INFORME EXPERIENCIA 5 - FISICA CALOR Y ONDAS GRUPO G1 SUBGRUPO C

Laboratorio Física calor y ondas
Informe práctica 5: Calor específico de los sólidos
Autores: Adrián Torres 1 - T00061869, Sebastian Canchila 2 - T00061156,
Nicolás Fierro 3 - T00061404, Luis Triana 4 - T00061366
Grupo: G1, Subgrupo: C
Profesor: Alberto León Giraldo Zuluaga
Facultad de ciencias básicas
Universidad tecnológica de Bolívar
1. INTRODUCCIÓN
Se entiende como calor (Q) a la energía que fluye desde una parte de un sistema a otra o de un
sistema a otro. Por convención se considera que Q es positivo cuando es absorbido por el
sistema y negativo en caso contrario. Cuando un sistema absorbe (o cede) una determinada
cantidad de calor puede ocurrir que experimente un cambio en su temperatura o experimente un
cambio de fase a temperatura constante. Si durante la absorción de Q unidades de calor, un
sistema experimenta un cambio de temperatura de “Ti” a “Tf“, se define como capacidad
calorífica promedio. Si tanto Q como la diferencia de las temperaturas (Tf – Ti) se hacen cada
vez menores, esta razón tiende hacia la capacidad calorífica instantánea. Se denomina
capacidad calorífica específica o calor específico de un sistema a su capacidad calorífica por
unidad de masa o mol y se la designa con c, de modo que C = m c. El calor específico de una
sustancia puede ser negativo, positivo, nulo o infinito, dependiendo del proceso que experimente
el sistema durante la transferencia de calor. Sólo tiene un valor definido para un proceso
determinado. Por lo tanto, la capacidad calorífica de un sistema depende tanto de la naturaleza
del sistema, como del proceso particular que el sistema experimenta [1]. Esta experiencia se
trata sobre estudiar la capacidad que tienen los sólidos y los líquidos(agua) para absorber
energía calorífica encontrando datos de temperatura inicial y temperatura final que nos
permitirán entender el comportamiento de estas sustancias al interactuar de forma calórica entre
ellas. Por un lado, se pretende demostrar la influencia que tienen las temperaturas (inicial y
equilibrio) del agua y la masa de esta misma para determinar la masa equivalente de un
calorímetro. por otro lado, se busca encontrar el calor especifico de un sólido partiendo de las
temperaturas arrojadas.
2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
-
Determinar el calor específico de algunos sólidos mediante un experimento de
transferencia de calor.
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS.
-Identificar las variables que influyen en la cantidad de energía cedida y la cantidad de
energía absorbida.
-Entender la relación que existe entre las temperaturas y las masas equivalentes.
-Identificar como es el funcionamiento de una absorción de energía calórica.
3. MARCO TEÓRICO
4. MONTAJE
Para obtención de los montajes, se utiliza un simulador el cual facilita la realización
de la experiencia en cuestión.
Figura 1. Simulador
Para esta práctica se utilizó un simulador el cual permite variar la masa y la
temperatura del solido utilizado, usaremos 2 solidos, los cuales son, aluminio y
cobre. Como se había dicho anteriormente usaremos una masa y temperatura,
para luego obtener su calor especifico.
Figura 2. Beaker
El beaker se utiliza, para preparar o calentar sustancias, medir o traspasar líquidos.
En esta práctica, usaremos el beaker en el simulador para calentar la primera
sustancia y luego traspasarla al calorímetro.
Figura 3. Calorímetro
En el calorímetro se verterá la otra sustancia y estarán las dos, para así hallar el
calor especifico y la temperatura de equilibrio entre ambas sustancias.
5. DATOS EXPERIMENTALES
Partiendo del documento con los datos proporcionados por el docente, se usó un simulador que
también fue proporcionado por el docente, para añadir estos datos en el mismo. Donde se observó
detalladamente el cambio de temperatura que tenían 2 cuerpos dentro de un calorímetro hasta
hallar su temperatura de equilibrio, para así, mediante las formulas determinar y calcular datos
como el calor especifico y la masa equivalente en el calorímetro. Estos datos proporcionados por
el profesor y el simulador los podemos observar en las tablas realizadas en Excel.
