05 Laboratorio 2 Calor específico de sólidos.doc

Ondas y Calor Tecsup – P.F.R.PRÁCTICA DE LABORATORIO Nº 02 CALOR ESPECÍFICO DE SÓLIDOS. 1. OBJETIVOS 1) Determinar el calor específico de un cuerpo sólido por el método de las mezclas. 2) Ser capaz de configurar e implementar equipos para toma de datos experimentales y realizar un análisis gráfico utilizando como herramienta el software CapstoneTM. 3) Utilizar el software CapstoneTM para verificación de parámetros estadísticos respecto a la información registrada. 2. MATERIALES o Computador con programa PASCO Capstone instalado o Mordaza de mesa o Nuez Doble o Pinza Universal o Varilla de 60 cm o Cocina eléctrica o USB Link o Sensor de temperatura o Vaso calorímetro o Cuerpos metálicos 3 piezas 3. FUNDAMENTO TEÓRICO 3.1. Calor específico. El calor específico (c) de una sustancia, es la cantidad de calor (medido en calorías) requerido para que un gramo de dicha sustancia, eleve su temperatura en 1 °C. El calor ganado o perdido por un cuerpo es igual al producto de sus masas, su calor específico y el cambio de temperatura. ΔQ = m c (Tf – Ti) (1) El método más común usado en la determinación de cambios de calor es el método de las mezclas, basado en el principio de la conservación de la energía, en el cual dos o más sistemas que tienen temperaturas diferentes son puestos en contacto, de tal forma que intercambien calor hasta que todos ellos adquieren la misma temperatura (temperatura de equilibrio). Como un resultado del intercambio, los cuerpos de más alta temperatura cederán calor a los cuerpos 18 Ondas y Calor Tecsup – P.F.R. de temperatura mas baja, de manera que la cantidad de calor perdido por algunos cuerpos es igual a la cantidad de calor ganado por los otros. Un cuerpo de masa M, cuyo calor especifico c se desea determinar es calentado hasta alcanzar una temperatura T y luego introducido rápidamente a un calorímetro de masa Mc, y cuyo calor especifico cc el cual contiene en su interior una masa de agua MA, todos estos a una temperatura inicial Ti. La mezcla alcanzara una temperatura intermedia de equilibrio TEq. Aplicando el principio de conservación de la energía tendremos que el calor perdido por el cuerpo debe ser igual al calor absorbido por el agua, el calorímetro y el termómetro. Esto es: M csólido (T – TEq) = MAgua cAgua (TEq – Ti) + Ccalorimetro (TEq – Ti) (2) De donde: M AcA C TEq T csólido M T TEq i Que nos determina el calor específico c del cuerpo. Este es el fundamento del método de las mezclas. Es necesario observar que este método solo conduce a la determinación del calor específico promedio en un intervalo de temperaturas un poco amplio. El calorímetro que usaremos esta cubierto de una envoltura de material térmicamente aislante para minimizar tanto la perdida como la absorción de calor, pero no elimina este factor completamente ya que es prácticamente imposible aislar cualquier sistema del medio que lo rodea y eliminar un intercambio de calor. El equivalente en agua es un término frecuentemente en calorimetría. Es la masa de agua que requiere la misma cantidad de calor para aumentar su temperatura en un grado como el que se requiere para aumentar la temperatura del cuerpo en un grado. El equivalente del agua es el producto de la masa de un cuerpo y la capacidad térmica del material del cuerpo 4. PROCEDIMIENTO 4.1 Experiencia del calor especifico de sólidos. Ingrese al programa PASCO CapstoneTM, haga clic sobre el icono tabla y gráfica y seguidamente reconocerá el sensor de temperatura previamente insertado a la interfase USB Link. 19 Tecsup – P.F.R. Ondas y Calor Seguidamente procedemos a configurar dicho sensor, para lo cual hacemos doble clic sobre el icono CONFIGURACION y lo configuramos para que registre un periodo de muestreo de 10 Hz en ºC. Luego presione el icono del SENSOR DE TEMPERATURA luego seleccione numérico y cambie a 2 cifras después de la coma decimal, según datos proporcionados por el fabricante el sensor mide en el rango de -35 ºC a 135 ºC con un paso de 0.01 ºC. Una vez calibrado el sensor arrastramos el icono Gráfico sobre el icono sensor de temperatura y seleccionamos la gráfica temperatura vs tiempo, luego hacemos el montaje de la figura 4.1. Figura. 4.1. Primer montaje Inicie la toma de datos introduciendo 200 ml de agua en el calorímetro y oprimiendo el botón inicio en la barra de configuración principal de PASCO CapstoneTM. Utilice las herramientas de análisis del programa para determinar la temperatura inicial Ti del sistema calorímetro, agitador y agua.  