PROYECTO LABORATORIO DE FISICA II EQUIPO AZUL
ESCUELA SUPERIOR DE FSICA Y MATEMTICASDEPTO. DE FSICAACADEMIA DE
FSICA EXPERIMENTAL
LABORATORIO DE FSICA II
PROPUESTA DE PROYECTO:
CONSERVACION DE LA ENERGIA Y CALORIMETRIA
PROFESORA: DRA. ELVIA DAZ VALDS
ALUMNOS:ERICK MIGUEL DIAZ LOPEZJAVIER ALEXIS HERNNDEZ
PIAFRANCISCO FIDEL MANZO CARBALLOHECTOR ALEJANDRO MIGUELES
BAUTISTA
GRUPO: 2FM1 SECCIN B
EQUIPO AZUL
FECHA DE ENTREGA: 24/FEBRERO/ 2015
NDICE
Fundamento terico
La primera ley de la termodinmica..3
Capacidad calorfica y calor especfico4
Aplicaciones de la primera ley de la termodinmica.....6
Procesos adiabticos..6
Procesos isotrmicos..5
Procesos a volumen constante6
Calormetro..6
Experimento 1 (Conservacin de la energa y calorimetra)
Objetivo general...7
Material y equipo.7
Desarrollo experimental..8
Datos..8
Clculos9
Experimento 2 (Conservacin de la energa y calorimetra)
Objetivo general.11
Material y equipo...........11
Desarrollo experimental11
Datos12
Clculos..13
Anlisis de resultados.14
Interpretacin de resultados...14
Conclusiones15
FUNDAMENTO TERICO
LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICANos concentramos en un grupo
especfico de partculas u objetos que definimos como nuestro
sistema. Trazamos una frontera imaginaria que lo separa de su
ambiente y luego explicamos rigurosamente todas las interacciones
entre l y su entorno. Algunas veces, como en el caso de la
conservacin del momento, describimos estas interacciones partiendo
de las fuerzas. Otras veces es conveniente hacerlo en funcin de la
transferencia de calor.
En un sistema termodinmico, donde la energa interna es el nico
tipo de ella que puede tener, la ley de conservacin de la energa
puede expresarse as:
Es la formulacin de la primera ley de la termodinmica.
Es la energa transferida (como calor) entre el sistema y su
ambiente, debido a una diferencia de temperatura entre ellos. Una
transferencia que se efecte enteramente dentro de la frontera del
sistema no queda incluida en
Es el trabajo hecho en el sistema o por l mediante fuerzas que
actan en su frontera. No se incluye el que realizan fuerzas que
operan enteramente dentro de su frontera.
Es el cambio de energa interna que ocurre cuando se transfiere
energa hacia el sistema o se extrae de l en forma de calor o de
trabajo
Por convencin hemos decidido que sea positivo cuando se
transfiera calor hacia el interior del sistema y que tambin lo sea
cuando se efecta trabajo en l. Con tales convenciones, los valores
positivos de y sirven para incrementar la energa interna del
sistema*
*Algunos autores definen como positivo el trabajo hecho por el
sistema y entonces la primera ley se escribira
Casi siempre los valores de y sern distintos segn el proceso que
se escoja. Pero el experimento demuestra lo siguiente: aunque
difieran individualmente, su suma es la misma en todos los procesos
que conectan en un estado inicial al estado final. sta es la base
experimental para considerar la energa interna como una verdadera
funcin de estado, es decir, una propiedad tan intrnseca del sistema
como la presin, la temperatura y el volumen.
La primera ley de la termodinmica en trminos formales:En todo
proceso termodinmico entre los estados i(inicial) y f(final), la
magnitud tiene el mismo valor para cualquier trayectoria en i y f.
Esta cantidad es igual al cambio de valor de una funcin de estado
llamada energa interna
CAPACIDAD CALORFICA Y CALOR ESPECFICOPodemos cambiar el estado
de un cuerpo transfiriendo energa hacia l o desde l en forma de
calor o realizando trabajo en el cuerpo. El cambio de temperatura ,
correspondiente a la transferencia de cierta cantidad de energa
calorfica , depender de las circunstancias en que se lleva a cabo
la transferencia.
