Laboratorio de Termodinámica
Calor específico de un sólido
Chacaguasay Valente Daniel Joel
Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP)
djchacag@espol.edu.ec
Resumen
Este informe se enfoca en determinar el calor específico e identificar una sustancia desconocida mediante el método de mezclas, empleando principalmente el principio de la Ley
de Conservación de la Energía. Los resultados arrojaron un valor de calor específico para
la sustancia desconocida de 0.0989 gcal
o C , con una discrepancia respecto al valor esperado de
0.110 gcal
.
Asimismo,
se
llevó
a
cabo
un análisis detallado para entender las posibles razones
oC
detrás de esta discrepancia, y se proporcionaron recomendaciones para mejorar la precisión
de los resultados experimentales en futuras prácticas.
Palabras clave: Calorímetro, Calor Específico, Principio de la Conservación de la Energía.
Las unidades convencionales para el calor
específico (c) pueden ser calorías por gramo
por grado Celsius ( grcal
◦ C ) o joule por kilograJ
mo por Kelvin ( Kg·K ).
Introducción
Según (Britannica, 2022), señala que, el
calorímetro es un instrumento utilizado para
determinar la cantidad de calor que se genera
en una reacción, ya sea de naturaleza mecánica, eléctrica o química, es decir, que se puede
medir la transferencia de energía calórica entre dos objetos o medir cómo la energía térmica se transfiere de un objeto a otro.
De acuerdo con (Das, 2022), el calorímetro
se basa según el principio de la Ley de Conservación de la Energía. Esto conlleva que, al
entrar en contacto un objeto caliente con uno
frío, se produce una transferencia de calor hasta alcanzar el equilibrio, donde la pérdida de
calor es igual a la ganancia de calor. Este principio puede ser enunciado de la siguiente manera:
Q1 = Q2
Por lo tanto, al despejar la ecuación (2) se
tiene que el calor se mide como:
Q = mc∆T
Dónde Q representa la cantidad de calor
que ha perdido o ganado, m es la masa, c es
el calor específico y ∆T es el cambio de temperatura.
Para determinar el calor específico de cualquier sólido, conociendo las masas, temperatura inicial y la tempratura de equilibrio, se
reemplaza la ecuación (3) en la ecuación (1):
(1)
c1 =
Donde Q1 representa el calor perdido, y
Q2 respresenta el calor ganado. Asimismo,
(Britannica, 2023), indica que, el calor específico (c) es la cantidad de calor necesaria para
incrementar o disminuir la temperatura de un
gramo de una sustancia en un grado Celsius.
c=
Q
m∆T
(3)
m2 c2 (TE − T2 )
m1 (T1 − TE )
(4)
Siendo c1 el calor específico del sólido desconocido, m1 la masa del sólido, T1 la temperatura inicial del sólido; c2 el calor específico
del agua, m2 la masa del agua, T2 la temperatura del agua, finalmente TE la temperatura
de equilibrio.
(2)
1
agitador, ambos hechos de material como cobre o aluminio. Están ubicados en una cubierta de madera aislante, como vidrio o lana, para minimizar la pérdida de calor. El sistema
incluye una abertura para insertar un termómetro de mercurio compo se visualiza en la
Figura 3.
Equipos, Instrumentación y
Procedimiento experimental
Equipos
Vaporizador
Normalmente se utiliza para calentar y
convertir líquidos en vapores, mediante el uso
de corriente eléctrica. Este equipo va conectado al calentador, en la Figura 1 se visualiza
un vaporizador utilizado para esta práctica.
Figura 3: Calorímetro
Balanza
Intrumento para determinar la masa de
cualquier sustancia u objetos. En la Figura
4, se visualiza una balanza manual utilizada
en la práctica, la cual tiene unidad de medida el gramo, asimismo, posee dos escalas de
mediciones, la primera es de (0 − 1000) gramos con incertidumbre de ±2.5 gramos y la
segunda tienes escala de (0 − 250) gramos con
incertidumbre de ±0.5 gramos.
Figura 1: Vaporizador
Calentador
Es un recipiente que se utiliza para calentar sustancia mediante la generación de vapor
que proviene del vaporizador eléctrico. En esta práctica se utiliza el calentador que se observa en la Figura 2.
