Laboratorio de Termodinámica

Práctica 6: Capacidad térmica

05/abril/2016

Objetivo: Que el alumno comprenda los conceptos de capacidad térmica y capacidad térmica específica y las unidades en las cuales pueden ser expresados. Que identifique la influencia de estas propiedades en diferentes fenómenos cotidianos.

Introducción:

El calor es la transferencia de energía entre dos cuerpos o sistemas termodinámicos que están a temperaturas diferente; para poder hablar de calor es necesario haber un Δ de temperatura aplicado a una masa, el cual va a depender de la capacidad térmica especifica del material que estemos hablando.

Q=mC esp ΔT

Siendo m, la masa de la sustancia que cede o gana calor.

Siendo el ΔT la diferencia de temperatura final menos la inicial, dependiendo de si la sustancia gano o cedió calor.

Siendo Cesp, la capacidad térmica específica (también llamada calor especifico) una propiedad intensiva y un valor fijo para cada sustancia, el cual depende de la cantidad de calor que puede absorber una sustancia: cuanto mayor sea la capacidad térmica específica, mayor cantidad de calor podrá absorber esa sustancia sin calentarse significativamente. La capacidad térmica específica se puede definir como la capacidad térmica de cualquier sustancia sobre la masa de dicha sustancia.

C esp=Cm

Siendo m, la masa de la sustancia que haya cedido o ganado calor.

Siendo C, la capacidad térmica se puede definir como la cantidad de calor requerida para elevar en 1ºC la temperatura de una determinada cantidad de sustancia. Cuanto mayor sea la capacidad calorífica de una sustancia, mayor será la cantidad de calor entregada a ella para subir su temperatura, se considera una propiedad extensiva y depende de la cantidad de energía en forma de calor que se necesita para un Δ de temperatura.

C= ΔQΔT

Siendo ΔQ la diferencia de energía de la sustancia que cedió o gano calor.

Siendo el ΔT la diferencia de temperatura final menos la inicial, dependiendo de si la sustancia gano o cedió calor.

Es importante mencionar a la calometria como la medida de la cantidad de calor involucrada en una transformación. En las transformaciones sin cambio de fase ni composición, se usa la medición del calor para evaluar la capacidad calorífica o calor específico; en las transformaciones con cambio de fase, pero no de composición se usa para evaluar el calor latente; en las transformaciones con reacción química se usa para evaluar el calor de reacción.

Recordando que todo lo que cede energía tiene signo negativo (-), y que todo lo que gana energía tiene signo positivo hay un principio de conservación el cual establece que

Qcedido + Qabsorbido = 0

Material, equipo y reactivos empleados

5 cilindros de latón.

1 termómetro de mercurio.

1 termómetro digital.

1 cronometro.

1 probeta de 100 Ml.

1 vaso de precipitado de 600 Ml.

1 resistencia eléctrica.

1 hilo de nylon.

1 vaso de unicel de 200 mL

Baños a temperatura constante

Rombo de seguridad de los reactivos empleados

Introduce los cilindros en un baño a 40 °C por 3 min. Mantén el termómetro en

el H2O durante ese tiempo

Transcurridos 3 min con cronometró, el H2O y el metal deben estar en equilibrio térmico.

DIAGRAMA DE FLUJO

PRIMERA PARTE

Registra la temperatura (este valor corresponderá a la temperatura inicial del metal).

Agita suavemente durante tres minutos. Registra la temperatura final del metal y del H2O.

Transfiere rápidamente los cilindros al vaso de unicel que contiene el H2O a TA.

Repite el experimento introduciendo los mismos cilindros de metal a:

60 °C

80 °C

T Eb (92°C)

Amarra un hilo a uno de los cilindros metálicos para poderlo manipular.

Para cada caso determina la masa de los cilindros.

DIAGRAMA DE FLUJO

SEGUNDA PARTE

Tablas de datos experimentales

Determinación de la capacidad térmica (DATOS)Exp Ti(°C) agua Ti(°C) metal Teq (°C)

1 24.0 41 24.52 24.1 61 25.4

Coloca 150 g de H2O a T ambiente en un vaso de unicel y registra su valor.

Amarra un hilo a uno de los cilindros metálicos para poderlo manipular.

Registra la temperatura inicial del metal.

Introduce durante 3 min el cilindro en un baño de

Temperatura constante a 70 °C

Transfiere rápidamente el cilindro metálico al recipiente que contiene

H2O a Temperatura ambiente.

El cilindro debe quedar totalmente cubierto de H2O. Registra la Tfinal después de transcurridos

3min.

Repite el mismo procedimiento con dos, tres, cuatro y cinco cilindros de metal.

3 24.2 82 26.24 24.1 92 26.5

Determinación de la capacidad térmica específicaExp m metal (g) Ti(°C) metal Ti(°C) agua Teq (°C)

1 8.9 70 24.1 24.82 17.6 70 24.9 25.53 26.5 70 25.5 26.44 37.4 70 26.4 27.95 48.9 70 28.7 30.3

RESULTADOSTabla 1 determinación de la capacidad térmica

Exp Ti(°C) agua Ti(°C) metal Teq (°C) ΔT agua (°C) ΔT metal (°C) Q agua (cal) Q metal (cal)1 24.0 41 24.5 0.5 -16.5 75 -752 24.1 61 25.4 1.3 -35.6 195 -1953 24.2 82 26.2 2 -55.8 300 -3004 24.1 92 26.5 2.4 -65.5 360 -360