Cuerpo
M
m
Temperaturas
iniciales (°C)
30
80
Masa (g)
125
50
Temperatura
de equilibrio
Te (°C)
44,29
44,29
Tabla 1. Masa equivalente calorímetro
Objeto
Masa (g)
Calorímetro
(equivalente
en agua)
Agua
Sólido
200
50
T de
equilibrio
(°C)
T inicial
(°C)
20 23.07
20 23.07
80 23.07
Tabla 2. Calor específico Aluminio
Objeto
T inicial
(°C)
Masa (g)
Calorímetro
(equivalente
en agua)
Agua
Sólido
T de
equilibrio
(°C)
200
50
20 21.35
20 21.35
80 21.35
Tabla 3. Calor específico Cobre
6. ANÁLISIS DE DATOS
6.1 Hallar ecuaciones
6.1.1 Cálculos para llegar a la ecuación (5)
Para poder llegar a esta ecuación en este caso, la cantidad de calor transferida por el sólido
viene dada por la siguiente fórmula.
Q1 = c1 m1 (T1 − T𝑀 )
Donde Q1 = Cantidad de calor absorbida por el agua, m1 = Masa del sólido, c1 = Calor especifico,
T1 = Temperatura, TM = Temperatura de equilibrio. Y a su vez, usaremos la cantidad de calor
transferida por el líquido la cual viene dada por la siguiente fórmula.
Q2 = c2 m2 (T2 − T𝑀 )
Donde Q2 = Cantidad de calor cedida por el sólido, m2 = Masa del agua, c2 = Calor especifico del
agua, T2 = Temperatura, TM = Temperatura de equilibrio. Al momento de que estos cuerpos
intercambian calor obtenemos que:
𝑄1 + 𝑄2 = 0
Ahora reemplazando Q1 y Q2 en la nueva fórmula obtenemos lo siguiente:
c1 m1 (T1 − T𝑀 ) + c2 m2 (T2 − T𝑀 ) = 0
Despejando hallamos la ecuación que necesitamos obteniendo que,
c1 m1 (T1 − T𝑀 ) = −c2 m2 (T2 − T𝑀 )
→ c1 = −
c2 m2 (T2 − T𝑀 )
m1 (T1 − T𝑀 )
𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟𝑖𝑧𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑔𝑛𝑜 " − " → c1 =
c2 m2 (T𝑀 − T2 )
m1 (T1 − T𝑀 )
6.1.2 Cálculos para llegar a la ecuación (8)
Para llegar a la ecuación 8, es prácticamente los mismos procedimientos que el anterior simplemente que
usaremos otra ecuación proporcionada en el documento. Como antes, usamos la fórmula de la cantidad
de calor transferida por el sólido.
Q1 = c1 m1 (T1 − T𝑀 )
Ya conocemos el significado de cada incógnita. La nueva fórmula que viene se usa puesto que
el vaso calorímetro también absorbe parte del calor transferido por el sólido, puesto que en el
anterior caso es un caso ideal donde el calorímetro no absorbe calor. Tendríamos que:
Q2 = c2 ( m2 + 𝑚𝑘 ) (T2 − T𝑀 )
Como en el anterior caso, al momento de que estos intercambian calor tenemos que:
𝑄1 + 𝑄2 = 0
Ahora reemplazando Q1 y Q2 en la fórmula obtenemos lo siguiente:
c1 m1 (T1 − T𝑀 ) + c2 ( m2 + 𝑚𝑘 ) (T2 − T𝑀 ) = 0
Despejando hallamos la fórmula que queremos.
c1 m1 (T1 − T𝑀 ) + c2 ( m2 + 𝑚𝑘 ) (T2 − T𝑀 ) = 0
→ c1 m1 (T1 − T𝑀 ) = −c2 ( m2 + 𝑚𝑘 ) (T2 − T𝑀 )
→ 𝑐1 = −
c2 ( m2 + 𝑚𝑘 ) (T2 − T𝑀 )
m1 (T1 − T𝑀 )
𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟𝑖𝑧𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑔𝑛𝑜 " − " → c1 =
c2 ( m2 + 𝑚𝑘 ) (T𝑀 − T2 )
m1 (T1 − T𝑀 )
6.2. Masa equivalente (mk)
Para la obtención de la masa equivalente en agua del calorímetro, utilizamos la siguiente
fórmula;
𝑚(𝑇 − 𝑇𝑒 )
𝑚𝑘 =
− 𝑀
𝑇𝑒 − 𝑇𝑜
Utilizamos los datos de la tabla 1, entonces tendremos:
𝑚𝑘 =
50(80 − 44.29)
− 125
44.29 − 30
Luego de realizar el cálculo obtenemos que:
𝑚𝑘 = −0.052
De este valor negativo lo que podemos interpretar es que puede haber ocurrido un problema de
calibración con los instrumentos utilizados. Pese a esto seguiremos utilizando este valor para
realizar los siguientes cálculos donde sea pertinente utilizar mk.