Figura 4: Balanza
Figura 2: Calentador
Termómetro
Instrumentación
Instrumento para medir temperatura ya
sea en grado Celsius o C, grado Fahrenheit o F
o Kelvin K. Existen varios tipos de termómetros, para la respectiva práctica de laboratorio se utilizó dos térmometros, un termómetro
Calorímetro
Según (Das, 2022), el calorímetro está
compuesto por un recipiente metálico y un
2
de mercurio y un termómetro digital que posee una incertidumbre de ±0.1o C. A continuación, en la figura 5 se observa un termómetro
digital.
Tabla 1: Datos experimentales
Masa [g]
Calor específico [ grcal
◦C ]
Temperatura inicial [°C]
Temperatura equilibrio [°C]
Agua
Sólido
100 ±2.5
1.000
27 ±0.1
33.5 ±0.1
100 ±2.5
c1
97.2 ±0.1
33.5 ±0.1
Por consiguiente, se halla el calor específico del sólido desconocido c1 mediante la ecuación (4) definida anteriormente en la sección
de introducción. Reemplazando los valores de
la Tabla 1 en la ecuación (4), se obtiene que:
c1 ≈ 0.0989
Figura 5: Térmometro digital
cal
goC
Donde c1 representa el calor específico del
sólido desconocido. Asimismo, se procede a registrar ese dato en la Tabla 2. Por otro lado, el
instructor de la práctica de laboratorio, indica
el nombre del sólido desconocido. Conociendo
el nombre del sólido se procede a buscar el calor específico del sólido desconocido mediante
la Figura 6.
Procedimiento experimental
1. Medir la masa del sólido (100 gramos)
y la masa del agua (100 gramos).
2. Determinar la temperatura del agua y
colocar en el calorímetro.
3. Colocar el sólido en el recipiente (calenteador).
Tabla 2: Resultado Experimental y teórico
Calor específico ( gcal
oC )
4. Calentar el recipiente hasta la temperatura de ebullición del agua.
Resultado Experimental
Resultado Teórico
0.098
0.110
5. Anotar la temperatura del sólido cuando haya aproximado a la temperatura
de ebullicíon del agua.
6. Trasladar inmediatamente el sólido hacia el calorímetro.
7. Agitar hasta la temperatura de equilibrio, luego anotar su temperatura.
8. Anotar todos los datos en una Tabla.
Resultados
Se sigue los pasos del procedimiento experimental, y se obtiene los datos experimentales que se visualiza en la Tabla 1, los datos
hallados son con respectos a las masas, temperaturas, asimismo, el calor específico del agua
que se obtuvo mediante la Tabla de calores
específicos que se observa en la Figura 6.
Figura 6: Tabla de Calores Específicos de algunas sustancias
Con base en los resultados de la Tabla 2,
se procede a evaluar el porcentaje de error con
3
el procedimiento, lo que simplificó la realización del experimento de forma organizada y
precisa. Cabe mencionar que durante la práctica surgió la dificultad de trasladar el sólido
al calorímetro de manera rápida, lo que posiblemente tuvo un ligero impacto en los resultados.
la siguiente ecuación:
|T eo − Exp|
· 100
(5)
%=
T eo
Donde se obtiene el error porcentual que
se visualiza en la Tabla 3:
Tabla 3: Error porcentual entre el Resultado
Experimental y el Resultado Teórico
Conclusiones
Error porcentual %
Se logró calcular el calor específico del
sólido desconocido, obteniendo un valor de 0.0989 gcal
o C , mostrando una ligera
disparidad respecto al valor esperado de
0.110 gcal
oC .
10.08
Cabe mencionar que, los cálculos de calor
específico y el error porcentual se muestra en
la sección de Anexos*.
Se logró la identificación del sólido cuya
composición corresponde a hierro.
Análisis de Resultados
Recomendaciones
De acuerdo con los resultados de la Tabla
2, se obtuvo que el calor específico del sólido desconocido es de 0.0989 gcal
o C , según el resultado experimental, se tiene un valor aproximado con el calor específico del hierro, tal
como se indica en la Tabla de calores específicos mostrada en la Figura 6. A pesar de
que el resultado obtenido no se acerca al valor esperado de 0.110 gcal
o C , se logró identificar
el sólido. No obstante, se registró un error porcentual del 10.08 % debido a que se llevaron
a cabo las mediciones de las masas en las escalas que presentaban una incertidumbre de
±2.5, tal como se muestra en la Figura 4. Este
resultado carece de respaldo en experimentos
comparables, ya que (Tapia-Segarra y cols.,
2021), establece que los errores experimentales deberían situarse por debajo del 10 %, un
rango considerado aceptable en el ámbito de
la física experimental.
