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)