Es til definir la capacidad calorfica como la razn de la
cantidad de energa calorfica transferida al cuerpo en un proceso
cualquiera a su cambio de temperatura correspondiente , esto
es:
El trmino capacidad lo que en realidad indica es simplemente la
energa por grado de cambio de temperatura del cuerpo. La capacidad
calorfica por unidad de masa de un cuerpo, denominada capacidad de
calor especfico, o simplemente calor especfico, caracteriza al
material de que se compone:
La capacidad calorfica caracteriza a un cuerpo en particular, en
tanto que el calor especfico caracteriza a una sustancia. Por una
parte, hablamos de la capacidad del recipiente de cobre y, por
otra, del calor especfico del cobre
Ni una ni otra propiedad son constantes; ambas dependen de la
temperatura.
La tabla 23-2 contiene los valores de las capacidades de calor
especfico de varias sustancias comunes, medidas en condiciones en
presin constante
APLICACIONES DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA
PROCESOS ADIABTICOSEn un proceso adiabtico el sistema est tan
bien aislado que no entra ni sale calor, y entonces . En este caso
la primera ley se expresa as:
PROCESOS ISOTRMICOSEn un proceso isotrmico, la temperatura
permanece constante. Si el sistema es un gas ideal, la energa
interna tambin deber permanecer constante. Con , la primera ley de
la termodinmica nos da:
PROCESOS A VOLUMEN CONSTANTE.Si el volumen de un gas permanece
constante, no se podra hacer trabajo alguno. En consecuencia, W=0,
y la primera ley de la termodinmica nos da:
CALORMETRODEFINICINEl calormetro es un instrumento que sirve
para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por
los cuerpos.Funcionamiento bsicoSirve para determinar el calor
especfico de un cuerpo, as como para medir las cantidades de calor
que liberan o absorben los cuerpos. El tipo de calormetro de uso ms
extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con
agua, un dispositivo para agitar y un termmetro. Se coloca una
fuente de calor en el calormetro, se agita el agua hasta lograr el
equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el
termmetro.
Muchos calormetros utilizan el principio de carga dual, en el
cual una absorbe mientras que la segunda acta como temperatura de
referencia: mientras ms aumenta el calor, lo mismo pasa con la
temperatura.El sensor de temperatura registra la diferencia entre
las temperaturas de las dos cargas.
Cuando dos sistemas a diferentes temperaturas se ponen en
contacto se transfiere energa en forma de calor del sistema ms
caliente al ms fro. La unidad estndar para medir la transferencia
de calor es la calora, que se define en su forma ms general como el
aumento de energa requerido para aumentar la temperatura de un
gramo de agua en un grado Celsius. De la definicin de calora se ve
que el calor especfico del agua es 1 .
Objetivo GeneralEstudiar la transferencia de energa en forma de
calor.Experimento 12.1 CONSERVACION DE LA ENERGIA Y
CALORIMETRIAObjetivos: En este experimento proponemos mezclar agua
caliente y fra y determinar si la energa se conserva durante el
proceso.2.1.9 Material y equipo Calormetro Agua 2 Termmetros
Hornilla (para calentar el agua) 2 Nueces, y 2 soportes
1.1.2 Procedimiento experimental. Determine la masa de un
calormetro vaco, Llnelo con agua fra hasta aproximadamente un
tercio de su capacidad y determine la masa del calormetro con agua,
Haga lo mismo con otro calormetro y agua caliente (aproximadamente
20C por encima de la temperatura ambiente) mida y , las
temperaturas correspondientes. Inmediatamente despus aada el agua
caliente al agua fra y revuelva con el termmetro hasta que se
estabilice la temperatura. Anote la temperatura de la mezcla,
Usando las siguientes ecuaciones calcule , el calor intercambiado
por el agua caliente y fra respectivamente
De sus datos experimentales, concluye que se conserva la
energa?
