Calor Especifico Fiqui3.docx 4b6765

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE QUÍMICA E ING. QUÍMCA ING. AGROINDUSTRIAL

RESUMEN

El objetivo principal la experiencia fue la determinación del calor específico para dos alimentos (lenteja y arroz), mediante el método de mezclas, teniendo como instrumentos principal al calorímetro; comprender el fundamento del método de las mezclas y comprobar la eficacia del método. Este método consiste fundamentalmente en mezclar un cuerpo a temperatura conocida con un cuerpo distinto a otra temperatura, y medir la temperatura de la mezcla resultante, cuando la mezcla alcance una temperatura de equilibrio. Otro método para el cálculo del calor específico es el método de Choi y Okos, es un modelo empírico que permite calcular el valor de las propiedades termofísicas con los datos de composición del alimento (carbohidratos, proteínas, etc.) y temperatura. La experiencia arrojo 2.78% de error con respecto a la muestra de arroz, lo cual demuestra que la práctica desarrollada nos permitió hallar el calor especifico casi exacto. Tener los valores de calor específico de diferentes alimentos es de gran ayuda en la industria alimentaria, porque contribuye en diferentes procesos como: calentamiento, cocción, pasteurización, esterilización, preservación y congelamiento de alimento, gracias a este dato podremos cual es la temperatura de aguante del alimento, para no destruir su estructura química interna, (como proteínas, porcentaje de vitaminas, etc.) por la formación de cristales de agua, el volumen y la apariencia del producto.

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INTRODUCCIÓN El calor específico de una sustancia se define como la energía calorífica necesaria que hay que suministrar a toda la masa o cantidad total de moles de una sustancia determinada para elevar su temperatura en un grado kelvin o Celsius. El calor específico es una propiedad intensiva de la materia, por lo que es representativo de cada sustancia; por el contrario, la capacidad calorífica es una propiedad extensiva representativa de cada cuerpo o sistema particular. Cuanto mayor es el calor específico de las sustancias, más energía calorífica se necesita para incrementar la temperatura. En la carrera de Ing. agroindustrial es de gran utilidad, ya que contribuye en el proceso de congelamiento de alimentos, debido que se necesita tener conocimientos de una serie de características y datos del alimento a congelar; entre una de esas características encontramos el valor e importancia del calor específico de la muestra, ya que permite saber hasta qué punto puede ser congelado, sin destruir su estructura química interna, (como proteínas, agua, etc.) por la formación de cristales de agua, el volumen y la apariencia del producto.

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PRINCIPIOS TEORICOS

Capacidad calorífica específica o calor específico de una sustancia La capacidad calorífica, o calor específico, es la energía calorífica necesaria para aumentar 1ºC o 1K (si hablamos de incrementos es lo mismo) la temperatura de 1kg de masa de una sustancia a una presión de 1013 hPa, En el SI se expresa en J/kg·K y es una propiedad característica de las sustancias.

Esto significa que para que un kg de agua aumente 1ºC su temperatura a presión normal, se han de suministrar 4180 J de energía calorífica.

En general, conociendo la masa de sustancia, m, la variación de temperatura que experimenta, ΔT, y su capacidad calorífica específica se puede calcular la energía calorífica intercambiada o transferencia de calor, Q, según la fórmula: Q=m·c·ΔT Donde: m = masa de la sustancia c = capacidad calorífica específica ΔT = Tf – Ti (temperatura final menos temperatura inicial del sistema) Por ejemplo, para calentar una barra de 6kg de aluminio de 25ºC a 40ºC, sabiendo que la C del aluminio es de 895 J/kg·K Q = m·c·ΔT = 6 kg · 895 (J/K·Kg) · (40-25) = 80550 J

De acuerdo con la ley formulada por los químicos ses Pierre Louis Dulong y Alexis Thérèse Petit, para la mayoría de los elementos sólidos, el producto de su calor específico por su masa atómica es una cantidad aproximadamente constante. Si se expande un gas mientras se le suministra calor, hacen falta más calorías para aumentar su temperatura en un grado, porque parte de la energía suministrada se consume en el trabajo de expansión. Por eso, el calor específico a presión constante es mayor que el calor específico a volumen constante.

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http://www.erica.es/web/aislamiento-termico/ 4


La Capacidad calorífica molar ( Cm) Es la energía calorífica necesaria para aumentar 1K o 1ºC la temperatura de un mol de cualquier sustancia. En este caso, la transferencia de calor será:

Q= n·ΔT·Cm

Donde: n = número de moles Cm = capacidad calorífica molar ΔT = Tf - Ti (temperatura final menos temperatura inicial del sistema)

Cabe destacar que para el caso de sólidos y líquidos, la capacidad calorífica específica y la capacidad calorífica molar son iguales si el proceso se realiza a presión constante como se se realiza a volumen constante. No obstante, en el caso de los gases, estos parámetros varían, lo cual se indica con un subíndice v y p para el proceso a V=cte y P=cte respectivamente: Cv, , Cmv, Cmp, por lo que si en un ejercicio debemos calcular el calor transferido en el caso de un gas nos deben indicar si el proceso es isocoro o isobárico.

