Universidad Nacional Autónoma de MéxicoPRACTICA 4 "CALORIMETRIA" Facultad de Estudios Superiores Plantel Aragón Ingeniería Mecánica Laboratorio de Termodinámica Práctica No. 4 “CALORIMETRIA” Nombre del alumno: ZARCO JARA CARLOS DANIEL VALDESPINO GUERRERO DAYRA EDNA Nombre del profesor: ALEJANDRO RODRIGUEZ LORENZANA Grupo: martes 17:30-19:00 Fecha de realización: 7-10-2011 Fecha de entrega: 8-10-2011 GPO. TEORIA: 1353 1 GPO. LAB.: TD-04 Universidad Nacional Autónoma de México PRACTICA 4 "CALORIMETRIA" INDICE Objetivo__________________________________________________________________________3 Actividades______________________________________________________________________3 Material y/o equipo____________________________________________________________3 Sustancias________________________________________________________________________3 Aspectos Teóricos_______________________________________________________________4 Desarrollo de la Práctica_______________________________________________________5 Tabla de Lecturas________________________________________________________________9 Memoria de Cálculos (detallado)_____________________________________________10 Tabla de Resultados____________________________________________________________12 Cuestionario_____________________________________________________________________13 Serie_______________________________________________________________________________14 Conclusiones (1cuartilla)______________________________________________________15 Bibliografía (al menos 3 direcciones URL y 3 libros)______________________16 GPO. TEORIA: 1353 2 GPO. LAB.: TD-04 Universidad Nacional Autónoma de México PRACTICA 4 "CALORIMETRIA" OBJETIVO: Determinar la constante en un calorimetro por el metodo de mezclas y aplicar el concepto de calor especifico, para una sustancia limpia. ACTIVIDADES: DETERMINAR LA CONSTANTE DE UN CALORIMETRO MEZCLANDO AGUA CALIENTE Y AGUA FRIA. Calcular el calor especifico del agua, proporcionando calor al agua de un calorimetro por medio de una resistencia. MATERIAL Y/O EQUIPO: 1 Parrilla electrica de 750W. 1 Cronometro 1 Calorimetro 2 Termometros 1 Resistencia electrica de inmersion 2 Vasos de precipitados de 400 ml. 1 Balanza granataria 1 Multimetro 1 Pesa de 1Kg 1 Pesa de 1/2 Kg 1 Guante de asbesto 1 Agitador de Vidrio 1 Probeta graduada SUSTANCIAS Agua potable GPO. TEORIA: 1353 3 GPO. LAB.: TD-04 Universidad Nacional Autónoma de México PRACTICA 4 "CALORIMETRIA" ASPECTOS TEORICOS CALOR O ENRGIA TERMICA: Es la suma de la energia cinetica de todas las moleculas, cuyo resultado es la ganancia o perdida de energia interna; el calor es simplementte otra forma de energiaque puede medirse solo en funcion del efecto que produce. Existen 2 unidades para medir calor: a) CALORIA (cal): Es el calor necesario para aumentar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius. b) UNIDAD TECNICA BRITANICA (BTU): Es la cantidad de calor neceasario para elevar un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de aguaCAPACIDAD CALORIFICA: Es la relacion existente entre la cantidad de calor de una sustancia y su correspondiente elevacion de temperatura: La capacidad calorifica de una sustancia tiene un valor mayor si se lleva a cabo a