UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO.

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ARAGÓN.

Laboratorio de Termodinámica

Práctica numero 5: Calor específico y cambios de fase.

Alumno: Fernández Cano Veronico David Ricardo.

No. de cuenta: 41205778-6.

Grupo: lunes 4:00-5:30

Ciclo escolar: 2014-1

Fecha de realización: 30\09\2013. Fecha de entrega: 07/10/2013.

Objetivo:

Comprender y aplicar el concepto de calor especifico, equivalente mecánico del calor y entalpia de vaporización.

Actividades:

1. Determinar el peso específico de un metal.2. Calcular el equivalente mecánico del calor.3. Calcular la entalpia de vaporización.

Material y/o equipo:

1 parrilla eléctrica de 750 watts. 1 calorímetro (recipiente de aluminio). 1 cronometro. 2 termómetros. 1 vaso de precipitado de 250 ml. 1 vaso de precipitado de 500 ml. 1 balanza granataria. 1multimetro. 1 pesa de 1 Kg. 1 pesa de ½ Kg. 1 guante de asbesto. 1 agitador de vidrio. 1 cubo de metal. Agua potable. 1 cafetera. 1 pinza sujetadora. 1 resistencia de inmersión.

Cambios de estado de la materia:

Equivalente mecánico del calor:

Aspectos teóricos:

La primera ley de la termodinámica, es la aplicación del principio de conservación de la energía, a los procesos de calor y termodinámico:

∆Q=∆ E+∆ω

∆Q :cambio decalor .

∆ E : cambiodeenergia interna .

∆ ω :cambiode trabajo .

La primera ley hace uso de los conceptos claves de energía interna, calor, y trabajo sobre un sistema. Usa extensamente el estudio de los motores térmicos. La unidad estándar de todas estas cantidades es el julio, aunque algunas veces se expresan en calorías o BTU.

En un contexto físico, el escenario común es el de añadir calor a un volumen de gas, y usar la expansión de ese gas para realizar trabajo, como en el caso del empuje de un pistón, en un motor de combustión interna. En el contexto de procesos y reacciones químicas, suelen ser más comunes, encontrarse con situaciones donde el trabajo se realiza sobre el sistema, más que el realizado por el sistema.

Calor especifico:

Se denomina calor específico a la capacidad calorífica correspondiente a la unidad de masa del sistema.

Así, denominamos m a la masa del sistema, cuya capacidad calorífica media es

Donde c es el calor específico medio, para el intervalo de temperatura ΔT. El calor específico es una propiedad intensiva, o sea independiente de la masa del sistema. Como su valor depende le la temperatura, lo mismo que la capacidad calorífica, para definirlo a una cierta temperatura debemos disminuir todo lo posible el intervalo ΔT haciendo tender las temperaturas al valor adoptado; o sea

Donde c es el calor específico verdadero a una temperatura T.

Unidades de calor especifico:

Cuando la masa se expresa en gr, el calor específico correspondiente a la capacidad calorífica de 1 gr del sistema, siendo sus unidades: cal/gr.

Cuando la masa se expresa en moles, es decir, en el número de pesos moleculares gr del sistema, el calor específico corresponde a la capacidad calorífica de 1 mol, de sistema y se lo denomina: “capacidad calorífica molar”, “calor molar” o directamente “calor específico molar”.

Equivalente mecánico del calor:

En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la unidad de energía joule (julio) y la unidad de calor caloría.

Mediante esta experiencia simulada, se pretende poner de manifiesto la gran cantidad de energía que es necesario transformar en calor para elevar apreciablemente la temperatura de un volumen pequeño de agua.

Un recipiente aislado térmicamente contiene una cierta cantidad de agua, con un termómetro para medir su temperatura, un eje con unas paletas que se ponen en movimiento por la acción de una pesa, tal como se muestra en la figura.

Cambios de fase:

En el estado de vapor, las partículas de agua se mueven libremente, ocupando mucho más espacio que en estado líquido. Si calentamos el vapor de agua, la energía la absorben las partículas y ganan velocidad, por lo tanto la temperatura sube.

Cuando la temperatura del líquido alcanza el punto de ebullición, la velocidad con que se mueven las partículas es tan alta que el proceso de vaporización, además de darse en la superficie, se produce en cualquier punto del interior, formándose las típicas burbujas de vapor de agua, que suben a la superficie. En este punto la energía comunicada por la llama se invierte en lanzar a las partículas al estado gaseoso, y la temperatura del líquido no cambia (100ºC).

