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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA ASIGNATURA: FÍSICA II
FACULTAD DE INGENIERÍA
PRACTICA DE LABORATORIO
CALOR ESPECÍFICO DE LOS SÓLIDOS
1. OBJETIVOS:
1.1 Determinar el calor específico de un sólido metálico. 1.2 Comprender el principio de conservación de energía.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO. El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor que se requiere para elevar en un grado la temperatura de un gramo de ella. De acuerdo a esta definición, la cantidad de energía calorífica Q absorbida o cedida por un cuerpo de masa m al calentarse o enfriarse es
proporcional a la variación de temperatura ΔΤ= T^ f^ − T^ i^ y a la masa del cuerpo según la
fórmula:
Q =m c ΔT , (1)
Donde c es el calor específico. Cuando no hay intercambio de energía (en forma de calor) entre dos sistemas, decimos que están en equilibrio térmico. Para que dos sistemas estén en equilibrio térmico deben estar a la misma temperatura. El calor específico es una propiedad física dependiente del material. Cuando se mide esta magnitud, se encuentra que varía con la presión y volumen del sistema. En la Tabla 1 se muestran valores del calor específico de algunas sustancias sólidas y líquidas a temperatura ambiente y presión atmosférica. TABLA 1. Valores del calor específico de algunas sustancias. Sustancia Calor específico, c
J / kg ⋅ ºC cal / g ⋅ ºC
Plomo (Pb) 128 0, Oro (Au) 129 0, Plata (Ag) 234 0, Germanio (Ge) 320 0, Diamante (C) 333 0, Bronce (Cu - Sn) 360 0, Latón (Cu - Zn) 385 0, Cobre (Cu) 387 0, Hierro (Fe) 448 0, Silicio (Si) 795 0, Asbesto 816 0, Vidrio 837 0, Aluminio (Al) 900 0, Hormigón 921 0, Madera 1716 0, Hielo (H 2 O a - 5 ºC) 2093 0, Parafina 3265 0, Mercurio (Hg) 138 0, Aceite de máquina 1674 0, Alcohol (R-OH) 2512 0, Glicerina 2428 0, Agua (H 2 O a 15 ºC) 4186 1,
El hecho de conocer el valor del calor específico de una sustancia es fundamental en el estudio de las propiedades de los materiales. Cuando se calienta un metal, la mayoría de la energía utilizada en elevar la temperatura de éste va a incrementar la energía vibracional de los átomos y lo restante se utiliza para incrementar la energía cinética de los electrones de conducción. Así mismo, el calor específico está íntimamente relacionado con l a inercia térmica de los cuerpos, que indica la dificultad que éstos ofrecen para variar su temperatura. Si un edificio tiene gran inercia térmica, no se producen diferencias drásticas de temperatura. Esto basado en que su masa t iene la capacidad de almacenar energía en forma de calor, la que puede ser liberada nuevamente al ambiente. La capacidad de acumulación térmica de los elementos constituyentes de la edificación permite, en los mejores casos, obtener valores altos de inercia térmica y por ende conseguir la estabilidad térmica en su interior, evitando las oscilaciones de temperatura originadas por las fluctuaciones térmicas climáticas. MEDIDA DEL CALOR ESPECÍFICO: CALORIMETRÍA. La calorimetría es una técnica de análisis térmico que permite medir los cambios energéticos de una sustancia en presencia de un material de referencia. La medición del calor específico de una sustancia consiste en calentar la sustancia hasta cierta temperatura, colocarla después en un recinto adiabático con una determinada masa de agua a temperatura conocida, para finalmente medir la temperatura de equilibrio del sistema sustancia-agua. El dispositivo en el cual ocurre esta transferencia de calor recibe el nombre de calorímetro , el cual también experimenta ganancia de calor, la cual puede ser despreciada si la masa del calorímetro no es significativa respecto de la masa de agua. Sea ms la masa del sólido con calor específico cs desconocido, con una temperatura inicial alta Ts; y análogamente, sean ma, ca y Ta los correspondientes valores para el agua. Si T es la temperatura de equilibrio del sistema, a partir de la ecuación (1) se encuentra que, i) el calor ganado por el agua:
Qa = ma ca ( T − T a )
ii) y el calor perdido por el sólido.
Qs =− ms cs ( T − T s )
La cantidad de trabajo mecánico realizado durante el proceso es pequeña y, en consecuencia, despreciable. La ley de conservación de energía requiere que el calor que cede la sustancia más caliente (de calor específico desconocido) sea igual al calor que recibe el agua. Por lo tanto,
ma ca ( T − T a )=− ms cs ( T − T s )
Despejando cs de la expresión anterior se tiene:
cs =
ma ca ( T − T a )
ms ( T s − T ) (3)
Con unidades de cal^ /^ g ⋅ ºC^ o J^ /^ kg ⋅ K^ , estas últimas de acuerdo al Sistema Internacional.
Además : 1 kcal = 1000cal; 1 J = 0,24cal; 1 cal = 4,186 J.
Muestras de Bronce 4.7 De acuerdo al proceso anterior, realice las mediciones con el segundo sólido (masa inicial aproximada 32 g), pero reemplazando en el ítem 4.2 la masa de agua, ma , por una de 75 g. Anote los valores en la Tabla 3. Recomendaciones: El calorímetro debe estar totalmente seco antes de verter el agua dentro de éste. No cambie la ubicación del termómetro directamente del recipiente con agua en ebullición al calorímetro. Como paso intermedio, coloque el termómetro en contacto con agua a temperatura ambiente y luego séquelo con una franela o papel absorbente. Al realizar las medidas correspondientes de masa de las muestras sólidas, medir la masa de las muestras juntas para evitar propagar los errores debido a mediciones indirectas. TABLA 2. Datos experimentales correspondientes a muestras de Plomo. N ma (g) Ta (ºC) ms (g) Ts (ºC) T (ºC) 1 2 3 4 5 TABLA 3. Datos experimentales correspondientes a muestras de Bronce. N ma (g) Ta (ºC) ms (g) Ts (ºC) T (ºC) 1 2 3 4 5
5. PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS : 5.1 Use la ecuación 3 para calcular el calor específico de los sólidos en estudio. Con los datos de la Tabla 2 y 3 halle: Las variaciones de temperatura del agua ΔT (^) a = T − T (^) a y del sólido ΔT (^) s = T (^) s − T . Los resultados colóquelos en las Tablas 4 y 5 respectivamente.
TABLA 4. Valores del calor específico. N Plomo
ΔT a
(ºC)
ΔT s
(ºC) c^ (cal/g.ºC)^ c^ (J/kg.K) 1 2 3 4 5 PROMEDIO TABLA 5. Valores del calor específico. N Bronce
ΔT a
(ºC)
ΔT s
(ºC) c^ (cal/g.ºC)^ c^ (J/kg.K) 1 2 3 4 5 PROMEDIO 5.2 Con los datos de las Tablas 4 y 5 calcule los valores del calor ganado por el agua
Qa
, el calor perdido por los sólidos
Qs
y la discrepancia, ΔQ^ = |Qa-Qs|, entre ambos para cada caso. Los
resultados anótelos en las Tablas 6 y 7. TABLA 6. Sistema calorímetro-agua-plomo. N Qa(J) Qs(J)
ΔQ = |Qa-Qs| (J)
experimental ideal 1 2 3 4 5 TABLA 7. Sistema calorímetro-agua-bronce.
N Qa(J) Qs(J) ΔQ
= |Qa-Qs| (J)