presion constante, que si se realiza a volumen constante, ya que al aplicar presion constante a una sustancia, esta sufre un aumento en su volumen, lo que provoca una disminucion en su temperatura y en cosecuencia, necesitara mas calor para elevarla. A volumen constante, todo el calor suministrado a la sustancia pasa a aumentar la energia cinetica de las moleculas, por tanto, la temperatura se incrementa con mayor facilidad. CALOR ESPECIFICO (Ce): De una sustancia es igual a la capacidad calorifica de dicha sustancia entre su masa: y como: sustituyendo: GPO. TEORIA: 1353 4 GPO. LAB.: TD-04 Universidad Nacional Autónoma de México PRACTICA 4 "CALORIMETRIA" por lo tanto: Q = mCe En terminos practicos el Ce de una sustancia se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado de temperatura de una masa unitaria de la sustancia. El Ce es como una inercia termica, ya que representa la resistencia que una sustancia opone a los cambios de temperatura, por lo tanto esta en funcion de la temperatura y la presion. CALORIMETRO: Es un recipiente que permite medir las cantidades de calor que interactuan cuando se mezclan sustancias a diferentes temperaturas estas tienden a alcanzar el equilibrio termico, es decir, mientras una pierde calor la otra gana, por ello se realiza un balance de energia en el calorimetro y se cumple que: "EN CUALQUIER INTERCAMBIO DE CALOR EFECTUADO, EL CALOR CEDIDO ES IGUAL AL ABSORBIDO". Q₂ = Q₁ por lo tanto: m₂Ce₂(T₂-T₁) = m₁Ce₁(T₂-T₁) DESARROLLO ACTIVIDAD 1: "CONSTANTE DE UN CALORIMETRO" 1. Calibrar la balanza. 2. Medir la masa del calorimetro. Anotar su valor en la tabla 4.1A 3. Con la probeta medir 200 ml de agua fria, vaciarlos en el calorimetro. 4. Medir la masa del agua fria. (Resta la masa del calorimetro con la masa del agua). Anotar su valor en la tabla 4.1 A 5. Con el termometro medir la temperatura del agua hasta que esta se estabilice. Anotar su valor en la tabla 4.1 A (Considerar esta como la temperatura T₁) GPO. TEORIA: 1353 5 GPO. LAB.: TD-04 Universidad Nacional Autónoma de México PRACTICA 4 "CALORIMETRIA" 6. con la probeta medir 200 ml de agua, vacielos en el vaso de precipitado de 400 ml y medir la masa del agua, misma que seria la del agua caliente. Anotar su valor en la tabla 4.1 A 7. Colocar el vaso sobre la parrilla. 8. Conectar la parrilla a la toma de corriente. 9. Introducir el termometro en el vaso, procurando que este no toque el fondo, espere a que el agua alcance una temperatura de 40 °C. 10. Con el guante de asbesto puesto, retirar el vaso de la parrilla y colocarlo sobre la zona de trabajo de la mesa. 11. Espere a que la temperatura de vaso se estabilice, esta sera considerada como la temperatura (T₂). Anotar su valor en la tabla 4.1 A 12. Verter el agua del vaso en el calorimetro, mezclar con el agitador y esperar a que la temperatura se estabilice. Considerar esta como la temperatura tres (T₃). Anotar el valor en la tabla 4.1 A 13. Por medio del siguiente analisis, determinar la constante del calorimetro (Kcalorimetro). Anexa la memoria de calculos en el reporte y coloca los resultados que se pide en la tabla 4.1B y 4.1B-BIS. Para calcular la cantidad de calor Q necesario para el cambio de temperatura: Por lo que: Qcedido del agua