LABORATORIO DE FLUIDOS Y TERMODINÁMICA ESCUELA DE FÍSICA Y MATEMÁTICA 1. TEMA : DETERMINACIÓN DEL CALOR ESPECÍFICO DE UN METAL 2. OBJETIVO GENERAL: Determinar el calor específico de un metal por calorimetría. 3. OBJETIVOS ESPECIFICOS: Analizar los cambios de temperatura. Utilizar los conocimientos adquiridos para establecer el calor específico de un metal. Comprobar si el calor específico del metal obtenido concuerda con el dato teórico. 4. MÁRCO TEÓRICO: El calor específico es la cantidad de calor que se necesita por unidad de masa para elevar la temperatura un grado Celsius. La relación entre calor y cambio de temperatura, se expresa normalmente en la forma que se muestra abajo, donde c es el calor específico. Esta fórmula no se aplica si se produce un cambio de fase, porque el calor añadido o sustraído durante el cambio de fase no cambia la temperatura. El calor específico del agua es 1 caloría/gramo °C = 4,186 julios/gramo °C que es más alto que el de cualquier otra sustancia común. Por ello, el agua desempeña un papel muy importante en la regulación de la temperatura. El calor específico por gramo de agua es mucho más alto que el de un metal, como se describe en el ejemplo agua-metal. En la mayoría de los casos es más significativo comparar los calores específicos molares de las sustancias. De acuerdo con la ley de Dulong y Petit, el calor específico molar de la mayor parte de los sólidos, a temperatura ambiente y por encima, es casi constante. A mas baja temperatura, los calores específicos caen a medida que los procesos cuánticos se hacen significativos. El comportamiento a baja temperatura se describe por el modelo Einstein-Debye para el calor específico. [1] SUSTANCIA FASE CALOR ESPECÌFICO Hidrógeno Aluminio Oxígeno Nitrógeno Cobre Oro Plata Hierro gas sólido gas gas sólido sólido sólido sólido 14,30 0,897 0,918 1,040 0,385 0,1291 0,237 0,450 [2] 5. MATERIALES: Calorímetro (2 vasos de poliestireno con tapa) Termómetro Vaso de precipitación de 250 mL Hornilla eléctrica Varilla de agitación Agua Pinza Trozo de metal Balanza 6. PROCEDIMIENTO: 1. Colocamos en el calorímetro una masa conocida de agua a temperatura ambiente (m1). Medimos la temperatura del agua y regístrela como T1. 2. Pesamos el trozo de metal. Sumergimos en el vaso de 250 mL con agua y caliéntelo hasta ~ 100ºC. Cuando alcanzo tal temperatura apagamos la hornilla y mida la temperatura del agua (registramos como T2). De inmediato, usando la pinza, transfiera el metal caliente al calorímetro y tápelo. Agitamos suavemente el contenido del calorímetro para obtener una temperatura uniforme. Esperamos hasta que la temperatura llegue a un valor estable (unos 3 minutos) y registre esta temperatura como T3. 3. Repetimos los pasos anteriores para obtener un segundo dato. Para determinar el valor del calor específico del metal usado, se utiliza el criterio de adiabaticidad del instrumento, como sigue: Esto es, Despejando el calor específico del metal En la ecuación (3.1), C es la constante del calorímetro que Usted determinó en la práctica anterior. 4. Calculamos el error porcentual cometido en su determinación comparando el valor experimentalmente obtenido, metal s , con el valor que aparece en tablas, teórico s Colocamos agua en el calorímetro y medimos su temperatura ambiente. Pesamos el pedazo de metal. Sumergimos el pedazo de metal en el agua calentándose a ~ 100ºC. Apagamos la hornilla y medimos la temperatura del agua en el calorímetro. Introducimos el pedazo de metal en el calorímetro y lo dejamos reposar tres minutos. 7. DATOS: Datos m1=205.52g T2= 91 T3= 22 m AL=0.0740g T1= 21 mH2O(1)= 91.532gr mH2O(2)= 93.275gr 8. ECUACIONES Y FORMULAS: = - m vaso 9. CÁLCULOS: 0.07 92.18% 10. