UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA
FACULTAD DE INGENIERA MECNICA
INFORME DE LABORATORIO N5Calor especfico de slidos
ASIGNATURA: FSICA II
SEMESTRE : 2012- I SECCIN: C
DOCENTE : LIC. NGEL PAREDES CARLOS
ALUMNOS : CHIRINOS VASQUEZ, CARLO CESAR 20111048F LLACUA ANCO
ALVARO WILLIAM 20111231E
NDICE
OBJETIVOS 1
FUNDAMENTO TEORICO 2
PROCEDIMIENTO 8
EQUIPO 9
CALCULOS Y RESULTADOS 10
OBSERVACIONES 14
CONCLUSIONES 15
BIBLIOGRAFIA 16
OBJETIVOS1. Determinar la Capacidad Calorfica de un
calormetro
2. Determinar el calor especfico de muestras slidas.
3. Aprender a utilizar materiales de laboratorio necesarias para
este caso.
4. Tener presente los errores posibles debido a la imprecisin en
los materiales a emplear.
FUNDAMENTO TERICOConcepto de temperaturaLa temperatura es la
sensacin fsica que nos produce un cuerpo cuando entramos en
contacto con l.Observamos cambios en los cuerpos cuando cambian su
temperatura, por ejemplo, la dilatacin que experimenta un cuerpo
cuando incrementa su temperatura. Esta propiedad se usa para medir
la temperatura de un sistema. Pensemos en los termmetros que
consisten en un pequeo depsito de mercurio que asciende por un
capilar a medida que se incrementa la temperatura.
Concepto de calorCuando dos cuerpos A y B que tienen diferentes
temperaturas se ponen en contacto trmico, despus de un cierto
tiempo, alcanzan la condicin de equilibrio en la que ambos cuerpos
estn a la misma temperatura. Un fenmeno fsico anlogo son losvasos
comunicantes.Supongamos que la temperatura del cuerpo A es mayor
que la del cuerpo B,TA>TB.Observaremos que la temperatura de B
se eleva hasta que se hace casi igual a la de A. En el proceso
inverso, si el objeto B tiene una temperaturaTB>TA,el bao A
eleva un poco su temperatura hasta que ambas se igualan.
Cuando un sistema de masa grande se pone en contacto con un
sistema de masa pequea que est a diferente temperatura, la
temperatura de equilibrio resultante est prxima a la del sistema
grande.Decimos que una cantidad de calorQse transfiere desde el
sistema de mayor temperatura al sistema de menor temperatura. La
cantidad de calor transferida es proporcional al cambio de
temperaturaT. La constante de proporcionalidadCse denomina
capacidad calorfica del sistema.Q=CTSi los cuerpos A y B son los
dos componentes de un sistema aislado, el cuerpo que est a mayor
temperatura transfiere calor al cuerpo que est a menos temperatura
hasta que ambas se igualanSiTA>TB El cuerpo A cede
calor:QA=CA(T-TA), entoncesQA0ComoQA+QB=0La temperatura de
equilibrio, se obtiene mediante la media ponderada
Calor especficoEl calor especfico es una magnitud fsica que se
define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la
unidad de masa de una sustancia o sistema termodinmico para elevar
su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). En general,
el valor del calor especfico depende de dicha temperatura inicial.1
2 Se la representa con la letra (minscula).
De forma anloga, se define la capacidad calorfica 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 (mayscula).
Por lo tanto, el calor especfico es el cociente entre la
capacidad calorfica y la masa, esto es donde es la masa de la
sustancia.1Joule demostr la equivalencia entre calor y trabajo
1cal=4.186 J. Por razones histricas la unidad de calor no es la
misma que la de trabajo, el calor se suele expresar en caloras.El
calor especfico del agua esc=1 cal/(g C). Hay que suministrar una
calora para que un gramo de agua eleve su temperatura en un grado
centgrado.Factores que afectan el calor especfico Las molculas
tienen una estructura interna porque estn compuestas de tomos que
tienen diferentes formas de moverse en las molculas. La energa
cintica almacenada en estos grados de libertad internos no
contribuye a la temperatura de la sustancia sino a su calor
especfico.
