1º GRADO EN FARMACIA Asignatura: FISICA

1º GRADO EN FARMACIA
Asignatura: FISICA
Año académico: 2013-2014
UNIDAD 1. ENERGIA_TERMODINÁMICA
PRACTICA 1. CALOR
FUNDAMENTO TEÓRICO
El calor se define como la energía en tránsito entre dos cuerpos con diferente temperatura que se encuentren
en contacto térmico. La energía se transfiere desde el sistema de mayor al sistema de menor temperatura (del
que tiene mayor al que tiene menor energía interna) hasta que se alcanza el equilibrio térmico que equivale a
igualar sus energías internas.
Asimismo, cuando se transfiere energía en forma de calor a una sustancia puede ocurrir que:
a) Aumente su temperatura.
La cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un sistema es proporcional a la variación de
temperatura y a la masa de la sustancia, definiéndose:
Calor específico como la cantidad de calor absorbido o cedido por unidad de masa de una sustancia
cuando su temperatura varía un grado (J/kg·K o cal/kg·ºC)
Capacidad calorífica, como la cantidad de calor necesaria para aumentar un grado la temperatura de la
sustancia (J/K o cal/ºC)
Capacidad calorífica molar, como la cantidad de calor necesaria para elevar un grado la temperatura de 1
mol de una sustancia (J/mol·K o cal/mol·ºC)
b) Cambie de estado.
Para que tenga lugar un cambio de estado, por ejemplo de sólido a líquido, es necesario suministrar energía a
las partículas o moléculas que forman el sólido para que adquieran la energía cinética necesaria para vencer
las fuerzas intermoleculares de atracción que lo caracterizan (se desordenen), y pasen al estado líquido de
mayor energía interna (estructura menos ordenada). Definiéndose:
Calor latente, L (J/mol), como la cantidad de calor extraído o suministrado por unidad de masa necesario
para cambiar de estado una sustancia a temperatura constante.
Para medir experimentalmente el calor transferido cuando se mezclan dos sustancias que se encuentran
inicialmente a distintas temperaturas el sistema debe estar aislado, para evitar que se produzca transferencia
energética desde el sistema a los alrededores y viceversa. Durante el experimento el cuerpo más caliente
cede calor al más frío hasta que se alcanza una temperatura intermedia de equilibrio, igual para las dos
sustancias. Los calorímetros permiten medir los cambios de temperatura en su interior, como resultado
únicamente de los procesos que en él tienen lugar, resultando de gran utilidad para medir la transferencia de
calor de forma precisa.
Un calorímetro es un recipiente aislado térmicamente del exterior, físicamente se trata de un vaso con
paredes dobles (comúnmente de vidrio o poliestireno). Entre sus paredes se ha hecho el vacío, para evitar las
pérdidas de calor por conducción y, además, suelen ser plateadas o metálicas para reducir las pérdidas por
radiación. El vaso suele venir embutido en una carcasa de plástico que sirve para protegerlo de pequeños
golpes fortuitos.
Supongamos, por ejemplo, que la masa m1 de una de las sustancias está contenida en un calorímetro de
masa mK, ambos a la misma temperatura T 1, y vertemos en dicho recipiente otra sustancia de masa m2 a una
temperatura T 2, el sistema evoluciona hasta alcanzar una temperatura final, T (intermedia entre T 1 y T 2). Como
la energía total debe conservarse, la suma de calores absorbidos (o cedidos) por todas los cuerpos implicados
debe ser nula.
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Sin embargo, el calorímetro no es un perfecto aislante y el calor se escapa en parte durante los experimentos,
dificultando la obtención precisa de los cambios de temperatura. Para corregir esta y otras fuentes de error,
los cambios de temperatura y la temperatura final pueden ser determinados gráficamente. Esto implica medir
la temperatura del calorímetro y de las sustancias antes de mezclarlas (T1 y T2) y después apuntar la
temperatura del sistema a intervalos de tiempo convenientes después del instante de mezclado, to. Tras la
mezcla el calor sale del sistema a los alrededores y es de suponer que esto ocurre de manera constante. Así,
una gráfica de T (temperatura) frente a t (tiempo) dará una relación lineal después del periodo inicial
requerido para que el sistema mezclado alcance el equilibrio y se estabilice. Si esta porción de gráfica es
extrapolada a la T del eje en el tiempo to, se puede obtener un valor aproximado para la T final.
