LABORATORIO DE FIEE- FISICA II UNMSM CALORES ESPECÍFICOS EXPERIENCIA N°10 I. INTRODUCCIÓN El presente informe de laboratorio de física, que tiene por título “CALORES ESPECÍFICOS”, con esta experiencia se pretende que el estudiante de ingeniería observe el calor específico y a partir de ello identifique las principales magnitudes que intervienen, y visualice los valores que éstas toman en distintos casos, así como las variaciones que experimentan en diversos instantes y posiciones. El calor específico es una propiedad intensiva de la materia, por lo que es representativo de cada materia; por el contrario, la capacidad calorífica es una propiedad extensiva representativa de cada cuerpo o sistema particular. 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 trabajo del físico 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 1 LABORATORIO DE FIEE- FISICA II UNMSM nombre podría ser transferencia de energía calorífica específica, pero el término está demasiado arraigado para ser remplazado. II. OBJETIVOS Determinar el calor específico de diferentes muestras sólidas mediante el uso de un modelo dinámico sencillo. Estudiar el efecto de la transferencia de calor entre el calorímetro y la muestra a analizar. Aplicar la ley de equilibrio térmico a sistemas termodinámicos. Aplicar la conservación de la energía en sistemas de transferencias de calor. Reconocer el calor como una forma de energía. III. MATERIALES Y EQUIPOS 2 LABORATORIO DE FIEE- FISICA II UNMSM 3 LABORATORIO DE FIEE- FISICA II UNMSM IV. FUNDAMENTO TEÓRICO IV.1. CALOR En física, transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. IV.2. TEMPERATURA La sensación de calor o frío al tocar una sustancia depende de su temperatura, de la capacidad de la sustancia para conducir el calor y de otros factores. Aunque, si se procede con cuidado, es posible comparar las temperaturas relativas de dos sustancias mediante el tacto, es imposible evaluar la magnitud absoluta de las temperaturas a partir de reacciones subjetivas. IV.3. CALOR ESPECÍFICO 4 LABORATORIO DE FIEE- FISICA II UNMSM Es una magnitud física 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). De forma análoga, se define la capacidad calorífica como la cantidad de calor que hay que suministrar a toda la masa 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 el cociente entre la capacidad calorífica y la masa, esto es: donde es la masa de la sustancia. Además: El calor específico es una propiedad intensiva de la materia, por lo que es representativo de cada materia; por el contrario, la capacidad calorífica es una propiedad extensiva representativa de cada cuerpo o sistema particular. 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 trabajo del físico Joseph Black, quien realizó variadas medidas calorimétricas y 5 LABORATORIO DE FIEE- FISICA II UNMSM usó la frase “capacidad para el calor”. 4 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. En el Sistema Internacional de unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramo y kelvin; en ocasiones también se expresa en calorías por gramo y grado centígrado. El calor específico del agua es una caloría por gramo y grado centígrado, es decir, hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado. IV.4. FACTORES QUE AFECTAN EL CALOR ESPECÍFICO 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 grados de libertad internos no contribuye a la temperatura de la sustancia sino a su calor específi co. GRADOS DE LIBERTAD El comportamiento termodinámico de las moléculas de los gases monoatómicos, como el helio y de los gases biatómicos, el hidrógeno es muy diferente. En los gases monoatómicos, la energía interna corresponde únicamente a movimientos de traslación. Los movimientos traslacionales son movimientos de cuerpo completo en un espacio tridimensional en el que las partículas se mueven e 6 LABORATORIO DE FIEE- FISICA II UNMSM intercambian energía en colisiones en forma similar a como lo harían pelotas de goma encerradas en un recipiente que se agitaran con fuerza. Estos movimientos simples en los ejes dimensionales X, Y, y Z implican que los gases monoatómicos sólo tienen tres grados de libertad traslacionales. MASA MOLAR Una de las razones por las que el calor específico adopta diferentes valores para diferentes sustancias es la diferencia en masas molares, que es la masa de un mol de cualquier