacional es el joule (J). La calora (cal) tambin se usa frecuentemente en las aplicaciones cientficas y tecnolgicas. La calora se define como la cantidad de calor necesario para aumentar en 1C la temperatura de un gramo de agua destilada, en el intervalo de 14,5C a 15,5C. Es decir, tiene una definicin basada en el calor especfico.Unidades de calor especficoEn el Sistema Internacional de Unidades, el calor especfico se expresa en julios por kilogramo y por kelvin (Jkg-1K-1); otra unidad, no perteneciente al SI, es la calora por gramo y por kelvin (calg-1K-1). As, el calor especfico del agua es aproximadamente 1 cal/(gK) en un amplio intervalo de temperaturas, a la presin atmosfrica; exactamente 1 calg-1K-1 en el intervalo de 14,5C a 15,5C (por la definicin de la unidad calora).

EXPERIENCIA

MATERIALES Un calormetro de mezclas(ver figura 1) Una olla metlica(ver figura 2) Un mechero a gas(ver figura 3) Un trpode(ver figura 4) Pinza(ver figura 5) Tres piezas de material slido(ver figura 6) Agua(ver figura 7) Un termmetro Una balanza

Figura 1. Calormetro

Figura 2. Olla metlica

Figura 3. Mechero

Figura 4. Trpode

Figura 5. Pinzas

Figura 6. Slidos a medir: plomo, aluminio y acero (de izquierda a derecha)

Figura 7. Agua lquida

PROCEDIMIENTODeterminar la capacidad calorfica del calormetroPrimero procederemos a calcular el la capacidad calorfica del calormetro, para eso colocaremos una cantidad de masa (Ma) de agua en el calormetro y le medimos la temperatura (Ta) a la que se encuentre. Otra cierta cantidad (Mb) de agua en la olla. Esta se calentar hasta una temperatura (Tb), para luego mezclar ambas y establecido el equilibrio (Te) utilizar la frmula para calcular el Ce (calor especfico del calormetro).Una vez obtenido el Ce, se procede a calcular la capacidad calorfica (Cc) multiplicando la masa del calormetro por el Ce.

Figura 8. Olla fra en medicin

Figura 9. (Ma) de aguaCalor especfico de slidosPara calcular los calores especficos de los solidos utilizados (Aluminio, Hierro fundido y Plomo) se proceder de nuevo a colocar una masa (Ma) de agua (no necesariamente la misma que el clculo anterior) y medir la temperatura a la cual se encontrara (Ta)Seguido de este paso, sumergir el slido en agua y elevar la temperatura (aproximadamente a 70C) hasta una temperatura (Tb)

Figura 10. Apunto de calentar el slidoUna vez realizado este paso, se debe proceder a introducir el slido en el recipiente de (Ta) sujetndose de las pinzas hasta alcanzar la temperatura de equilibrio (Te).Realizar estos pasos para obtener los Ce de cada slido.

Figura 11. Slido calentadoCLCULOS Y RESULTADOS1.-Determinacin de la capacidad calorfica (o equivalente en agua) del calormetro.

321T = 60CH2O 830mlmcal= 402.7gH2O 500mlT= 26.5CH2O 330mlT =88C

Figura 12. Esquema del equilibrio trmico entre agua (fra y caliente) con el calormetro

- Clculo de las masas:m1 = v1. = (500 ml)(1) = 500 gm2 = v2. = (330 ml)(1) = 330 gm3 = m1 + m2 = 500g + 330g = 830 gmc = mcalormetro = mtermo + mtapa = 389.9g + 13.8 = 402.7 g

- Clculo del calor especfico del calormetro (Cec)Qganado = - Qperdidom2.Ce2.(T3-T2) + mc.Cec.(T3 T2) = - m1.Ce1. (T3 T1)(330 g).(1 ).(60 - 26.5) + (402.7 g).Cec.(60 - 26.5) = - (500 g).( 1 ).(60- 88Cec = 0.218

2.-Calor especifico de slidosProblema 2. Determine usted el calor especifico del material Plomo.Para el Plomo:

T3= 28CH2O 200ml + Pb

Plomo(Pb)97.2gH2O 200mlT2 = 80CT1 = 26.5C

Figura 13. Equilibrio trmico entre el plomo y el agua

Qganado = - QperdidoMagua.Ceagua.(T3 T1) + mcal.Cecal.(T3 T1) = - mPb.CePb. (T3 TPb)(200 g).(1 ).(28 - 26.5) + (402.7 g).(0.2).(28 - 26.5) = - (97.2 g).( CePb).(28- 80CePb = 0.17

CePb = 0.031 (terico)CePb = 0.17 (experimental)

- Calor especfico del acero (Ceacero):

T3= 36CH2O 200ml + Pb

Acero 156.2gH2O 200mlT2 = 86CT1 = 26.5C

Figura 14.Equilibrio trmico del acero con el agua.