DatosDatos de Mediciones
DirectasDefinicinIdentificacinIncertidumbre
Masa del calormetro con cinta
Masa del calormetro sin cinta
Datos de Mediciones VariablesPrimera
medicin:DefinicinIdentificacinIncertidumbre
Masa del calormetro con cinta y agua caliente
Masa del calormetro sin cinta y agua fra
Temperatura del agua caliente
Temperatura del agua fra
Temperatura final de la mezcla
Clculos: Calculo de la masa del agua caliente
Calculo de la masa del agua fra
Calculo del calor del agua al calentarse
Calculo del calor del agua caliente al mezclar las 2
muestras
Calculo del calor del agua fra al mezclar las 2 muestras
Segunda medicin:DefinicinIdentificacinIncertidumbre
Masa del calormetro con cinta y agua caliente
Masa del calormetro sin cinta y agua fra
Temperatura del agua caliente
Temperatura del agua fra
Temperatura final de la mezcla
Clculos: Calculo de la masa del agua caliente
Calculo de la masa del agua fra
Calculo del calor del agua al calentarse
Calculo del calor del agua caliente al mezclar las 2
muestras
Calculo del calor del agua fra al mezclar las 2 muestras
Primera medicin:DefinicinIdentificacinIncertidumbre
Masa del calormetro con cinta y agua caliente
Masa del calormetro sin cinta y agua fra
Temperatura del agua caliente
Temperatura del agua fra
Temperatura final de la mezcla
Clculos: Calculo de la masa del agua caliente
Calculo de la masa del agua fra
Calculo del calor del agua al calentarse
Calculo del calor del agua caliente al mezclar las 2
muestras
Calculo del calor del agua fra al mezclar las 2 muestras
Experimento 22.1 CONSERVACION DE LA ENERGIA Y
CALORIMETRIAObjetivos: En este experimento se medirn los calores
especficos de algunos materiales (Metal, acrlico, polmero)2.1.1
Material y equipo Calormetro Agua Distintos materiales (cobre,
vidrio y un acrlico.) 2 Termmetros Hornilla (para calentar el agua)
2 Nueces, y 2 soportes Pinzas(para poder material el metal
caliente)2.1.2 Procedimiento experimental. Mida , que es la masa
del calormetro (cuando este est seco y vaco), Se miden tambin para
cada una de las muestras a usar. Coloque la muestra en cuestin en
un bao trmico (agua hirviendo) hasta que est en equilibrio trmico a
la temperatura . Llene otro calormetro hasta la mitad con agua fra
y mida su temperatura . Inmediatamente despus saque la muestra del
agua hirviendo, squela y suspndala en el agua fra (si es posible,
sin que toque el fondo del calormetro). Mida la temperatura ms alta
alcanzada. Demuestre que si se conserva la energa, se cumple lo
siguiente:
Dnde: = Calor especifico de la muestra = Calor especifico del
agua
2.1.3 Tablas de datosTabla de
constantesDEFINICINIDENTIFICACININCERTIDUMBRE
Masa del Calormetro con cinta
Masa del Calormetro sin cinta
Masa de la Pieza de Vidrio
Masa de la pieza de Cobre
Masa de la Pieza de Acrlico
Tabla de Datos Variables.DEFINICINIDENTIFICACININCERTIDUMBRE
Masa del calormetro con agua(V) (sin cinta)
Temperatura Ambiente del Agua(V)
Temperatura del Vidrio en Bao Trmico(v)
Temperatura final del Vidrio
Masa del calormetro con agua(Cu) (Con cinta)
Temperatura Ambiente del Agua(Cu)
Temperatura del Cobre en Bao Trmico(Cu)
Temperatura final del Cobre
Masa del calormetro con agua(Ac) (sin cinta)
Temperatura Ambiente del Agua(Ac)
Temperatura del Acrlico en Bao Trmico(Ac)
Temperatura final del Acrlico
2.1.4 Observaciones del experimento.Al introducir las pinzas
bajaba la temperatura e incluso en agua dejaba de hervir, esto
debido a que el metal estaba muy frio2.1.5 ClculosAplicando la
siguiente formula comprobamos que se cumpla la conservacin de la
energa
Despejando
Donde NOTA: se realizaron estos clculos para todos los datos
Incertidumbre de los datos obtenidos:
Haciendo estos clculos para cada uno de los datos obtenidos
resulta:
2.1.6 Tabla de resultadosCalores especficos experimentales
:
2.1.8 Anlisis y discusin de resultados. En este punto deben
analizar sus grficas y sus resultados. Discutir el comportamiento
de la grfica en relacin al experimento. Justificar sus resultados.