En el estado líquido las partículas están muy próximas, moviéndose con libertad y de forma desordenada. A medida que calentamos el líquido, las partículas se mueven más rápido y la temperatura aumenta. En la superficie del líquido se da el proceso de vaporización, algunas partículas tienen la suficiente energía para escapar. Si la temperatura aumenta, el número de partículas que se escapan es mayor, es decir, el líquido se evapora más rápidamente.

Cuando la temperatura alcanza el punto de fusión (0ºC) la velocidad de las partículas es lo suficientemente alta para que algunas de ellas puedan vencer las fuerzas de atracción del estado sólido y abandonan las posiciones fijas que ocupan. La estructura cristalina se va desmoronando poco a poco. Durante todo el proceso de fusión del hielo la temperatura se mantiene constante.

En el estado sólido las partículas están ordenadas y se mueven oscilando alrededor de sus posiciones. A medida que calentamos el agua, las partículas ganan energía y se mueven más deprisa, pero conservan sus posiciones.

Calor latente:

Es aquel que cuando se suministra a la materia su temperatura permanece constante y durante el lapso de tiempo que se le suministra cambia de estado. Su fórmula es:

Q=mλ fusion

Calor sensible:

Es aquel que cuando se le suministra a la materia cambia su temperatura sin cambiar de estado. Su fórmula es:

Q=mCe (T2−T 1)

Desarrollo:

1. Calibrar la balanza.2. Medir la masa del calorímetro, anotar su valor en la tabla 5.1ª.3. Verter en el calorímetro aproximadamente 1/3 de agua fría, determinar su masa y su

temperatura.4. Determinar la masa del metal. Anotar su valor en la tabla 5.1 A.5. En un vaso de precipitado verter aproximadamente 2300ml de agua.6. Introducir el metal en el vaso de precipitado.7. Colocar el vaso en la parrilla. Conectar a la toma corriente.8. Introducir el termómetro en el vaso para medir la temperatura de ebullición. Anotar el

valor en la tabla 5.1A, (esta es considerada como la temperatura inicial del metal).9. Una vez que el agua este hirviendo, con las pinzas sacar el trozo de metal e introducirlo en

el calorímetro.10. Medir la temperatura máxima que alcanza el agua en el calorímetro (T2), anotar el valor

en la tabla 5.1A. esta es considerada como la temperatura que se alcanza en el equilibrio termodinámico entre el metal y el agua.

Actividad 2: equivalente mecánico del calor:

Realizar los cálculos necesarios para obtener el equivalente mecánico del calor utilizado en la práctica. Anotar los resultados en la tabla 5.2B.

Actividad 3: entalpia de evaporación:

1. Medir la resistencia de inmersión y el voltaje de línea. Anotar su valor en la tabla 5.2B.2. Verter 2/3 de agua en el calorímetro o en la cafetera.3. Determinar la masa del agua, restándole la masa de la cafetera. Anotar su valor en la tabla

5.2A.4. Conectar la resistencia de inmersión a la toma corriente.5. Con el agitador de vidrio mezclar continuamente para alcanzar una temperatura uniforme

dentro del calorímetro ola cafetera.6. Esperar a que el agua alcance una temperatura de ebullición (92ᴼC aprox.). es ese

momento cronometrar el tiempo en un lapso de 5min, para que se consuma parte del agua.

7. Desconectar la cafetera y colocarla en la balanza, medir la masa del agua que se evaporo, (restando la masa inicial del agua fría con la masa final del agua caliente). Anótalo en la tabla 5.3A.

Tablas de lecturas.

Tabla 5.1A.

Concepto Símbolo Unidad LecturaMasa del calorímetro M calorímetro g 90.3

Masa del agua M H2O g 189Temperatura inicial

del aguaT1 H2O ᴼC 27

Masa del metal M M1 g 242.2Temperatura inicial

del metalTM1 ᴼC 84

Temperatura final del agua

T2 H2O ᴼC 32

Temperatura final del metal

tM2 ᴼC 32

Tabla 5.2A.

Concepto símbolo unidad LecturaResistencia de

inmersiónR Ω .9M Ω

Voltaje de línea V V 130.7Masa inicial del agua m1 g 1433.2Masa final de lagua m2 g 1521.8

Masa del vapor mv g 1382.4Tiempo de

vaporizaciónt s 300

Memoria de cálculo:

hv= 40.7kJ /mol1.3824 kg

=29.44155kJ /kgmol

Ce=189 g( 1cal

273.15ᴼC )(32−27)ᴼC242.2g (32−84)ᴼC

=−2.747×10−4 calgᴼC

Tablas de resultados:

Tabla 5.1B.

Concepto Símbolo unidadesCalor especifico

del metalCeM KJ/KgᴼK Cal/g Cᴼ BTU/lbᴼF

.31249 2.747x10^-4 1.196x10^-5

Tabla 5.2B.