caliente=Magua caliente Ce agua caliente (T₂agua-T₃agua) Qganado del agua fria=Magua fria Ce agua fria (T₃agua-T₁agua) Qganado por el calorimetro=Mcalorimetro Ce calorimetro (T₃agua-T₁agua) Donde: Mcalorimetro Ce calorimetro= K; (K es la c-onstante del calorimetro) GPO. TEORIA: 1353 6 GPO. LAB.: TD-04 Universidad Nacional Autónoma de México PRACTICA 4 "CALORIMETRIA" Por lo tanto: Qganado por el calorimetro=Kcalorimetro (T₃agua-T₁agua) Y el calor cedido: Qcedido= Magua fria Ce agua fria (T₃agua-T₁agua)+ Kcalorimetro (T₃agua-T₁agua) Despejando la constante del calorimetro se tiene: ACTIVIDAD II: CALOR ESPECIFICO DE UN LIQUIDO. 1. Calibrar la balanza 2. Medir la masa del calorimetro vacio. Anotar el valor en la tabla 4.2A 3. Suministra en el calorimetro 450ml de agua para que se cubra por comleto la resistencia de inmersion. 4. Medir la masa del agua. (Resta la masa del calorimetro con la masa del agua). Anotar su valor en la tabla 4.2A 5. Con el termometro medir la temperatura inicial del agua. Anotar su valor en la tabla 4.2A 6. Medir el valor de la resistencia de inmersion. Anotar su valor en la tabla 4.2A 7. Medir el valor del voltage de linea. Anotar su valor en la tabla 4.2A 8. Sin retirar el termometro, sumergir la resustencia completamente dentro del calorimetro. 9. Tomar el tiempo con el cronometro en el mometo de conectar la resistencia. 10. Interrumpir el tiempo del cronometro cuando la temperatura del agua haya alcanzado los 80°C. Anotar el tiempo en la tabla 4.2A GPO. TEORIA: 1353 7 GPO. LAB.: TD-04 Universidad Nacional Autónoma de México PRACTICA 4 "CALORIMETRIA" 11. Para determinar el calor especifico del agua a presion constante, utilizar el metodo de suministro de energia electrica, que dice: "Por medio de una resistencia se elevara la temperatura a una cantidad de agua en funcion del trabajo electrico realizado", es decir: Para conocer el calor suministrado al agua en terminos de calorias se tiene que: Por lo que el calor cedido por la resustencia a presion constante, sin considerar perdidas es: El calor ganado por el agua es: Qganado por el agua=Qcedido res-Qganado por el calorimetro.......... 1 Y si el calor del agua es: Qagua=M Ceagua(Tfagua-Tiagua)................. 2 Igualando 1 y 2 tenemos: MCeagua(Tf agua - Ti agua)=Qcedido res - Q ganado por el calorimetro Despejando: Si Y Entonces, el calor especifico real del agua para este experimeto es GPO. TEORIA: 1353 8 GPO. LAB.: TD-04 Universidad Nacional Autónoma de México PRACTICA 4 "CALORIMETRIA" Donde: W=Trabajo realizado(Joule) R= Resistencia(Ω) Q= Calor suministrado (J) t = tiempo suministrado de calor (s) V= voltaje de la linea (v) NOTA: R Y v PUEDEN OBTENERSE EMPLEANDO UN MULTIMETRO O TOMANDO EN CUENTA ÑA LEY DE OHM, QUE NOS DICE QUE LA CORRIENTE ELECTRICA QUE CIRCULA EN UN CIRCUITO (RESISTENCIA) ES DIRECTAMENTE PROPORCIONAL AL VOLTAJE APLICADO A ESTE, E INVERSAMENTE PROPORCIONAL A LA RESISTENCIA DE ESTE. TABLAS DE LECTURA Tabla 4.1A CONCEPTO SIMBOLO Masa del vaso Mvaso Masa del vaso con agua Mvasoagua Masa del calorimetro Mcal Masa del calorimetro con agua Mcal-agua Masa del agua fria Magua-fria Temperatura inicial del agua fria Ti agua Temperatura inicial del agua caliente T₂ agua Temperatura de equilibrio