Interpretacin de resultados. Es darle significado fsico a los
nmeros que obtienen como resultados. Esto se realiza despus de
analizar y discutir sus resultados. Aqu es importante enfatizar que
si obtienen un nmero como resultado entonces reportan la
interpretacin del mismo, pero si hay 20 nmeros como resultados
entonces deben reportar la interpretacin de cada uno de esos 20
resultados. No se permite que formen bloques de resultados y que
interpreten esos bloques.Interpretaciones por cada persona del
equipo:INTERPRETACIONES EXPERIMENTO 1Interpretacin (Fidel): Dado
que obtuvimos el mismo valor de calor en el agua, deducimos que la
energa interna de la misma se conservaInterpretacin (Alejandro): la
energa se conserva, si conseguimos que la masa se mantenga
constante el valor del calor tambin lo har.Interpretacin (Javier):
Pude observar a travs de este experimento como es que funcionaba la
primera ley de la termodinmica y se cumpla de manera satisfactoria,
esto basndome en que a la hora de realizar los clculos la energa se
conservaba, esto con consideraciones mnimas.Interpretacin (Erick):
Ya que el valor obtenido de calor de la mezcla de agua fra en
comparacin de la mezcla de agua caliente con el agua que se calent
es casi el mismo, se puede concluir que la energa interna se
conserva, dando razn a la baja diferencia entre las energas
internas, debido a la perdida de agua (vapor) y al trabajo no
considerado. INTERPRETACIONES EXPERIMENTO 2Interpretacin (Fidel):
Del hecho de que la energa interna se conserva, podemos obtener el
calor especfico de distintos materiales al realizar este
experimentoInterpretacin (Alejandro): La capacidad calorfica es una
magnitud fsica que indica la capacidad de un material para
almacenar energa interna en forma de calor. De manera formal es la
energa necesaria para incrementar en una unidad de temperatura una
cantidad de sustancia. Matemticamente el calor especfico es la razn
entre la capacidad calorfica de un objeto y su masa.Interpretacin
(Javier): Dado que el calor especfico caracteriza al material del
que se compone, observ como es que, en efecto, ste calor especifico
tiene una dependencia por parte de la masa y de una manera
relativamente sencilla pudimos calcularlo, aunque al principio
siento que tuvimos un poco de problema para comprenderlo, aunque
pudimos superarlo.Interpretacion (Erick): Al considerar que la
energa interna se conserva, y no considerar ningn trabajo, se logro
obtener el calor especfico de ciertos
materiales.CONCLUSIONES:Conclusiones (Fidel): Notamos que de los
distintos materiales, los metales son los que ms fcilmente absorben
y disipan calor, o bien, que su calor especifico es
menor.Conclusiones (Alejandro): la energa se conserva y respecto al
clculo de los calores especficos, los acrlicos tienen una mayor
capacidad calorfica respecto al vidrio y el cobre, dicho de otra
forma, pueden guardar ms energa interna, al ser un material hecho
por el hombre se mejoran ciertas caractersticas.Conclusiones
(Javier): LA primera ley de la termodinmica se cumple con base en
el experimento 1, por otra parte, los calores especficos
caracterizan a una sustancia, esto a partir de su masa, comprobado
por el experimento 2. Conclusiones (Erick): La conservacin de la
energa interna es un resultado muy til, y ms aun muy poderoso, ya
que gracias a ello, no solo se puede explicar distintos resultados,
sino, que se pueden realizar clculos y comprobaciones de manera
simple. Es asombrosa la gran cantidad de resultados que se pueden
obtener con dicha facilidad gracias a este resultado, empero, que
sucedera si no fuera as, la conservacin de la energa, va mas all de
simples usos que mejoren o faciliten los resultados, e
investigaciones. Qu sucedera si la energa no se conservara?Ahora,
del experimento, tambin se puede encontrar la razn de porque la
utilizacin de metales en muchos aparatos elctricos, esto se debe a
que, los metales absorben y disipan el calor con mayor facilidad
que otros materiales.BIBLIOGRAFA:1. Fsica para estudiantes de
ciencias e ingeniera, D. Halliday, R. Resnick y J. Walker, 4ta. ed.
[Trad. de Fundamentals of Physics, John Wiley & Sons, Inc., New
York (1993)]. Pgs.: (521,522,523,524,533,534 )2.
http://www.equiposylaboratorio.com/sitio/contenidos_mo.php?it=3058