FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES, EXACTAS Y DE LA EDUCACIN LABORATORIO DE FSICA DE FLUIDOS

DEPARTAMENTO DE FSICA-UNIVERSIDAD DEL CAUCAFACULTAD DE CIENCIAS NATURALES, EXACTAS Y DE LA EDUCACIN LABORATORIO DE FSICA DE FLUIDOS5

PRCTICA 6

CAPACIDAD CALORFICA O EQUIVALENTE EN AGUA DE UN CALORIMETRO

6.1. OBJETIVOS

Determinar experimentalmente la capacidad calorfica o equivalente en agua de un calormetro y sus accesorios mediante el mtodo de mezclas.

6.2. MATERIALES

Calormetro con tapa y agitador. Termmetro. Probeta graduada de 250 ml Calentador elctrico Embudo de vidrio

MTODO

Se calienta un volumen de agua en el calentador elctrico hasta una temperatura conocida, luego parte de esta se mezcla con el volumen de agua del calormetro; se agita este contenido hasta obtener una temperatura de equilibrio trmico y aplicando la propiedad de que la cantidad de calor cedido es igual a la cantidad de calor ganado se puede encontrar la capacidad calorfica o el equivalente en agua de un calormetro y sus accesorios.

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6.3. FUNDAMENTOS TERICOS

Al mezclar dos cantidades de lquidos a distinta temperatura se genera una transferencia de energa en forma de calor desde el ms caliente al ms fro. Dicho trnsito de energa se mantiene hasta que se igualan las temperaturas, cuando se dice que ha alcanzado el equilibrio trmico.

El calor por lo tanto, es una forma de energa. Si el calor es una forma de energa, entonces sus unidades sern julios (J), ergios o libras-pie, pero usualmente se utiliza una unidad de energa calrica llamada calora (cal).

La capacidad calorfica o equivalente en agua de una sustancia es la razn de la cantidad de calor que hay que suministrarle a la sustancia, al correspondiente incremento de temperatura.

El calor especfico o capacidad calorfica especfica de una sustancia es la razn entre la capacidad calorfica y la masa de dicha sustancia.

La cantidad de calor Q que se transfiere desde el lquido caliente, o la que absorbe el fro, responde a la expresin

(1)

Donde m es la masa del lquido [g], Ce su calor especfico [kJ/kg.C = kJ/kg.K] y T [C o K] la variacin de temperatura que experimentan.

Recordar que T [C] = T [K].

Medida del equivalente en agua de un calormetro

Se busca encontrar el equivalente en agua del calormetro como experiencia previa a la determinacin del calor especfico de distintos materiales, en el trabajo prctico siguiente.

El calormetro de mezclas est compuesto por un recipiente metlico aislado trmicamente del exterior. Su superficie externa tiene un pulido muy brillante (una superficie muy reflectante es muy mala emisora) y est colocado dentro de otro recipiente impermeable al calor (paredes adiabticas). Est provisto de un agitador y un termmetro.

Principio de conservacin de la energa: Cuando dos cuerpos se ponen en contacto en un sistema aislado del exterior (proceso adiabtico), la cantidad de calor que pierde uno es igual a la cantidad de calor que gana el otro.

o tambin

Donde cantidad de calor intercambiada por el elemento i con los otros elementos del calormetro, en kJ.

Principio de las transformaciones inversas: La cantidad de calor que hay que suministrarle a un cuerpo para que aumente su temperatura un cierto T, es igual a la cantidad de calor que debera perder para disminuir la misma temperatura. Es vlida para ambos casos la ecuacin (1).

Si el intercambio de calor se efectuara solamente entre dos masas de agua, tendramos:

(2)

Pero el calormetro, el termmetro, el agitador, etc., absorben calor. Para simplificar la operacin de hallar las masas y los calores especficos (a veces desconocidos) de cada elemento, se calcula el Equivalente en Agua del Calormetro, que no es otra cosa que una masa de agua hipottica que intercambiar la misma cantidad de calor que dichos elementos.

Para ello se vierte en el calormetro una masa de agua, se deja estabilizar y luego se mide la temperatura . Se calienta (en otro recipiente) una masa de agua y se le mide su temperatura . A continuacin se vierte rpidamente esta masa de agua caliente en el calormetro, tapando ste inmediatamente.