T₃ agua Masa del agua caliente Magua caliente UNIDAD gr gr gr gr gr °C °C °C gr LECTURA 224 437.8 87.7 284 203.7 28 40 34 213.8 GPO. TEORIA: 1353 9 GPO. LAB.: TD-04 Universidad Nacional Autónoma de México PRACTICA 4 "CALORIMETRIA" Tabla 4.2A CONCEPTO SIMBOLO Masa del calorimetro M cal Masa del calorimetro con agua Mcal-agua Masa del agua Magua Temperatura inicial del agua Ti agua Tiempo de suministro de energia al agua T Temperatura final del agua Tf agua Resistencia de inmercion R Voltaje V UNIDAD gr gr gr °C seg °C Ω v LECTURA 87.7 873 785.3 29 228 77 20 127 MEMORIA DE CALCULO Kcal = mcal Ccal Ccal = Kcal/mcal Ccal= 10.1/87.7= 0.11516 cal/gr °C Ca = 1 cal/gr °C Qc=Qg Qac = Qaf + Kcal (T₃-T₁) Kcal = Qac - Qaf/T₃-T₁ Kcal=1282.8-1222.2/34-28= 10.1cal/°C Qc = Qac = (mac(Ca)) (T₂-T₁)= 213.8*1*(40-34)=1282.8 cal Qg = Qaf + Qcal Qaf = maf *Ca * (T₃-T₁)= 203.7*1*(34-28) = 1222.2 cal Qcal = Kcal*(T₃-T₁) = 10.1*(34-28) = 60.6 cal QR= V²/R(t)*(0.2389) =129.3²/20*228*(0.2389)= 45532.13878 cal Qc=Qg QR=Qa + Qcal Qa=QR- Qcal Qcal= Kcal (Tf-Ti)= 10.1(77-29)=484.8 cal maCa(Tf-Ti) = QR - Qcal GPO. TEORIA: 1353 10 GPO. LAB.: TD-04 Universidad Nacional Autónoma de México PRACTICA 4 "CALORIMETRIA" Ca = QR-Qcal/ma(Tf-Ti)=45532.13878-484.8/785.3+(77-29)= 1.195067 cal CONVENCIONES 1282.8 cal X (0.00397 BTU)/1cal = 5.0927 BTU 1282.8 cal X(0.00116 J)/1 cal = 1.4880 J 5.0927 BTU X(1.055*10¹⁰ Erg)/1 BTU = 5.3727*10¹⁰ Erg 1222.2 cal X(0.00397 BTU)/1 cal = 4.8521 1222.2 cal X (0.00116 J)/ 1 cal = 1.4177 J 4.8521 BTU X (1.055*10¹⁰ Erg)/1 BTU = 5.1189*10¹⁰ 60.6 cal X (0.00397 BTU)/1 cal = 0.2405 BTU 60.6 cal X (0.00116 J)/1 cal = 0.0702 J 0.2405 BTU X (1.055*10¹⁰ Erg)/1 BTU = 2.405*10⁹ 10.1 cal/°C X(1 BTU/°F)/1 cal/°C= 10.1 BTU/°F 10.1 cal/°C X (0.001163 J/°C)/1 cal/°C = 0.0117 J/°C 10.1 BTU/°F X (1.055*10¹⁰ Erg/°C)/1 BTU/°F= 1.06555*10¹¹ Erg/°C GPO. TEORIA: 1353 11 GPO. LAB.: TD-04 Universidad Nacional Autónoma de México PRACTICA 4 "CALORIMETRIA" TABLA DE RESULTADOS TABLA 4.1B CONCEPTO Qcedido por el agua caliente Qganado por el agua fria Qganado por el agua calorimetro JOULE (J) 1.488 1.4177 0.0702 UNIDADES ERGIO BTU 5.3727*10¹⁰ 5.0927 5.1189*10¹⁰ 4.8521 2.405*10⁹ 0.2405 CAL 1282.8 1222.2 60.6 CONCEPTO Kcalorimetro TABLA 4.1B-BIS UNIDADES J/°C ERGIO/°C BTU/°F 0.0117 1.065*10¹¹ 10.1 CAL/°C 10.1 TABLA 4.2B CONCEPTO SIMBOLO UNIDADES RESULTADOS Trabajo electrico W J 190590.786 Voltage V Volts 129.3 Calor cedido por la resistencia Qcedido por la resistencia Cal 45532.13878 TABLA 4.2B-BIS CONCEPTO SIMBOLO Calor especifico del agua real Ce agua real Calor especifico del agua ideal Ce agua-ideal KJ/Kg°K 0.5905 1.2079 UNIDADES Kcal/Kg°C 0.5905 1.2079 BTU/Lb°F 0.5905 1.2079 GPO. TEORIA: 1353 12 GPO. LAB.: TD-04 Universidad Nacional Autónoma de México PRACTICA 4 "CALORIMETRIA" CUESTIONARIO 4 1.- ¿Porque los calores especificos del agua son diferentes? Porque su densidad cambia. 2.-¿Como se determina la constante de un calorimetro? Mediante la formula de constante calorimetrica 3.- Unbloque de madera y uno de metal estan a la misma temperatura, cuando los bloques se sienten frios, el metal se siente mas frio que la madera, cuando los bloques se sienten calientes, el metal se siente mas caliente que la madera. Dar una expliacion del porque. ¿Aque temperatura se sentiran los bloques igualmente frios o calientes? Se siente mas caliente el metal que la madera porque el metal es un muy buen conductor del calor y la madera es un material aislante. 