Qganado = - QperdidoMagua.Ceagua.(T3 T1) + mcal.Cecal.(T3 T1) = - macero.Ceacero. (T3 Tacero)(200g).(1 ).(36 - 26.5) + (402.7 g).(0.2).(36 - 26.5) = - (156.2 g).( Ceacero).(36- 86Ceacero = 0.35

Ceacero = 0.110 (terico)Ceacero = 0.35 (experimental)

- Calor especfico del aluminio (CeAl):

T3= 32.8CH2O 200ml + Pb

Al 77.7gH2O 200mlT2 = 88CT1 = 26.5C

Figura 15. Equilibrio trmico entre el aluminio y el agua

Qganado = - QperdidoMagua.Ceagua.(T3 T1) + mcal.Cecal.(T3 T1) = - mAl.CeAl. (T3 TAl)(200 g).(1 ).(32.8 - 26.5) + (402.7 g).(0.2).(32.8 - 26.5) = - (77.7 g).( CeAl).(32.8- 88CeAl = 0.42

CeAl = 0.218 (terico)CeAl = 0.42 (experimental)

Tabla 2. Comparacin del calor especifico terico con el experimentalCE (Terico)

CE (Experimental)

Plomo0.031 0. 17

Acero0.110 0.35

Aluminio0.218 0.42

Tabla 3. Temperaturas de equilibro para la conservacin de energaT inicial (masa)(oC)T inicial (agua)(C)T equilibrio(oC)

Plomo8026.528

Acero8626.536

Aluminio8826.532.8

OBSERVACIONES Efectivamente se observ que el flujo de calor se da entre dos cuerpos a diferentes temperaturas, siendo en este caso el calor del agua tibia al agua de cao y en el caso de las muestras el calor fluye hacia el frijol debido a que se encuentra a menor temperatura

Se observ que el flujo de calor en el interior de las nuestras se da por conduccin, y que el calor absorbido por el agua se dio por conveccin principalmente.

El calormetro funciona como un aislante, debido a que no permite la salida y el ingreso de calor.

CAUSAS DE ERROR

Prdida de calor por parte de los slidos al sacarlos del agua caliente y ponerlos en contacto con el medio ambiente antes de introducirlos al calormetro.

El calormetro no se encontraba totalmente aislado del medio ambiente.

Falta de precisin al tomar el registro de los pesos de los slidos, el calormetro y el agua discusiones

SUGERENCIAS

Se recomienda hacer uso de un termmetro digital con presin mnima de dcimas o centsimas para as tener un mejor registro de datos, que ser de gran ayuda como en el caso del plomo.

Antes de empezar el experimento, verificar que el termo est completamente limpio y vaco, es decir, que no tenga gotas de agua, residuos slidos (detergente, partculas de jabn, etc.), pues esto influir en los resultados.

Cada vez que usemos el termmetro verificar que se encuentre en una temperatura baja (temperatura ambiente) para lo cual se sumergir en agua fra solo el bulbo

CONCLUSIONES Se comprob el principio de la conservacin de la energa, el cual establece que la energa total inicial de un sistema es igual a la energa final total del mismo sistema que el calor ganado es igual al calor perdido.

El calor es energa que es transferida de un sistema a otro, debido a que se encuentran a diferentes niveles de temperatura. Por esta razn, al poner los dos cuerpos en contacto, el que se encuentra a mayor temperatura transfiere calor al otro hasta que se logra el equilibrio trmico como se puede apreciar en la tabla 3 donde cada metal estaba a cierta temperatura y al combinarse con el lquido en el termo, este gano energa mientras que los metales cedieron su energa y llegando a establecer un equilibrio. Cabe mencionar que la energa transferida se refiere al calor.

Cuando la temperatura del cuerpo aumenta, Q y T se consideran positivas, lo que corresponde a que la energa fluye hacia el sistema, cuando la temperatura disminuye, Q y T son negativas y la energa trmica fluye hacia fuera del cuerpo.

El equilibrio trmico se establece entre sustancias en contacto trmico por la transferencia de energa, en este caso calor; para calcular la temperatura de equilibrio es necesario recurrir a la conservacin de energa ya que al no efectuarse trabajo mecnico la energa trmica total del sistema se mantiene.

En la tabla 2 se puede comparar el calor especfico experimental y el terico donde el margen de error es poco y se debe en las siguientes sugerencias que mencionamos anteriormente, exceptuando el uso de termmetro digital.

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