práctico nº7

Laboratorio FIS – 102

Práctica Nº 7

Calorimetría

Fundamentos

Introducción

Cuando se juntan dos sistemas cuyas temperaturas son diferentes, la temperatura final que ambos alcanzan tiene un valor comprendido entre las temperaturas iniciales.

Fue Joule quién demostró experimentalmente que cuando una cantidad dad de energía mecánica se transformaba en calor, se obtenía siempre la misma cantidad de éste. Así quedó definitivamente establecida la equivalencia del calor y el trabajo como dos formas de energía.

El calor es una forma de energía. El término calor se refiere a un mecanismo de transferencia de energía de un cuerpo a otro por choques moleculares debido a una diferencia de temperaturas entre dichos cuerpos o sustancias. Del cuerpo que gana energía por este mecanismo de choques moleculares se dice que absorbe calor y del que pierde energía decimos que desprende calor. El calor se considera positivo cuando es absorbido por el cuerpo y negativo cuando es desprendido.

El calor absorbido o desprendido por un cuerpo es proporcional a su variación de temperatura

. El calor absorbido o desprendido de un cuerpo para producir un cambio de

temperatura es proporcional a su masa (o número de moléculas).

Hay tres unidades que se usan como medida de la cantidad de calor:

1 caloría.- (cal) Es la cantidad de calor que se necesita para elevar la temperatura de 1Kg de 14.5ºC a 15.5ºC (1cal=4.184J).

1 Kilocaloría (Kcal.)=100 cal. Es la cantidad de calor que se necesita para elevar la temperatura de 1Kg de 14.5ºC a 15.5ºC.

1 unidad térmica británica (BTU). Es la cantidad de calor que se necesita para elevar la temperatura de una libra de agua de 63ºF a 64ºF.

1 BTU = 252cal = 0.252 Kcal.

Se especifican las temperaturas de referencia por que hay una ligera variación en la cantidad de calor que se necesita para una elevación de temperatura de un grado según el intervalo de temperatura que se escoja.

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Capacidad Calorífica

Supongamos que se suministra a un cuerpo una cierta cantidad de calor Q que origina una elevación de temperatura . A esta relación de cantidad de calor suministrada y el incremento de temperatura, se denomina Capacidad calorífica.

La capacidad calorífica (o equivalente en agua) de una cuerpo o sistema, es la cantidad de calor (Q) necesaria para elevar la temperatura del cuerpo o sistema en un grado.

Donde:C = capacidad calorífica (Kcal/ºC)Q = cantidad de calor (Kcal.)

= variación de temperatura (ºC)

Sus unidades son: (Kcal/ºC ; cal/ºC ; BTU/ºK)

Calor específico

El calor específico (o capacidad calorífica) de una sustancia es numérica igual al número de calorías necesarias para elevar la temperatura de 1g de dicha sustancia en 1ºC.

Donde:Cp=calor específico (Kcal/KgºC ; cal/ºgC)Q = cantidad de calor (Kcal ; cal)m = masa de la sustancia (Kg ; g)

= variación de temperatura (ºC)

El calor específico, es una propiedad característica de cada sustancia y varía ligeramente con la temperatura. La mayor parte de las sustancias tienen valores de Cp que son menores que el del agua.

Las unidades de la capacidad calorífica específica son: (cal/gºC ; kcal/ºkgC ; BTU/LbºF).

Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro

La capacidad se determina experimentalmente, introduciendo agua caliente el agua fría contenida en un calorímetro consiste en un vaso Dejar conveniente aislado. El vaso se cierra con una tapa hecha de material aislante, con dos orificios por los que salen un termómetro y el agitador.

Supongamos que el calorímetro está a la temperatura inicial T0, y sea: mv es la masa del vaso del calorímetro y su calor específico.

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mt la masa de la parte sumergida del termómetro y su ct su calor específico ma la masa de la parte sumergida del agitador y su Ca su calor específico m la masa de agua fría que contiene el vaso, su calor específico del agua es la unidad

Por otra parte: sean m1 y c1 la masa y el calor específico del agua caliente a la temperatura inicialT1.En el equilibrio a la temperatura se te obtendrá la siguiente relación.

Qcedido = Qganado

Agua caliente = calorímetro + agua fríam1c1 (T1-T0)

Determinación del calor específico de las sustancias

La calorimetría es una medida cuantitiva del intercambio de calor para efectuar tales mediciones se emplea un calorímetro de agua. Es importante que el calorímetro esté perfectamente aislado de modo que solo una cantidad mínima de calor se intercambie con el exterior. Una aplicación importante del calorímetro es la determinación de los calores específicos de sustancias. En la técnica conocida como el “método de mezclas” se calienta una muestra de una sustancia hasta una temperatura elevada (ebullición del agua), se mide con precisión su temperatura (T1), y después se coloca de inmediato en el agua fría del calorímetro (T0). El calor que pierde la muestra caliente, será ganado por el agua y el calorímetro, midiendo la temperatura final de la sustancia puede calcularse conociendo la capacidad calorífica del calorímetro a ser utilizado.

Qcedido = Qganado

Qs = Qc + Qa

La ecuación final en su forma desarrollada para la práctica es la siguiente:

Calor ganado o perdido

El calor ganado o perdido por un cuerpo, siempre que no experimente ningun cambio de estado es igual a la masa por el calor específico y por la variación de temperatura.

Calor ganado o perdido = masa x calor específico x variación de temperatura.

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Objetivo General

Aplicar correctamente el balance de energía para la determinación experimental de la capacidad calorífica o calor específico de los sólidos.

Objetivo específicos

Determinar la capacidad calorífica de un calorímetro o equivalente en agua del calorímetro

Determinar el calor específico de un sólido

Equipo y material

calorímetro de mezclas

termómetros

agitador eléctrico de baja tensión

muestras sólidas de diferente material

calentador de muestras sólidas

Procedimiento

Parte I. Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro

Montar el equipo de acuerdo con la figura 7.1

Se ponen m gramos de agua fría en el calorímetro, se agita, y después de un tiempo, se mide su temperatura T0

Se vierten m1 gramos de agua caliente a la temperatura T1 . Se agita la mezcla y después de un poco de tiempo, se mide la temperatura de equilibrio Te .

Parte II. Determinación del calor específico de un sólido

Se ponen m gramos de agua fría en el calorímetro, se agita, y después de un tiempo, se mide su temperatura T0

Se pesa en una balanza una pieza de material sólido de calor específico Cp desconocido, resultando m1

su masa. Se pone la pieza en agua hirviendo a la temperatura T1.

Se deposita la pieza de sólido caliente rápidamente en el calorímetro. Se agita la mezcla, y después de un cierto tiempo, se mide la temperatura de equilibrio Te.

Precaución:la experiencia real se debe hacer con mucho cuidado, para que la medida del calor específico sea suficientemente precisa. Tenemos que tener en cuenta el intercambio del calor entre el calorímetro y la atmósfera que viene expresado por la denominada ley del enfriamiento de Newton.