En esta práctica, se detectó una limitación
en la precisión de la balanza, lo que generó el
porcentaje de error mencionado anteriormente. Para futuras ocasiones, se sugiere utilizar
la otra escala (0-250)gramos o la utilización
de una balanza digital con el fin de obtener
un resultado más cercano al valor esperado.
Es importante señalar que en esta práctica se
resaltan aspectos positivos como la colaboración efectiva en equipo y la buena comunicación entre el docente y el estudiante. De igual
manera, los integrantes del equipo de la práctica de laboratorio estaban familiarizados con
Realizar las mediciones de las masas con
la escala de (0-250) gramos ya que este
posee una precisión de 1 gramo y con
esto no puede afectar el resultado final.
Es esencial tener una estrategia cuidadosa y actuar con agilidad durante el
traslado del sólido al calorímetro para
garantizar un proceso eficiente y así obterner resultados precisos.
Referencias
Britannica, T. E. (2022). Calorimeter. Encyclopedia Britannica.
Britannica, T. E. (2023). Specific heat. Encyclopedia Britannica.
Das, N. (2022). Calorimeter formula: Explanation, principle, examples. Descargado
de
https://collegedunia.com/
exams/calorimeter-formula
-explanation-principle-examples
-chemistry-articleid-4281
Tapia-Segarra, I. E., Pacheco-Cunduri, M. A.,
García-Ledesma, A. M., Padilla-Cauja,
H. A., Cajamarca-Paz, F. V., y ValdezSánchez, K. V. (2021). Determinación
del calor específico de materiales industriales utilizando simuladores en el proceso de enseñanza virtual. Polo del Conocimiento, 6 (9), 584–604.
4
Anexos*
Cálculo
Para determinar el calor específico, se utiliza la ecuación (4):
c1 =
m2 c2 (TE − T2 )
m1 (T1 − TE )
donde; c1 es el calor específico del sólido desconocido que se debe hallar, m1 es la masa del sólido
desconocido, T1 la temperatura inicial del sólido desconocido; c2 el calor específico del agua que
se obtiene de la Tabla de calores específico que se visualiza en la Figuara 6, m2 la masa del agua,
T2 la temperatura del agua, finalmente TE la temperatura de equilibrio.
De acuerdo con la Tabla 1, tenemos que:
m1 = 100[g]; T1 = 97.2o C; m2 = 100[g]; T2 = 27.2o C; c2 = 1[ gcal
TE = 33.5o C.
o C ];
Reemplazamos valores,
c1 =
o
o
100[g] × 1[ gcal
o C ] × (33.5 C − 27.2 C)
100[g] × (97.2o C − 33.5o C)
∴ c1 ≈ 0.0989
cal
goC
De la ecuación (5), calculamos el error porcentual:
%=
donde: T eo = 0.110; y Exp = 0.989.
Reemplazamos,
%=
|T eo − Exp|
· 100
T eo
|0.110 − 0.989|
· 100
0.110
∴ % ≈ 10.08
Finalmente, calculamos la incertidumbre con la siguiente ecuación:
s
δc1
δm2 2
δm1 2
δ∆T2 2
δ∆T1 2
=
+
+
+
c1
m2
m1
∆T2
∆T1
luego, se calcula cada término:
(1)(6.3)
δm2
c2 (TE − T2 )
9
(2.5) =
=
δm2 =
m2
m1 (T1 − TE )
(100)(63.7)
3640
δm1
m2 c2 (TE − T2 )
(100)(1)(6.3)
9
δm1 = −
(2.5) = −
=−
2
2
m1
m1 (T1 − TE )
(100) (63.7)
3640
δ∆T2
m2 c2 (TE − T2 )
(100)(1)
1
=−
δ∆T2 =
(0.1) =
2
∆T2
(100)(63.7)
637
m1 (T1 − TE )
δ∆T1
m2 c2
(100)(1)(6.3)
9
=
δ∆T1 = −
(0.1) = −
2
∆T1
m1 (T1 − TE )
(100)(63.7)
57967
reemplazando valores en la ecuacion 6, tenemos:
s
2 2 2
δc1
9
9
1 2
9
=
+ −
+
+ −
c1
3640
3640
637
57967
∴
δc1
≈ ±3.836 × 10−3
c1
5
(6)