Finalmente, se lee la temperatura de equilibrio Tf. Luego:

E.Cagua

El equivalente en agua del calormetro es:

(3)

NOTAS:

Para la mayora de los casos prcticos puede tomarse el calor especfico del agua como igual a 1 cal/g C. Para la presente prctica utilice el hecho de que un milmetro de agua tiene una masa de un gramo. El campo de la fsica relacionado con la medida de propiedades trmicas se denomina calorimetra y constituye una de las ramas ms difciles de las ciencias experimentales.

MONTAJE EXPERIMENTAL

Figura 6.1. Esquema del Calormetro y accesorios.

6.4. PRCTICA DEL LABORATORIO

6.4.1. CONSIDERACIONES ANTES DE COMENZAR

Cada equipo debe seguir las siguientes recomendaciones para asegurar el buen desempeo en la actividad prctica. Lea completa y detenidamente esta gua antes de llevar a cabo cualquier medida Realice la experiencia cuidando que las influencias externas (Viento, vibraciones, polvo, orden del equipo) no interfiera en la mesa con el equilibrio del sistema de fuerzas. Atienda las recomendaciones del profesor.

6.4.2. EXPERIMENTO A REALIZAR

1. Vierta en el calentador elctrico 250 ml de agua.1. Mida en la probeta 250 ml de agua exactamente y vierta en el calormetro, lleve este valor a la tabla de datos.1. Introduzca en el calormetro el agitador y tpelo.1. Coloque el termmetro en la parte superior de la tapa del calormetro y observe que el bulbo del termmetro est completamente sumergido en el agua., pasado unos minutos, iniciar la lectura de la temperatura cada 10 segundos hasta que se estabilice en T1. Lea y anote la temperatura T1 del calormetro y el agua, lleve ese dato a la tabla. Otro instrumento que puede utilizarse para medir la temperatura es una termocupla.1. Conecte el calentador elctrico a la red de 110 V.1. Introduzca el termmetro (o termocupla) en el agua que contiene el calentador elctrico, agite continuamente hasta que el termmetro marque 60 C y desconecte el calentador elctrico.1. Una vez marque 60 C exactamente, vierta el agua del calentador en el calormetro, (ejecute este proceso rpidamente teniendo cuidado) y anote la temperatura del agua en el calentador, T2 en la tabla (60 C). Continuamente agitar el agua.1. Guarde los termmetros en un lugar seguro.1. Vierta el agua del calormetro en la probeta vaca y seca, ayudndose si es necesario del embudo.1. Descontando el volumen total de agua que hay en el calormetro los 250 ml iniciales que se adicionaron a este, se tendr el volumen del agua que se aadi con el calentador elctrico. Lleve este dato de m2 a la tabla.1. Utilizando la propiedad de que la cantidad de calor cedido por el calentador es igual a la cantidad de calor ganada por el calormetro y sus accesorios, calcule la cantidad de calor cedido, ganado y la capacidad calorfica del calormetro. Apyese de la teora de esta gua.

APENDICE 6. TABLAS DE DATOS

Tabla 6-1. Gua para la consignacin de resultados de la prctica

m1 (g):

m2 (g):

T1 (C)

T2 (C)

Tf (C)

c agua (cal/ g C)

Qc (cal)

Qg (cal)

6.5. ANLISIS, CLCULOS Y PREGUNTAS

a) A partir de los datos tabulados y utilizando las ecuaciones correspondientes, calcule la capacidad calorfica o equivalente en agua del calormetro.

b) Contraste los valores obtenidos con los valores estndar de capacidad calorfica. Existen diferencias? Cul es el motivo? Cul es el error relativo?

c) Una muestra de 50 g de una sustancia a la temperatura de 100 C se deja caer dentro de un calormetro que contiene 200 g de agua a la temperatura inicial de 20 C. El calormetro es de cobre y su masa de 100 g. La temperatura final del calormetro es 22 C. Calcule el calor especfico de la muestra.

d) Un calormetro de cobre cuya masa es de 200 g contiene 500 g de agua a la temperatura de 15 C, se deja caer dentro del mismo un bloque de cobre de 560 g, a la temperatura de 100 C y se observa que la temperatura sube hasta 22.5 C. Despreciando las prdidas por radiacin, halle el calor especfico del cobre.

6.6. BIBLIOGRAFA

Fsica, Searz Zemansky. Editorial Aguilar, Segunda reimpresin, 1970. Fsica I, Resnick y Halliday. Compaa Editorial Continental, S. A. Sptima impresin en Espaol, 1965. Tomas, A. Moore, Fsica Seis Ideas Fundamentales. MCGRAW HILL. Serway, Raymond A. y jewett, Fsica I, tomo I Editorial Thomson. University Laboratory Experiments Physics. Volumen 1. Edicin 94/95.