parctica #5 termo

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES

PLANTEL ARAGÓN

INGENIERÍA MECÁNICA

LABORATORIO DE TERMODINÁMICA

Practica #5

“Calor Específico y Cambios de Fase”

NOMBRE DEL ALUMNO:

Paniagua campos José Daniel

Cartujano Vergara Jair Armando

NOMBRE DEL PROFESOR: ING. ALEJANDRO RODRÍGUEZ LORENZANA

GRUPO: JUEVES 17:30 – 19:00

Fecha de realización: Jueves 13 del mes de Octubre

Practica #5 “Calor Específico y cambios de fase”

Fecha de entrega: Jueves 20 del mes de Octubre

Objetivo:

Comprender y aplicar el concepto de calor especifico, equivalente mecánico de calor y entalpia de evaporización.

Actividades:

1. Determinar el calor específico de un metal.2. Calcular el equivalente mecánico del calor.3. Calcular la entalpia de vaporización.

Material y/o equipo:

1 Parrilla eléctrica de 750W. 1 Cronometro. 1 Calorímetro 2 Termómetros. 1 Vaso de precipitado de 250ml. 1 Vaso de precipitado de 500ml. 1 Balanza granataria. 1 Multimetro. 1 Pesa de 1Kg. 1 Pesa de ½ Kg. 1 Guante de asbesto. 1 Agitador de vidrio. 1 Cubo de metal. Agua potable. 1 Cafetera (opcional) 1 Pinzas de sujeción. 1 Resistencia de inmersión.

Ing. Mecánica – Laboratorio de Termodinámica – FES Aragón -UNAM


Aspectos Teóricos.

Antecedentes.- Las observaciones de los fenómenos en que intervenían la temperatura, como el calentamiento y el enfriamiento de los cuerpos, se cuantificaron mediante la definición de calor.

En el siglo XVll Joseph Black, estableció que había fenómenos en la misma naturaleza de los considerados como “calor", pero que no y se manifestaban en una variación en la temperatura del sistema.

Por lo que a partir de estas observaciones se definen dos tipos de calor: el sensible y el latente.

A principios de siglo XIX se especula con la idea de que el calor no era sino una manifestación de los fenómenos mecánicos. En aquellos días, muchos científicos consideraban que el calor y los fenómenos mecánicos eran manifestaciones totalmente diferentes e independientes.

Joule realizo el experimento que arrojo resultados cuantitativos y objetivos para demostrar que siempre que se realiza una cierta cantidad de trabajo se produce una cierta cantidad equivalente de calor, el cual se demuestra por cada joule de trabajo se producen 0.24 calorías y que cuando una caloría de energía térmica se transforma en trabajo se obtienen 4.2 Joules. Por tanto:

1 cal = 4.2 J

1 Joule = 0.24 Cal.

Y apoyado por William Thompson, publica sus resultados, los que condujeron eventualmente al enunciado del postulado general de la conservación de la energía, conocido actualmente como la Primera Ley de la Termodinámica.

Calor Específico (Ce).- De una sustancia es igual a la capacidad calorífica de dicha sustancia entre su masa:

C e=Cm

Como ya se dijo, el C9 cle una sustancia se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado la temperatura de una masa unitaria de la sustancia.

El Ce es como una inercia térmica, ya que representa la resistencia que una sustancia opone a los cambios de temperatura, por lo tanto esta en función de le temperatura y la presión.

Equivalente Mecánico del Calor.- Es le conversión de la energía mecánica en térmica, debido al calentamiento causado por le fricción de las moléculas.



Cambio de Fase.- Un cambio de fase es cuando la materia pasa de un estado a otro, la fase de Ia materia depende de su temperatura y de la presión que se ejerce sobre ella. En los cambios de fase se produce normalmente una transferencia de energía.

a) Evaporación.- Cambio de fase de liquido a gas que se lleva a cabo en la superficie del liquido; este cambio de fase sucede en un proceso de calentamiento.

b) Condensación. - Es la transformación de un gas a líquido; este cambio de fase sucede en un proceso de enfriamiento.

c) Ebullición.- Es el cambio de fase que ocurre en cualquier región del liquido y se forman burbujas de gas.