Algoritmo de cálculos para Tabla 1

∆T agua=Teq−Tiagua

∆T agua=24.5 °C−24.0 °C

∆T agua=0.5° C

∆T latón=Teq−Ti laton

∆T latón=24.5 °C−41.0° C

∆T latón=−16.5°C

Qagua=maguacagua∆T agua

donde cagua=1 calg ° C

y ρagua=1 gml

Qagua=(150 g )(1 calg ° C ) (0.5 °C )

Qagua=75 calg

Qganado=−Qcedido

Qagua=−Qlatón

∴Qlatón=−Qagua

Qlatón=−75 calg

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

f(x) = 5.73667645677515 x + 16.1849244012029R² = 0.998382990372097

Capacidad térmica del latón

ΔT (°C)

Q (c

al)

Qlatón=Clatón∆T latón

Y=mX+b

Donde Y =Qlatón; m=C latón; X=∆T latón; b=0

De acuerdo a la regresión lineal el valor de la pendiente es de:

m = C = 5.737 cal/°C

Tabla 2 determinación de la capacidad térmica específica

Expm metal (g)

Ti(°C) metal

Ti(°C) agua

Teq (°C)

ΔT agua (°C)

ΔT metal (°C)

Q agua (cal)

Q metal (cal)

C metal (cal/°C)

1 8.9 70 24.1 24.8 0.7 -45.2 105 -105 2.3232 17.6 70 24.9 25.5 0.6 -44.5 90 -90 2.0223 26.5 70 25.5 26.4 0.9 -43.6 135 -135 3.0964 37.4 70 26.4 27.9 1.5 -42.1 225 -225 5.3445 48.9 70 28.7 30.3 1.6 -39.7 240 -240 6.045

Algoritmo de cálculos para Tabla 2

∆T agua=Teq−Tiagua

∆T agua=24.8 °C−24.1°C

∆T agua=0.7° C

∆T latón=Teq−Ti laton

∆T latón=24.8 °C−70.0 °C

∆T latón=−45.2 ° C

Qagua=maguacagua ∆T agua

donde cagua=1 calg ° C

y ρagua=1 gml

Qagua=(150 g )(1 calg° C ) (0.7 ° C )

Qagua=105 calg

Qganado=−Qcedido

Qagua=−Qlatón

∴Qlatón=−Qagua

Qlatón=−105 cal

C latón=Qlatón∆T latón

C latón=−105 cal

g−45.2° C

C latón=2.32cal /°C

5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.00

1

2

3

4

5

6

7

f(x) = 0.109197026790392 x + 0.722774296804912R² = 0.898766335662951

Capacidad térmica específica del latón

m (g)

C (c

al/°

C)

C latón=c latónmlatón

Y=mX+b

Donde Y =C latón; m=c latón; X=mlatón; b=0

De acuerdo a la regresión lineal el valor de la pendiente es de:

m = c = 0.1092 cal/g°C

Análisis de resultados

De acuerdo al resultado de la capacidad térmica específica que se obtuvo a través de la regresión lineal podemos calcular un porcentaje de error:

%Error=|Valor teórico−Valor experimentalValor teórico |X 100

%Error=|0.094 cal /g°C−0.1092 cal /g°C0.094 cal / g°C |X 100

%Error=13.92 %

Se puede apreciar que estamos por encima del valor teórico en un 13.92% el cual lo podemos atribuir a los errores experimentales, que son los siguientes:

Los cilindros no se introdujeron de manera inmediata del baño de temperatura constante al vaso de unicel.

Que no se haya homogeneizado de manera correcta. Que no se haya tapado de manera correcta el vaso de unicel. Al momento de sacar los cilindros se tubo una perdida (no muy considerable) de agua, lo

cual afecta cuando se llega al equilibrio térmico.

De forma general encontramos que este método es una buena forma de encontrar la capacidad térmica específica de un material (latón) lo cual es un valor que lo identifica

Aplicación de lenguaje termodinámico

Objeto: CILINDROS DE LATON

Sistema: los cilindros de latón sumergidos en agua dentro un vaso de unicel tapado

Alrededores:

Vaso de unicel Agua

Paredes: 2

Real: Agua

Fases

Cilindros de latón

Componentes de cada fase:

Latón cobre y zinc

Interfaces:

Agua – Latón

Clasificar al sistema por:

Interacción con el ambiente: cerrado, ya que existe intercambio de materia y de energía.

Número de fases: Homogeneo, pues cuenta con 1 fases.

Clasificar las paredes por:

Pared 1: pared real (agua)

Interacción mecánica sistema-alrededores: Rígida, pues al aplicarle una fuerza no hay un cambio en el volumen del sistema.

Interacción térmica sistema-alrededores: Diatérmica, permite el paso de calor a través de ella.

Por el paso de materia a través de ella: Impermeable, no permite el paso de materia a través de ella.

Conclusiones

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, 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 del movimiento de las moléculas y este es el responsable del aumento en la temperatura.

BIBLIOGRAFÍA.

Chang R., Fisicoquímica, México 2008, tercera edición, Editorial. Mc Graw-Hill, paginas consultadas: 80 y 81.

Ira N. Levine, Fisicoquímica, España 2004, quinta edición, Editorial. Mc Graw-Hill, paginas consultada(s): 53.

PAGINAS CONSULTADAS:

Fecha de consulta: 03/04/2016

http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/Curso%20Mabe%20Termo/Introducci%C3%B3n%20a%20la%20Termodinamica.pdf

http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/131-calor-especifico-y-capacidad-calorifica.html