4.-¿Porque es importante proteger las tuberias de agua para que no se congelen? Porque el agua que corre por las tuberias tambien se congelaria. 5.- Si el calor especifico del agua fuera menor. ¿Que probabilidades extirian de que los lagos se congelasen en invierno? Mucha ya que el agua se congelaria a una temperatura mucho menor. 6.- En los viejos tiempo era comun llevarse objetos calientes a la cama en las noches frias de invierno. ¿Cual de estos objetos seria mas eficaz: Un bloque de hierro de 10kg o una botella con 10 Kg de agua caliente a la misma temperatura?. Explicar El agua caliente ya que si te llevas un blocke de hierro al paso del tiempo el hierro quemaria la superficie donde se coloca, en cambio el agua no, esta solo estaria calentando hasta que llegase al equilibrio termico. 7.-¿Que significa afirmar que un material tiene una capacidad calorifica grande o pequeña? La cantidad de calor necesaria para que una particula o un sistema termodinamico, eleven su temperatura en 1°C. 8.-¿Porque es incorrecto decir, la materia "contiene" calor? GPO. TEORIA: 1353 GPO. LAB.: TD-04 13 Universidad Nacional Autónoma de México PRACTICA 4 "CALORIMETRIA" Porque la materia no contiene calor, solo esta en contacto con el y se transmite mediante los diferentes tipos de conduccion. 9.- ¿A que temperatura alcanza el agua su maxima densidad? 100°C 10.- ¿Que es el equivalente de calor y cual es su equivalencia? El equivalente del calor o caloria es el joule, y su equivalencia es de 1 cal=4.186 J SERIE No. 4 1.- Se introducen 140gr de una aleacion a una temperatura de 93°C en un calorimetro de aluminio de 50gr que contiene 200gr de agua a 20°C. Se agita la mezcla y la temperatira se estabiliza a los 24°C. ¿Cual es el calor especifico de la aleacion?. A que material se refiere Sol. 0.087Cal/g°C 2.- Un trozo de hierro de 316.93gr se pone a calentar en un vaso de presipitado con agua hasta que alcanza una temperatura de 90°C. Se introduce inmediatamente en el recipiente interior del calorimetro de aluminio cuya masa es de 150gr. Que contiene 300gr de agua a 18°C se agita la mezcla y la temperatura aumenta hasta 25°C. ¿Cual es el calor especiico del hierro? Sol.0.113Cal/g°C 3.- En un sistema domestico de calefaccion por agua caliente el agua llega a los radiadores a la temperatura de 60°C y sale a 38°C se desea reemplazar el sistema de calefaccion por otro de vapor en el cual el vapor a la presion atmosferica se condensa en los radiadores, saliendo de estos a 82°C. ¿Cuantos kilogramos de vapor suministraran el mismo calor que suministra un kilogramo de agua caliente en la primera instalacion? Sol. 0.0396 Kg de vapor http://es.wikipedia.org/wiki/Calor_espec%C3%ADfico#Unidad es_de_calor_espec.C3.ADfico GPO. TEORIA: 1353 14 GPO. LAB.: TD-04 Universidad Nacional Autónoma de México PRACTICA 4 "CALORIMETRIA" CONCLUCIONES GPO. TEORIA: 1353 15 GPO. LAB.: TD-04 Universidad Nacional Autónoma de México PRACTICA 4 "CALORIMETRIA" BIBLIOGRAFIA GPO. TEORIA: 1353 16 GPO. LAB.: TD-04