Método gráfico para la obtención de Tf en calorímetro con T2 >T1
T
Tf
*
*
*
**
*
*
*
T1
to
t
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Una vez recordados los conceptos teóricos pasaremos a aplicarlos:
1. Determinar la capacidad calorífica del calorímetro.
Para obtener de forma experimental la capacidad calorífica del calorímetro, medimos la variación de la
temperatura, cuando dos cantidades conocidas de agua inicialmente a diferentes temperaturas, son
mezcladas en el interior de un calorímetro.
1.1. Medir 100 ml de agua destilada a la temperatura ambiente (medir exactamente su masa), transferirla al
calorímetro. Agitar cuidadosamente y esperar hasta que la temperatura permanezca constante. Anotar
esta temperatura.
1.2. Coger 100 ml de agua destilada a una temperatura ligeramente superior a 40 C. Anotar su masa y
temperatura exactas, inmediatamente después transferirla al calorímetro rápidamente (pero con cuidado
evitando salpicaduras). Agitar la mezcla mientras se anota cada 15 s el descenso de la temperatura
indicada por el termómetro del calorímetro. Anotar valores de temperatura desde que se añadió el agua
caliente hasta que permanezca aproximadamente estacionaria (aprox. 3 min).
1.3. Representar T frente a t, y determinar la temperatura de equilibrio en el instante de mezclado to, por
extrapolación.
1.4. Calcular la capacidad calorífica del calorímetro, teniendo en cuenta que el calor especifico del agua es de
4,18 J/g K.
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2. Determinar el calor latente de fusión del hielo.
Se pretende determinar el calor de fusión del hielo, por lo que se colocará en el interior del calorímetro una
masa conocida de agua, a una temperatura bien determinada y se dejará fundir en ella una masa de hielo.
2.1. Limpiar cuidadosamente el interior del vaso del calorímetro y secarlo interior y exteriormente.
2.2. Tomar aproximadamente 100 ml de agua destilada a una temperatura ligeramente superior a 40ºC,
anotar su masa exacta y transferirla al calorímetro. Agitar cuidadosamente y esperar hasta que la
temperatura permanezca constante. Anotar dicha temperatura.
2.3. Pesa aproximadamente 50 g de hielo “bien seco”. Anotar su temperatura y masa exactas. Verter el hielo
al calorímetro lo más rápidamente posible (pero con cuidado evitando salpicaduras).
2.4. Agitar la mezcla del calorímetro y anotar cada 15 s la temperatura de la mezcla hasta que se estabilice
(~3 min). Representar como en el caso anterior T frente a t y determinar la temperatura de equilibrio en el
instante de mezclado to, por extrapolación.
2.5. Calcular el calor de fusión del hielo, utilizando los datos del apartado 1 que sean necesarios.
3. Determinar el calor específico de sólidos
Para deducir el calor específico de un sólido, seguiremos un procedimiento parecido al anterior: Inicialmente
dispondremos de un calorímetro que contiene una masa conocida de agua a temperatura ambiente y de un
sólido de masa conocida pero de calor específico desconocido a temperatura elevada. Añadiremos entonces
el sólido al calorímetro y, cuando se alcance de nuevo el equilibrio térmico, anotaremos la temperatura final.
3.1. Tome uno de los sólidos (aluminio, hierro o cobre-zinc, etc…), limpio y seco. Pesar y anotar su masa.
3.2. Atar al sólido un hilo fino y resistente e introducir en el fondo de un baño termostático de agua a 60ºC.
Mantener, al menos, durante 20 min.