Calorimetría, Ciencia que mide la cantidad de energía generada en procesos de intercambio de calor. El calorímetro es el instrumento que mide dicha energía. El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro (que también puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose según se va enfriando el objeto. El calor latente, que no está relacionado con un cambio de temperatura, es la energía térmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa. Cuando la fuente de calor es una reacción química, como sucede al quemar un combustible, las sustancias reactivas se colocan en un envase de acero pesado llamado bomba. Esta bomba se introduce en el calorímetro y la reacción se provoca por ignición, con ayuda de una chispa eléctrica. 5


TABLA DE DATOS I.-DATOS EXPERIMENTALES TABLA 1: Condiciones del laboratorio PRESION(mmHg)

760

T (°C) % HR

20 98

TABLA 2: Datos de temperaturas para la Capacidad Calorífica del calorímetro (Ck) Agua: 100 ml Temperatura del agua (°C)

Calorímetro 21.2

Pera 44.6

Equilibrio 31.5

TABLA 3: Calor Específico de la muestra M1 de lenteja (Ces): Masa del lenteja: 30.0183 g. Agua: 250 mL

Calorímetro ( lenteja )

Pera (Agua)

Equilibrio

23.6

43.5

41.1

Temperatura (°C) TABLA 4: Calor Específico de la muestra M2 de lenteja (Ces): Masa del lenteja :30.0470 g. Agua: 250 mL

Calorímetro ( lenteja )

Pera (Agua)

Equilibrio

23.5

47.4

44.2

Temperatura (°C) TABLA 5: Calor Específico de la muestra M1 del arroz Ces): Masa del arroz : 30.0525 g. Agua: 250 mL

Calorímetro ( arroz )

Pera (Agua)

Equilibrio

24.9

43.9

41.5

Temperatura (°C)

6


TABLA 6: Calor Específico de la muestra M2 del arroz (peso 2) (Ces): Masa del arroz: 30.0092 g. Agua:250 mL

Calorímetro ( arroz )

Pera (Agua)

Equilibrio

24.6

44.9

41.8

Temperatura (°C) II.- DATOS TEÓRICOS

TABLA 7: Densidad y Calor Específico del agua a diferentes temperaturas: TEMPERATURA DENSIDAD (kg/ ) CALOR ESPECÍFICO ( )

44

47

45

990.64

989.36

990.22

4.179

4.18

4.18

TABLA 8: Calor Específico del arroz PRODUCTO

CALOR ESPECÍFICO (

Arroz

)

1.65

III.- RESULTADOS

TABLA 9: Masa del agua a diferentes temperaturas y diferentes volúmenes: Temperatura (°C)

44

47

Volumen (mL)

250

250

0.2480

0.2473

Masa del agua (Kg)

7


TABLA 10: Capacidad Calorífica del Calorímetro (Ck): Ck (cal/K)

27.184 CALORÍMETRO

TABLA 11: Calor Específico de las muestras M1 y M2 de lenteja (Ces): Lenteja

Ces (

)

0.951 M1 1.536 M2 TABLA 12: Calor Específico de las muestras M1 y M2 del arroz (Ces): arroz

Ces (

)

1.206 M1 2.186 M2

TABLA 13: Porcentaje de error del Calor Específico promedio del arroz(C es): Arroz

M1

Ces TEÓRICO ( )

Ces EXPERIMENTAL PROMEDIO (

1.65

) 1.696

M2

8

% ERROR

2.78


EJEMPLO DE CÁLCULOS 

PARA DETERMINACIÓN DE CAPACIDAD CALORÍFICA DEL CALORÍMETRO

Usamos: Donde: m: masa del agua (g) : Calor especifico del agua. (Se consideró 1 cal/g. K) : Temperatura del agua caliente (pera). : Temperatura del agua fría (calorímetro). : Temperatura de equilibrio. Tomando los datos de la Tabla 2, y reemplazándolos en la ecuación tenemos: La masa del agua se obtuvo a partir del volumen de 100ml , consideramos la densidad del agua igual a 1g/ml reemplazando se obtuvo la masa igual a 100g

(

) (

)



PARA DETERMINACION EL CALOR ESPECIFICO EN ARROZ Y LENTEJA: Utilizaremos la siguiente ecuación para la determinación de calor específico

: Masa de la muestra solidad, Kg : Calor específico de la muestra, KJ. : Capacidad calorífica del calorímetro y sus rios. : Masa del fluido, kg : Calor especifico del fluido KJ. : Temperatura de la muestra y del calorímetro, K : Temperatura inicial del fluido, K : Temperatura de equilibrio de la mezcla, K 9