6.3 Calor especifico de los bloques utilizados (Situación ideal)
Para el cálculo del calor especifico de los bloques (aluminio y cobre), se utilizó la siguiente
formula:
𝑚2 (𝑇𝑒 − 𝑇2 )
𝑐1 = 𝑐2
𝑚1 (𝑇1 − 𝑇𝑒 )
C1 = calor especifico del bloque, C2 = Calor especifico del agua, m2= masa del agua, m1= masa
del bloque, 𝑇2 =temperatura del agua, 𝑇1 = temperatura del bloque, 𝑇𝑒 = temperatura de equilibrio.
Partiendo de la información anterior y los datos proporcionados por la tabla 2 y 3 tenemos
6.3.1 Calor especifico del bloque de aluminio (Situación ideal)
De la tabla 2 tomamos los datos necesarios y remplazamos en la formula explicada en el punto
anterior, luego de eso tenemos que:
Nota: calor específico del agua = 4.19 J/gC°
𝑐1 = 4.19 ∗
200(23.07 − 20)
50(80 − 23.07)
𝑐1 = 0.903 𝐽/𝑔𝐶°
6.3.2 Calor especifico del bloque de cobre (Situación ideal)
Se utiliza la misma metodología utilizada en el punto anterior, partiendo de eso, se obtiene:
𝑐1 = 4.19 ∗
200(21.35 − 20)
50(80 − 21.35)
𝑐1 = 0.385 𝐽/𝑔𝐶°
6.4. Calor especifico de los bloques utilizados (Situación real)
En este punto a diferencia del anterior si se tendrá en cuenta que el calorímetro si absorbe calor
del sistema, por lo tanto, se utiliza una formula diferente, la formula a utilizar es:
𝑐1 = 𝑐2
(𝑚2 + 𝑚𝑘 )(𝑇𝑒 − 𝑇2 )
𝑚1 (𝑇1 − 𝑇𝑒 )
6.4.1 Calor especifico del bloque de aluminio (Situación real)
Utilizando la formula dada en el punto anterior y el valor de 𝑚𝑘 calculado en el punto tres,
obtenemos:
𝑐1 = 4.19 ∗
(200 − 0.052)(23.07 − 20)
50(80 − 23.07)
𝑐1 = 0.903 𝐽/𝑔𝐶°
6.4.2 Calor especifico del bloque de cobre (Situación real)
Siguiendo el procedimiento del punto anterior, tenemos que:
𝑐1 = 4.19 ∗
(200 − 0.052)(21.35 − 20)
50(80 − 21.35)
𝑐1 = 0.385 𝐽/𝑔𝐶°
6.5 Análisis de resultados del punto 4 y 5.
Lo más evidente a la hora de analizar los resultados obtenidos con las diferentes fórmulas, es
que se obtiene el mismo resultado, esto puede ser debido a la magnitud tan pequeña del valor
de mk obtenido en el punto 6.2, por lo cual no se ve gran diferencia en los tres primeros
decimales de nuestros resultados
7. CONCLUSIONES
Al finalizar la experiencia de laboratorio se logró obtener un conocimiento más profundo y certero acerca
de cómo encontrar el calor especifico de un sólido, esto se obtuvo igualando a cero la sumatoria de la
cantidad de calor cedida y la cantidad de calor absorbida. Además, se encontró como inciden las diferentes
variables en el cálculo del calor especifico y cómo se comporta dicho calor al variar la masa y la diferencia
de temperatura de las sustancias utilizadas en el cálculo. Por otro lado, se alcanzó a comprender como se
determina la masa equivalente de un calorímetro por medio de las ecuaciones expresadas en la guía de
laboratorio de la cual también se analizó que influencia tienen las diferentes variables como masa y
diferencia de temperaturas en el resultado de esta masa equivalente.
8. BIBLIOGRAFÍA
Fourty, A., Bertinetti, M. and Foussats, A., 2021. Calor específico Calorimetría. [online]
Fceia.unr.edu.ar. Available at:
<https://www.fceia.unr.edu.ar/fisica2ecen/descargas/apuntes/Calorimetria.pdf> [Accessed 15
October 2021].