elemento, la cual es directamente proporcional a la masa molecular del elemento, suma de los valores de las masas atómicas de la molécula en cuestión. La energía calorífica se almacena gracias a la existencia de átomos o moléculas vibrando. Si una sustancia tiene una masa molar más ligera, entonces cada gramo de ella tiene más átomos o moléculas disponibles para almacenar energía. Es por esto que el hidrógeno, la sustancia con la menor masa molar, tiene un calor específico tan elevado; porque un gramo de esta sustancia contiene una cantidad tan grande de moléculas. ENLACES PUENTE DE HIDRÓGENO Las moléculas que contienen enlaces polares de hidrógeno tienen la capacidad de almacenar energía calorífica en éstos enlaces, conocidos como puentes de hidrógeno. IMPUREZAS En el caso de las aleaciones, hay ciertas condiciones en las cuales pequeñas impurezas pueden alterar en gran medida el calor específico medido. Las aleaciones pueden mostrar una marcada diferencia en su 7 LABORATORIO DE FIEE- FISICA II UNMSM comportamiento incluso si la impureza en cuestión es uno de los elementos que forman la aleación. V. PROCEDIMIENTO 1. Dentro del calorímetro, vierta 150 ml de agua (m a) y mida la temperatura inicial del sistema Ta. magua=150g ± 0.5 T agua=23 ° C ± 0.05 2. Utilizando la balanza del laboratorio determinar las masas de las muestras metálicas. Para la muestra “A”: M A = 69.71 g ± 0.5 Par la muestra “B”: M B = 71.55 g ± 0.5 8 LABORATORIO DE FIEE- FISICA II UNMSM 3. En vaso de pírex vierta 250 ml de agua, sumerja una de las muestras metálicas y proceda a calentar hasta que hierva a una temperatura Tb. 4. Vierta esta agua caliente dentro del calorímetro, ciérrelo herméticamente y espere un minuto para que el sistema alcance el equilibrio. 5. Con un termómetro mida la temperatura del sistema en equilibrio Tc. Para la muestra “A”: T c = 86° C ± 0.05 Para la muestra “B”: T c = 87° C ± 0.05 6. Llenar el calorímetro con agua a temperatura ambiente hasta una altura que permita sumergir las muestras metálicas totalmente. 7. Llenar el vaso de pírex con agua, sumergir una muestra y calentar hasta hervir, repitiendo el procedimiento del Paso 3. 8. Una vez alcanzado el punto de ebullición, retirar rápidamente la muestra metálica del vaso de pírex y sumergirla en el agua dentro del calorímetro. Cerrar herméticamente el recipiente. 9 LABORATORIO DE FIEE- FISICA II UNMSM 9. Inmediatamente después, haciendo uso del termómetro, medir la temperatura de equilibrio del agua y la muestra metálica caliente. Observar el veloz enfriamiento en el termómetro. Para la muestra “A”: T e = 26 ° C ± 0.05 Para la muestra “B”: T e = 28 ° C ± 0.05 TABLA 1 m agua 150 g ± 0.5 t a 23 °C ± 0.05 TABLA 2 BLOQUE MUESTRA 1 MUESTRA 2 Ta (°C) 23 ± 0.05 23 ± 0.05 Tc (°C) 86 ± 0.05 87 ± 0.05 Te (°C) 26 ± 0.05 28 ± 0.05 mc (g) 69.71 ± 0.05 71.55 ± 0.05 10 LABORATORIO DE FIEE- FISICA II UNMSM VI. CONCLUSIONES Se comprobó el principio de la conservación de la energía, el cual establece que la energía total inicial de un sistema es igual a la energía final total del mismo sistema aunque existió una pérdida mínima de energía provocada por factores externos. 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 (calorímetro y el bloque pequeño), 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 ya que una parte de la energía hace aumentar la rapidez de traslación de las moléculas 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. 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. VII. RECOMENDACIONES Tener mucho cuidado ya que se trabajará con agua hirviendo. Cerciorarse de que todo el equipo se encuentre en buen estado, en especial el vaso precipitado. Al introducir el objeto en el calorímetro, esperar un tiempo prudente para que el sistema se equilibre (aprox. 1 minuto) Cuando el agua hierva, realizar rápido el traslado debido a que se enfriará y habrá errores. 11 LABORATORIO DE FIEE- FISICA II UNMSM VIII. BIBLIOGRAFÍA L. TARASOV, A. TARASOVA; Preguntas y problemas de física, EDITORIAL MIR, MOSCU, tercera edición: 1981. Creativa editores, Lima. Decimonovena reimpresión, 2008 pág. 119- 124. S.FRISH, A. TIMOREVA; Curso de física general, EDITORIAL MIR, MOSCU, cuarta edición: 1981, Pág. 168-172. TIPLER A. Paul – MOSCA, Gene; Física para la ciencia y la tecnología, EDITORIAL REVERTÉ, impreso en España, Quinta Edición: 2005, pág. 381-383. 12