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS: Mediante la realización de esta práctica experimental, determinamos del calor específico de un metal, partiendo de una masa de agua (m1=205.52g) a una temperatura (T1=21 ), la masa Al=0.0740g, la cual sufrió un cambio en su temperatura y registro 22 , se procedió hacer los respectivos cálculos para hallar el calor especifico aplicando la formula dada, la cual nos dio 0.07 S= 0,897 . , esta no corresponde al calor especifico promedio de dicho metal, que es 11.CONCLUSIONES: Utilizamos los conocimientos experimentalmente y fórmulas adecuadas para establecer el calor específico de un metal. Reconocimos el calor como energía, que es transferida de un sistema a otro debido a que se encuentra a diferentes niveles de temperatura. Comprobamos que el dato obtenido del calor específico del metal no coincide con el dato teórico ya establecido. 11. RECOMENDACIONES Recomendamos trabajar en los procesos matemáticos cantidades que no tengan muchos decimales, esto facilitara una mejor aplicación y menos probabilidad a errar. Puede ayudarse de fuentes alternativas donde exista mayor información acerca de este tema, el fin es tener una mejor comprensión sobre lo que se está trabajando y un aprendizaje más completo. Procurar un correcto manejo en los instrumentos a utilizar, para efectuar una mayor precisión a la hora de tomar medidas. 12. CUESTIONARIO 1. ¿Qué es el calor específico? Para propósitos prácticos, ¿Qué utilidad tendría conocer el calor específico de un material? El calor específico es la cantidad de calor que se necesita por unidad de masa para elevar la temperatura un grado Celsius. Mediante el calor específico de una sustancia en sus tres estados , sólido, líquido y gaseoso es importante para propósitos prácticos conocer el calor específico ya que para conocer cuánto calor se necesitaría para pasar esa sustancia de una temperatura T1 en la que está en un estado determinado (p.ejm. sólido) a otra temperatura T2 en la que su estado es diferente (p.ejm. Gaseoso) así l saber que material es conductor o aislante y conocer los componentes de los materiales para conocer sus propiedades. 2. Suponga que debe construir la cubierta de un artefacto que estará sometido a altas temperaturas y para su construcción dispone de láminas de los metales A y B . Se conoce que A tiene un calor especifico de 0,13 J/gºC y el de B es 0,89 J/gºC. ¿Cuál es metal usaría?. Razones su respuesta. Se utilizaría el calor específico de 0,13 J/gºC ya que se realiza un menor trabajo por cada gramo por grado Celsius. 3. De la tabla 1 de observa que el calor específico de agua líquida es prácticamente dos veces mayor que el del hielo. Encuentre una explicación química a este hecho. La diferencia más obvia entre el hielo y el agua es el hecho de que el hielo es sólido y el agua es líquida, pero mientras que el estado de la materia cambia de sólido a líquido y a gas dependiendo de la temperatura, la estructura química permanece siendo dos átomos de hidrógeno unidos covalentemente a un átomo de oxígeno. Un grado de libertad es cualquier forma de energía en la que el calor transmitido a un objeto puede ser almacenado. En un sólido, estos grados de libertad están restringidos por la estructura del sólido. La energía cinética almacenada internamente en la molécula contribuye a la capacidad calorífica específica de la sustancia, y no a su temperatura. Como líquido, el agua tiene más direcciones para moverse y absorber el calor que recibe. Existe una mayor área superficial que necesita calentarse para que la temperatura general se eleve. Sin embargo, en el hielo, el área superficial no varía debido a su estructura más rígida. A medida que el hielo se calienta, la energía debe ir a algún lado, y comienza a romper la estructura del sólido y derretirlo para formar agua. [3] 13. BIBLIOGRAFÍA [1] “Calor específico” http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/spht.html [2] WIKIPEDIA “Calor específico” http://es.wikipedia.org/wiki/Calor_espec%C3%ADfico [3] “Calor especifico de los metales” http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/spht.html