Calor Latente de Vaporización.- Es la cantidad de calor que se requiere para cambiar 1 gr de líquido en ebullición a 1 gr de vapor, manteniendo constante le temperatura.

Calor Sensible.- Es aquel que el ser suministrado a una sustancia, esta eleva su temperatura.

DESARROLLO

Actividad l: CALOR Específico DE UN Solido

1. Calibrar le balanza.

2. Medir le mesa del calorímetro, anotar su valor en la tabla 5.1A.

3. Verter en el calorímetro aproximadamente 1/3 de agua fría, determinar su masa y su temperatura. Anotarlas en la tabla 5.1A.

4. Determinar la mesa del metal. Anotar su valor en la tabla 5.1A.

5. En un vaso de precipitado, verter aproximadamente 200 ml de agua.

6. introducir el metal en el vaso de precipitado.

7. Colocar el vaso en la parrilla. Conectar a la toma de corriente

8. introducir el termómetro en el vaso para medir la temperatura de ebullición. Anotar el valor en la tabla 5.1A ( Esta es considerada como la temperatura inicial del metal "T1M").

9. Una vez que el agua este hirviendo, con las pinzas sacar el rozo del metal e introducirlo en el calorímetro.

10. Medir la temperatura máxima que alcanza el agua en el calorímetro. (T2 H2O ) Anotar el valor en la tabla 5.1A (Esta es considerada como la temperatura que se alcanza en el equilíbralo termodinámico entre el metal y el agua)



El calor especifico se determina con un balance térmico:

U M+U H2O=0

Donde:

Um= la energía cedida por el metal (cal)

UH2O= La energía absorbida por el agua (cal)

UM =mM CeM(T2M – T1M)

UH2O = mH2O CeH2O (T2H2O – T1H2O)

Donde:

mM= mesa de! metal (gr)

mH2O= mesa del agua (gr) /

CeH2O= Calor especifico de agua (Cal/gr°C)

CeM= Calor especifico del metal (Cal/gr°C)

T2M= temperatura final del meterial (°C)

T1M= temperatura inicial de! metal (°C)

T2H2O= temperatura final del agua (°C)

T1H2O= temperatura inicial de! agua (°C)

Sustituyendo en la ecuación anterior:

mM CeM (TM2 – TM1) + mH2O CeH2O (T2H2O – T1H2O) = 0



NOTA: EL Ce ES POSITIVO, YA QUE TM,>T2H2O

Anotar el resultado en le tabla 5.1B

ACTIVBDAD ll: EQUIVALENTE MECANICO DE CALOR

Realizar los cálculos necesarios para obtener el equivalente mecánico de la cantidad de calor utilizado en la practica. Anotar los resultados en la tabla 5.2B

ACTIVIDAD lll: ENTALPIA DE EVAPORACION

1. Medir le resistencia de le resistencia de inmersión y el volteje de línea. Anotar et vector en Ia tabla 5.2A

2. Verter 2/3 de agua en et calorímetro.

3. Determinar la masa del agua, restándole Ia masa de Ia cafetera.

Anotar su valor en la Tabla 5.2A

4. Conectar la resistencia de inmersión a la toma de corriente.

5. Con el agitador de vidrio, mezclar continuamente para alcanzar una temperatura uniforme dentro del calorímetro o Ia cafetera.

Para determinar el calor que se requiere para evaporar el agua, se usa el modelo.

Q=mvhV

Donde:

Qv= Calor de vaporización (joules)

Mv = masa de vaporización (gr)

Hv = Entalpia de vaporización (joule/gr)

La potencia eléctrica de la resistencia:

P=V2

R(watts )

Potencia calorífica suministrada al agua



P=Qt

(watts )

Donde:

P= Potencia de la resistencia (watts)

R= Resistencia de la parrilla (Ω)

V= Voltaje de línea (Volts)

t =Tiempo que tarda en evaporarse la masa de agua (seg)

Por lo tanto:

Qv=V 2R tY si:

QV=m v hV¿

¿

Despejando:

hV=QVmv¿

¿

Anotar el resultado en la tabla 5.3B



TABLAS DE LECTURAS:

TABLA 5.1A

CONCEPTO SÍMBOLO UNIDAD LECTURAMasa del calorímetro m calorímetro

gr 155.5

Masa del agua mh20gr 188.1

Temperatura inicial del agua T1h2o°C 21

Masa del metal mM1gr 242

Temperatura inicial del metal TM1°C 92

Temperatura final del agua T2h2o°C 92

Temperatura final del metal TM2°C 25

TABLA 5.2A

CONCEPTO SÍMBOLO UNIDAD LECTURAResistencia de inmersión R Ω 27.6

Voltaje de línea V V 125.2Masa inicial del agua m1

gr 1703.5

Masa final del agua m2gr 1654.5

Masa de vapor mVgr 49

Tiempo de vaporización t s 300



MEMORIA DE CÁLCULO:

Para obtener el calor específico correspondiente al metal se ocupa la fórmula siguiente:

mMCeM(TM2-TM1) + mh2oCeh2o(T2h2o-T1h2o)= 0

de donde:

CeM = −mh2oCeh2o(T 2h2o−T 1h2o)

mM (T M 2−T M 1)

Por lo tanto:

CeM=−(188.1g )( 1calg ° C)(92° C−21° C)

(242 g )(25 ° C−92 °C)

CeM= 0.82368 cal/g°C

Una vez obtenido esto podemos realizar las debidas conversiones:

1Kcal= 1000 cal

1g= 0.001 Kg

1°C= 274 Kelvin

Por lo cual:

CeM=0.82368 cal/g°C( 1Kcal1000cal )( 1 g0.001Kg )( 1° C274 ° K )

CeM= 3.0061 x 10 -3 Kcal/Kg °K



Luego si:

1 KJoule= 2400 Kcal

Entonces:

CeM= 3.0061 x 10-3 Kcal/Kg °K( 1KJoule2400Kcal )CeM= 7.15x 10 -7 KJoule/Kg °K

Por último:

1 Btu= 1.0550 KJoule

1°K= - 458.2 °F

0.4536 Kg= 1 lb

Por lo tanto:

CeM= 7.15x 10-7 KJoule/Kg °K( 1Btu1.0550KJoule )( 0.4536Kg1 lb )( 1 ° K

−458.2 ° F )CeM= -6.7 x 10 -10 Btu/lb °F

TABLA 5.1B

CONCEPTO SÍMBOLO UNIDADESCalor especifico del

metal CeM

KJoule/ Kg °K Cal/g °C Btu/ lb °F7.15x 10-7 0.82368 -6.7 x 10-10

Para calcular la Entalpia de evaporación se necesita efectuar lo siguiente:

mvh2o = m1h2o-m2h2o

mvh2o = 1703.5g – 1654.5g = 49g



se necesita conocer la potencia eléctrica:

P =V∗2R

=125.2∗227.6

=568 watts

El calor de evaporación se obtiene de la formula:

QV=(P ) t= (568 watts)(300s)= 1.7 x 105 Joule

De la ecuación QV = mvhv, se tiene:

hv= QVmv

= 3469.4 Joule/gr

TABLA 5.3B

CONCEPTO SÍMBOLO UNIDADESCalor de

vaporizaciónJoule cal Btu

1.7 X 105 711297.07 674.60UNIDADES

Entalpía de vaporización

Joule/gr cal/gr Btu/lb3649.4 828.81 1494.95

1Kcal= 4186.8 Joule

1 Btu= 0.252 Kcal

Entonces:

3469.4 Joule/gr( 1cal4.186 Joule )=828.81 cal/gr

Y

0.8288cal/gr( 1Btu0.252Kcal )( 1 g

0.0022 lb )= 1494.95 Btu/lb



CUESTIONARIO

Explicar los estados de la materia y sus cambios, investigar qué tipo de calor manejan.

Solido:Manteniendo constante la presión, a baja temperatura, los cuerpos se presentan en forma sólida y los átomos se encuentran entrelazados formando generalmente estructuras cristalinas, lo que confiere al cuerpo la capacidad de soportar fuerzas sin deformación aparente. Son, por tanto, agregados generalmente como duros y resistentes. En el sólido hay que destacar que las Fuerzas de Atracción son mayores que las Fuerzas de Repulsión y que la presencia de pequeños espacios intermoleculares caracteriza a los sólidos dando paso a la intervención de las fuerzas de enlace que ubican a las celdillas en una forma geométrica.