Al momento de medir la masa de agua que introducirá en el matraz cuide de no mojar la balanza. Coloque en el vaso precipitado 200 ml de agua, conjuntamente con el cuerpo y usando el mechero caliéntelo hasta que el agua hierva, de esta forma la temperatura T del cuerpo será la misma que la del agua hirviendo (100 °C aproximadamente). 20 Ondas y Calor Tecsup – P.F.R. Oprima el botón inicio en la barra de configuración principal de CapstoneTM  Rápida y cuidadosamente introduce el cuerpo dentro del calorímetro, agite el agua con el fin de crear corrientes de convección y distribuir el aumento de temperatura a todo el recipiente. Utilice las herramientas de análisis del programa para determinar la temperatura más alta registrada. Esta será la temperatura de equilibrio TEq. Repita el proceso hasta completar 2 mediciones, con 3 cuerpos metálicos diferentes y llene las tablas 4.1 y 4.2. Datos teóricos útiles: cAl = 0.2250 cal/gr ºC Aluminio cCu = 0.0931 cal/gr ºC Cobre cFe = 0.1146 cal/gr ºC Hierro cPb = 0.0320 cal/gr ºC Plomo cCb = 0.0577 cal/gr ºC Estaño cZn = 0.0925 cal/gr ºC Zinc cACE = 0,106 cal/gr ºC Acero 21 Tecsup – P.F.R. Ondas y Calor TABLA 4.1. Calor específico de Hierro Calor especifico Clase de metal usado teórico Hierro, Fe (Cal/g°C) Medición 1 2 Capacidad calorífica del calorímetro C Masa del cuerpo metálico M Masa de agua Temperatura inicial del sistema Ti Temperatura inicial del cuerpo caliente T Temperatura de equilibrio TEq Calor especifico experimental Error porcentual Vbibliografico Vexp erimental E(%) 100% Vbibliografico TABLA 4.2. Calor específico de Latón (Cu-Zn) Calor especifico Clase de metal usado latón teórico (Cal/g°C) Medición 1 2 Capacidad calorífica del calorímetro C Masa del cuerpo metálico M Masa de agua Temperatura inicial del sistema Ti Temperatura inicial del cuerpo caliente T Temperatura de equilibrio TEq Calor especifico experimental Error porcentual Vbibliografico Vexp erimental E(%) 100% Vbibliografico 22 Ondas y Calor Tecsup – P.F.R. TABLA 4.3. Calor específico de Aluminio Calor especifico Clase de metal usado Aluminio, Al teórico (Cal/g°C) Medición 1 2 Capacidad calorífica del calorímetro (C cal/°C) Masa del cuerpo metálico M (g) Masa de agua (g) Temperatura inicial del sistema Ti (°C) Temperatura inicial del cuerpo caliente T (°C) Temperatura de equilibrio TEq (°C) Calor especifico experimental (Cal/g°C) Error porcentual Vbibliografico Vexp erimental E(%) 100% Vbibliografico 5. CUESTIONARIO 5. 1 Sobre la Experiencia del calor especifico de sólidos. 5.1.1. ¿Podrías determinar el calor específico de las muestras usadas en este experimento enfriando el metal a la temperatura del hielo en vez de calentarlo como se hizo en la experiencia? Explica 5.1.2. ¿Podrías determinar el calor específico de una sustancia desconocida sin necesidad de hacer uso de una sustancia de referencia como el agua? Explica. 5.1.3. Si se triplicara el espesor de las paredes del calorímetro ¿Variaría el intercambio de calor?, explique su respuesta. 5.1.4. ¿Qué viene a ser la energía calorífica absorbida por una sustancia cuando la temperatura es incrementada? 5.1.5. ¿Cuánto es el equivalente en agua del calorímetro? 5.1.6. ¿Qué evidencia dan los resultados de esta experiencia para justificar que el agua tiene un calor específico más alto que los materiales considerados? 5.1.7. Si la temperatura del rollo de cobre hubiera sido 800 ºC ¿Cuál hubiera sido la temperatura de equilibrio de la mezcla? 23 Tecsup – P.F.R. Ondas y Calor 5.1.8. ¿Qué porcentaje de error has introducido al despreciar el equivalente en agua del termómetro? El calor específico hallado tendría un valor mayor o menor al considerar el calor absorbido por el termómetro. Demuestra tu respuesta 5.1.9. La temperatura muy alta en la atmosfera puede ser de 700 oC. Sim embargo, un animal ahí se podría congelar y morir en vez de asarse. Explique 6. Aplicación a la especialidad. Se presentarán un mínimo de 2 aplicaciones del tema del laboratorio referido a su especialidad. 7. OBSERVACIONES 7.1. ______________________________________________________________ ________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 7.2. ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 7.3. ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 8. CONCLUSIONES 8.1 ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 8.2 ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 24 Ondas y Calor Tecsup – P.F.R. 8.3 ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 9. BIBLIOGRAFIA (según formato de la APA) 25