Grados de libertadEl comportamiento termodinmico de las molculas
de los gases monoatmicos, como el helio y de los gases biatmicos,
el hidrgeno es muy diferente. En los gases monoatmicos, la energa
interna corresponde nicamente a movimientos de traslacin. Los
movimientos traslacionales son movimientos de cuerpo completo en un
espacio tridimensional en el que las partculas se mueven e
intercambian energa en colisiones en forma similar a como lo haran
pelotas de goma encerradas en un recipiente que se agitaran con
fuerza. (vea la animacin aqu). Estos movimientos simples en los
ejes dimensionales X, Y, y Z implican que los gases monoatmicos slo
tienen tres grados de libertad traslacionales.Las molculas con
mayor atomicidad, en cambio tienen varios grados de libertad
internos, rotacionales y vibracionales, adicionales ya que son
objetos complejos. SE comportan como una poblacin de tomos que
pueden moverse dentro de una molcula de distintas formas (ver la
animacin a la derecha). La energa interna se almacena en estos
movimientos internos. Por ejemplo, el Nitrgeno, que es una molcula
diatmica, tiene cinco grados de libertad disponibles: los tres
traslacionales ms dos rotacionales de libertad interna. Cabe
destacar que la capacidad calorfica molar a volumen constante de
los gases monoatmicos es , siendo R la Constante Universal de los
gases ideales, mientras que para el Nitrgeno (biatmico) vale , lo
cual muestra claramente la relacin entre los grados de libertad y
el calor especfico.Masa molarUna de las razones por las que el
calor especfico 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
atmicas de la molcula en cuestin. La energa calorfica se almacena
gracias a la existencia de tomos o molculas vibrando. Si una
sustancia tiene una masa molar ms ligera, entonces cada gramo de
ella tiene ms tomos o molculas disponibles para almacenar energa.
Es por esto que el hidrgeno, la sustancia con la menor masa molar,
tiene un calor especfico tan elevado; porque un gramo de esta
sustancia contiene una cantidad tan grande de molculas.Una
consecuencia de este fenmeno es que, cuando se mide el calor
especfico en trminos molares la diferencia entre sustancias se hace
menos pronunciada, y el calor especfico del hidrgeno deja de ser
atpico. En forma correspondiente, las sustancias moleculares (que
tambin absorben calor en sus grados internos de libertad), pueden
almacenar grandes cantidades de energa por mol si se trata de
molculas grandes y complejas, y en consecuencia su calor especfico
medido en trminos msicos es menos notable.Ya que la densidad media
de un elemento qumico est fuertemente relacionada con su masa
molar, existe en trminos generales, una fuerte correlacin inversa
entre la densidad del slido y su cp (calor especfico a presin
constante medido en trminos msicos). Grandes lingotes de slidos de
baja densidad tienden a absorber ms calor que un lingote pequeo de
un slido de la misma masa pero de mayor densidad ya que el primero
por lo general contiene ms tomos. En consecuencia, en trminos
generales, hay una correlacin cercana entre el volumen de un
elemento slido y su capacidad calorfica total. Hay sin embargo,
muchas desviaciones de esta correlacin general.
Enlaces puente de hidrgenoLas molculas que contienen enlaces
polares de hidrgeno tienen la capacidad de almacenar energa
calorfica en stos enlaces, conocidos como puentes de hidrgeno.
ImpurezasEn el caso de las aleaciones, hay ciertas condiciones
en las cuales pequeas impurezas pueden alterar en gran medida el
calor especfico medido. Las aleaciones pueden mostrar una marcada
diferencia en su comportamiento incluso si la impureza en cuestin
es uno de los elementos que forman la aleacin; por ejemplo, las
impurezas en aleaciones semiconductoras ferromagnticas pueden
llevar a mediciones muy diferentes, tal como predijeron por primera
vez White y Hogan.10
Fundamentos fsicosCuando varios cuerpos a diferentes
temperaturas se encuentran en un recinto adiabtico se producen
intercambios calorficos entre ellos alcanzndose la temperatura de
equilibrio al cabo de cierto tiempo. Cuando se ha alcanzado este
equilibrio se debe cumplir que la suma de las cantidades de calor
intercambiadas es cero.Se define calor especficoccomo la cantidad
de calor que hay que proporcionar a un gramo de sustancia para que
eleve su temperatura en un grado centgrado. En el caso particular
del aguacvale 1 cal/(g C) 4186 J(kg K).La unidad de calor especfico
que ms se usa es cal/(g C) sin embargo, debemos de ir
acostumbrndonos a usar el Sistema Internacional de Unidades de
Medida, y expresar el calor especfico en J/(kgK). El factor de
conversin es 4186.