Liquido: Si se incrementa la temperatura el sólido va "descomponiéndose" hasta desaparecer la estructura cristalina, alcanzando el estado líquido. Característica principal: la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene. En este caso, aún existe cierta ligazón entre los átomos del cuerpo, aunque mucho menos intensa que en los sólidos.

* Gaseoso: Incrementando aún más la temperatura se alcanza el estado gaseoso. Los átomos o moléculas del gas se encuentran virtualmente libres de modo que son capaces de ocupar todo el espacio del recipiente que lo contiene, aunque con mayor propiedad debería decirse que se distribuye por todo el espacio disponible.

- Cambios: Solidificación (de liquido a solido), sublimación (de solido a



gaseoso), evaporación (de liquido a gaseoso), condensación (de gaseoso a liquido) y fusión (de solido a liquido).Las sustancias sólidas son a temperaturas bajas, líquidas a temperaturas medias y gaseosas a temperaturas altas.Demostrar mediante la Primera Ley de la termodinámica la relación existente entre los Calores Específicos y la constante particular de los gases.

El calor específico medio ( ) correspondiente a un cierto intervalo de temperaturas se define en la forma:

Mientras la constante particular de los gases es igual a: Donde, siendo su relación la Temperatura, podríamos tener:ĉ= Q/(m∆(PV/nR))¿Por qué causa más daño una quemadura con vapor de agua que una quemadura con agua hirviendo?

Lo que ocurre es que el traspaso energético para equilibrar la temperatura de agua caliente requiere de muchas menos calorías que el traspaso energético necesario para condensar vapor de agua, es decir, como nos dice la primera ley de la termodinámica todo sistema tiende al equilibrio termodinámico, en el caso del agua caliente necesita de máximo 100 Kcal para alcanzar el equilibrio térmico (si se pasa de 100 ºC a 0ºC un litro de agua), en cambio el vapor de agua necesita de 540 Kcal/Kg para llegar al equilibrio térmico (calor latente de vaporización), por eso duele tanto una quemadura de vapor.

¿Qué significa afirmar que un material tiene más capacidad calorífica grande o pequeña?La capacidad calorífica o el calor especifico de una sustancia es la cantidad de calor (energía) que hay que comunicarle a la unidad de masa (un kilogramo por ej ), para que su temperatura aumente en un grado centígrado el agua es una sustancia de calor especifico grande ,hay que darle mucho calor para que su temperatura aumente 1Cº en comparación a la arena por ejemplo (5 veces más ), o sea que si es grande necesitará mucho calor para elevar un grado su temperatura, si es pequeño lo contrario¿Por qué los lagos y estanques se congelan de arriba hacia abajo y no de abajo hacia arriba?

Se congelan de arriba hacia abajo, porque el calor especifico del agua es muy grande. Quiere decir que para calentar 1 l de agua hay que entregarle mucho más calor que a cualquier otra, por ejemplo, los metales tienen calor específico muy bajo, con lo cual se calientan rápido. El agua no, para poder calentarla tiene que entregarle mucho calor, y de la misma forma para enfriarla, cuesta muchísimo tiempo... Una gran masa de agua necesitaría una gran cantidad de calor para hacerla hervir o calentarla... o enfriarla completamente... por eso, las zonas donde se



congelan los lagos y lagunas, es en la superficie, porque es la zona en donde se pierde más calor rápidamente, porque es la que está en contacto con el aire frío atmosférico en forma directa.

Investigar tres formas de transmisión de calor.CONDUCCIÓN. En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor.CONVECCIÓN. Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.RADIACIÓN. La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. En 1905, Albert Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoeléctrico, la radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas.

¿Qué tipo de errores se cometieron al efectuar la práctica, y como podrías evitarlos?El tipo de errores fue mínimo pues se siguieron las instrucciones que se daban para la práctica tanto del cuadernillo como del profesor, se utilizo el material adecuado para realizar la práctica, se realizaron lo mejor posible, aunque no se conto con el lugar adecuado por causas externas al laboratorio la practica fue realizada con éxito.


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