3.3. Tomar aproximadamente 200 mL de agua a temperatura ambiente. Pesar, anotar su masa exacta y
verterla en el calorímetro (con cuidado de no salpicar). Esperar unos minutos hasta que se estabilice la
temperatura y anotarla.
3.4. Sacar el sólido del baño termostatizado secar muy rápidamente con papel e introducirlo en el calorímetro
(evitando salpicaduras y comprobando que se encuentra completamente sumergido en el agua). Agitar la
mezcla mientras se observa el aumento de temperatura, anotando los valores cada 15 s hasta que la
temperatura se estabilice (~3 min).
3.5. Representar como en los casos anteriores T frente a t, y determinar la temperatura de equilibrio en el
instante de mezclado to, por extrapolación.
3.6. Calcular el calor específico del sólido utilizado y comparar el resultado obtenido con su valor teórico.
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INFORME PRÁCTICA 1_CALOR. CUESTIONES TEÓRICAS
Fecha:
GRUPO:
NOMBRES:
A. Indicar si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas, ¿por qué?.
A.1. La cantidad de calor absorbido o cedido por una sustancia es independiente de la naturaleza de la
misma.
A.2. Para calcular la cantidad de calor absorbido o cedido por una sustancia siempre se utiliza la misma
expresión matemática.
A.3. El balance energético en un calorímetro (recipiente aislado) es siempre nulo.
B. Señalar la opción correcta. Justificar la respuesta.
B.1. La capacidad calorífica del calorímetro……..
a) no es necesario conocerlo para trabajar con él.
b) es el volumen de líquido que cabe en su interior.
c) es un parámetro característico experimental.
d) es su calor específico.
B.2. ¿Es importante agitar al mezclar líquidos de diferente temperatura en el calorímetro?
a) Sí, en caso contrario el termómetro no registraría la evolución de la temperatura de mezcla.
b) Sí, porque no se alcanzaría la temperatura final estacionaria.
c) No, simplemente tarda más el proceso de estabilización
d) No, porque los líquidos que se mezclan ya están a la misma temperatura.
B.3. ¿Cuál es el calor cedido o ganado por 100 g de agua, si su temperatura inicial era de 20ºC y su
temperatura final de 10 ºC?
a) 1000 cal
c) 4,18 J
b) –1000 cal
d) Ninguna de las anteriores
C. Contesta a las siguientes preguntas, razonando la respuesta.
C.1. ¿En qué sentido se falsearía el resultado del experimento si el hielo utilizado no estuviera "bien seco"?
C.2. ¿El calor latente de fusión es igual al de congelación? ¿Será mayor o menor que el de evaporación?
C.3. ¿Hay cambios de entropía en el experimento? Explicar dónde.
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INFORME PRÁCTICA 1_CALOR. CUESTIONES PRÁCTICAS
Fecha:
GRUPO:
NOMBRES:
* Expresar correctamente cada magnitud (unidades y cifras significativas), tanto en las directas como en las indirectas.
* Realizar las representaciones gráficas (T vs t) necesarias para determinar la temperatura de equilibrio (Tfinal) en la hoja de papel
milimetrado. Dichas representaciones deben ser claras y se deberá indicar en ellas el valor extrapolado obtenido.
P1. Capacidad calorífica del calorímetro
m1 =
m2 =
t(s)
T(ºC)
0
T1 =
T2 =
15
30
45
60
75
Tfinal =
90
105
120
135
150
165
180
165
180
Balance energético (cálculos):
Ccalorimetro =
P2. Calor latente de fusión del hielo.
t(s)
T(ºC)
magua =
T1 =
mhielo =
T2 =
0
15
30
45
60
75
Tfinal =
90
105
120
135
150
Balance energético (cálculos):
Lfusión =
_
P3. Calor específico de sólidos. (Especificar el metal utilizado)
m(
t(s)
T(ºC)
)=
mtotal =
magua =
T1 =
Tfinal =
m’agua =
T2 =
T’final =
0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
150
165
180
Balance energético (cálculos):
ce(
)
=
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