Concepto UnidadesEquivalente

mecánico del calor

J cal BTU28.09.14 671.41 2.66

Tabla 5.3B.

Concepto Símbolo UnidadesCalor de

vaporizaciónQv Joule/mol Cal/mol BTU/mol

.0407 9.768x10^-3 3.877x10^-5Concepto Símbolo Unidades

Entalpia de vaporización

Hv J/gmol Cal/gmol BTU/lbmol29.4415 7.067 .028

Cuestionario no. 5

1) Explicar los estados de la materia y sus cambios investigar qué tipo de calor manejan.

El tipo de calor que manejan es el calor latente debido a que este calor es el que actúa sobre la materia cuando cambia de fase.

2) Demostrar mediante la primera ley de la termodinámica la relación existente entre los calores específicos y la constante particular de los gases.

Para el proceso isobárico:

C=1gde hielo−1ᴼC

Cp−Cv=R=1.987cal /ᴼ Kmol

dE=nCvdT⇒∮1

2

dE=∮1

2

nCvdT⇒∮1

2

dE=nCv∮1

2

dT

⇒E2−E1=nCv (T 2−T1 )⇒ΔE=nCv(T 2−T 1)

3) ¿Por qué causa más daño una quemadura de vapor de agua que una quemadura con agua hirviendo?

Causa más daño una quemadura con agua hirviendo que con vapor de agua, debido a que las moléculas del vapor están más dispersas que las moléculas del agua, aunque el vapor se encuentra a una temperatura más elevada.

4) ¿Qué significa afirmar que un material tiene una capacidad calorífica grande o pequeña?

La capacidad calorífica varía dependiendo de si se está a volumen constante o a presión constante, a una Capacidad Térmica más grande, una tasa más lenta en la disipación del calor y viceversa.

5) ¿Porque los lagos y estanques se congelan de arriba hacia abajo y no al revés?

La temperatura de congelación del lagua disminuye con el aumento de la presión, y en la parte más profunda de los lagos hay mayor presión y por ello se necesita que el agua este a una temperatura más baja.

6) Investigar 3 formas de transmisión de calor.

Por radiación, por conducción, por convección.

7) Determinar el error porcentual error relativo y error absoluto de esta práctica.

No se puede determinar el porcentaje de error debido a que no se conocen varios datos que nos deben proporcionar teóricamente, como el equivalente mecánico del calor.

8) ¿Qué tipos de errores se cometieron al efectuar esta práctica y como podrías evitarlos?

La inexactitud al tomar el tiempo con el cronometro, así mismo al tomar la medición de la temperatura.

Conclusiones:

En el experimento se pudo observar el proceso de sublimación del agua, y como es que vario la masa de este líquido al pesarlo, es decir, cuanto del líquido se había transformado al estado gaseoso, esto último en función del tiempo y del aumento de la temperatura; y además, como es que mediante la experimentación nos acercamos al valor teórico de la entalpia, claro con su correspondiente porcentaje de error, debido a los tiempos imprecisos y al manejo de los instrumentos. Se logro encontrar el calor de vaporación del agua utilizando la resistencia que generaba la resistencia que contenía la cafetera y la diferencia de potencial de la cual nos suministraban que era la promedio de 126 V y gracias a este valor podemos encontrar la entalpia de evaporización.

Por otro lado aprendimos como calcular el calor específico de un sólido en este caso de un cubo de metal, aunque se pudo haber llegado a un valor más aproximado si no hubiéramos cometidos algunos errores de medición de la temperatura, al igual que la del que se indican en las tablas de lecturas.

Para este tipo de prácticas es necesario conocer la teoría ya que sin ella no es posible llegar a las conclusiones que se piden, y de hecho, las practicas sirven para reforzar únicamente lo que ya se comprobó de manera teórica.

Bibliografía:

Encyclopedia of Energy´Daniel N. Lapedes Editor en Jefe McGraw-Hill Book Company, USA 1976Steam / ist generation and use´The Babcock & Wilcox Companythirty-ninth edition, USA 1978Virgil Moring Faires Termodinámica´4ª edición, México, 1982W.H. Severns, H.E. Degler, J.C. Miles La producción de energía mediante vapor, aire, o gas´Editorial Reverte mexicana S.A., México D.F. 1991Francis F Huang Ingeniería Termodinámica´Compañía Editorial Continental, S.A. de C.V., 2ª Edición,México 1994M.J. Moran, H.N. Shapiro Fundamentos de termodinámica técnica´,Editorial Reverté S.A., Tomos 1 y 2, España, 1993M. Lucini. "Turbomáquinas de vapor y de gas", Editorial Labor, 3° Edición, Barcelona 15España.