SustanciaCalor especfico (J/kgK)
Acero460
Aluminio880
Cobre390
Estao230
Hierro450
Mercurio138
Oro130
Plata235
Plomo130
Sodio1300
PROCEDIMIENTODeterminacin de la capacidad calorfica (o
equivalente en agua) del calormetro.1. Coloque dentro del
calormetro una cantidad de agua a temperatura menor que la del
ambiente.2. Deje que se establezca el equilibrio y medir la
temperatura de equilibrio 3. Caliente agua en la olla a una
temperatura y colocar una cantidad de esta agua en el calormetro.4.
Mida la nueva temperatura de equilibrio.Determinacin del calor
especfico del slido
1. Se pesa con una balanza una pieza de material slido de calor
especficocdesconocido, resultandomsu masa. Se pone la pieza en agua
casi hirviendo a la temperaturaT.2. Se ponenMgramos de agua en el
calormetro, se agita y despus de poco de tiempo, se mide su
temperaturaT0.3. Se deposita rpidamente la pieza de slido en el
calormetro. Se agita, y despus de un cierto tiempo se alcanza la
temperatura de equilibrioTe.Se apuntan los datos y se obtiene una
frmula:
EQUIPO
1) Calormetro2) Termmetro3) Agua4) Dos slidos de masas
conocidas5) Olla para calentar el agua6) Una balanza7) Un matraz8)
Un mechero a gas
Clculos y Resultados1. Hallar la Capacidad Calorfica del TermoTa
= Temperatura del Termo y el agua inicial en equilibrioTb =
Temperatura del agua calienteTeq = Temperatura en Equilibrio Final
ma = Masa del agua inicial en el termo mb = Masa del agua caliente
= Capacidad calorfica del termo1er Vez = = = 71.111 Caloras/2da
Vez= = = 71.111 Caloras/3ra Vez= = =67.53731 Caloras/
Calculando la incertidumbre de la Capacidad Calorfica = = (). =
. (I) . = . = . = . = (II)La expresin (I) quedara de la forma:(I):
.Entonces el valor de , quedar de la siguiente manera: . + 1era Vez
= = 27.5728 Caloras/
2da Vez = = 19.15226 Caloras/3era Vez = = 17.59 Caloras/
Hallando el promedio = 69.52301786 Caloras/Hallando el promedio
= = 11.72539 Caloras/
2. Hallar el Calor Especifico de dos Solidos (Para el PbSe
tiene: = = = 0.02148725 Caloras/g.
Hallando la incertidumbre del , se llega a la siguiente
expresin:= = 0.1088990216 Caloras/g.
Para el AlSe tiene: = = = 0.30467206 Caloras/g.
Hallando la incertidumbre del , se llega a la siguiente
expresin:= = 0.1214914 Caloras/g.
OBSERVACIONES La masa de agua necesaria es arbitraria.
La temperatura del slido es arbitraria.
El volumen empleado es arbitrario.
El procedimiento para los dos slidos es el mismo.
El error tambin pudo ocasionarse al momento de sacar el slido
del recipiente con agua caliente para ponerlo en el calormetro,
teniendo contacto as con el medio ambiente perdiendo energa en
forma de calor.
CONCLUSIONES Al calcular tres veces el calor especfico de un
slido sale aproximadamente igual, lo cual indica un error debido a
los materiales utilizados. Se debe tomar en cuenta el error en la
temperatura que marca el termmetro, las masas y el volumen. El
porcentaje de error depender del experimento hecho en laboratorio.
Se comprob el principio de conservacin de la energa. Distintas
sustancias tienen diferentes capacidades calorficas El calor es
energa transferida de un cuerpo de mayor temperatura a uno de menor
temperatura. El equilibrio se establece por sustancias en contacto
trmico por la transferencia de energa.
Bibliografa
SERWAY, Raymond A. Fsica, Cuarta Edicin. Editorial McGraw-Hill,
1996. Sears Zemansky. Fsica universitaria. Volumen I. 12ava edicin.
cap. XIII. Pag.419; 438. Editorial Addison-Wesley. Mxico 2009.
Www.wikipedia.com Www.monografas.com Marcelo Alonso, Edward J.
Finn. Addison-Wesley Iberoamericana