 PARA LENTEJA: utilizamos los datos de la Tabla 4 OBS: se utiliza el dato de la Tabla 7 (densidad y calor específico del agua a diferente temperatura) Densidad a 47 del agua es aprox 989.36 kg/m3

m= 0.2473 kg (

)

(

)

+ 2.352KJ = 3.308 KJ

De la misma manera se determina para los datos de la Tabla 3.  Arroz: : utilizamos los datos de la Tabla 5 OBS: se utiliza el dato de la Tabla 7 (densidad y calor especifico del agua a diferente temperatura) Densidad a 43.9 ≈ 44 del agua es aprox 990.64 kg/m3

m=0.248 kg. (

)

(

)

10


De la misma forma se halla para los datos de la Tabla 6.

ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS  Según la literatura cuanto mayor es el calor específico de las sustancias, más energía calorífica se necesita para incrementar la temperatura nuestro calor específico hallado para el arroz fue 1.696 KJ/kg.K y de la lenteja 1.243 KJ/kg.K por lo que podríamos decir que el arroz necesita mayor energía en comparación con lenteja para poder incrementar la temperatura.  Estos datos los pudimos hallar gracias a que primero determinamos la capacidad calorífica del calorímetro para poderlo reemplazar luego en la formula dada.

 La temperatura de equilibrio era superior a la temperatura inicial esto se debe a que la temperatura dentro del calorímetro era menor a la temperatura de la pera por ello cuando ambas entraban en o (el agua de la pera entraba al calorímetro) la temperatura marcada dentro del calorímetro subia hasta una determinada y la cual se mantenía

11


CONCLUSIONES 

Se comprobó el principio de la conservación de la energía, el cual establece que la energía total inicial de un sistema es igual a la energía final total del mismo sistema.



Se afianzo los conceptos de calor, temperatura y calor específico.



El calor es energía que es transferida de un sistema a otro, debido a que se encuentran a diferentes niveles de temperatura. Por esta razón, al poner los dos cuerpos en o, el que se encuentra a mayor temperatura transfiere calor al otro hasta que se logra el equilibrio térmico.



Cuando la temperatura del sistema aumenta Q y ∆T se consideran positivas, lo que corresponde a que la energía térmica fluye hacia el sistema, cuando la temperatura disminuye, Q y ∆T son negativas y la energía térmica fluye hacia fuera del sistema.



El equilibrio térmico se establece entre sustancias en o térmico por la transferencia de energía, en este caso calor; para calcular la temperatura de equilibrio es necesario recurrir a la conservación de energía ya que al no efectuarse trabajo mecánico la energía térmica total del sistema se mantiene.

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RECOMENDACIONES 

Para obtener los pesos de las muestras lo más exacto posible debemos de asegurarnos de que la balanza este en una superficie lisa y este calibrada.



Al momento de hacer las lecturas de temperatura de las muestras debemos de llevar el termómetro a 0°C y colocarlo dentro de la muestra y no tocarla, ya que si lo hacemos transferimos energía a la muestra y la lectura obtenida no sería la correcta.



Para bajar la lectura del termómetro se puede dejar que lo haga al medio ambiente o podemos colocarlo un momento en el hielo, lo retiramos y procedemos a realizar la lectura.



En la parte de la práctica correspondiente a determinación de calor específico de las muestras, el calorímetro debe estar completamente seco antes de colocar dentro la muestra.



Para determinar la temperatura de equilibrio debe ser la que se mantenga constante

13


BIBLIOGRAFÍA  Diseño y gestión de cocinas: Manual de higiene alimentaria aplicada al sector de la restauración,Luis eduardo montes, irene lloret y miguel A. lopez, 2013 (libro electronico), editores >Dias de santos S.a. albasanz,.2 28037 Madrid

REFERENCIA DE WEB

 http://www.monografias.com/trabajos35/calor-especifico/calorespecifico.shtml  http://blog.espol.edu.ec/cjbernal/files/2011/10/informe-6-calorespecifico-de-solidos.pdf  http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/qui/denh2o.pdf  http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/qui/caloresph2o.pdf  http://www.uclm.es/profesorado/ajbarbero/Practicas/08_Calorimetria.pdf  http://es.slideshare.net/ronoroca/informe-calor-especfico  http://www.ual.es/~mnavarro/Practica14.pdf  http://www.consumer.es/seguridad-alimentaria/sociedad-yconsumo/2003/09/26/8513.php  http://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/12657/15.%20Art%C3%ADc ulo%20docente.%20Determinaci%C3%B3n%20del%20calor%20espec% C3%ADfico%20de%20una%20sustancia.pdf?sequence=1  http://www.bdigital.unal.edu.co/13307/1/797-4818-1-PB.pdf  http://www.scielo.org.co/pdf/dyna/v77n164/a30v77n164  http://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/12657/15.%20Art%C3%ADc ulo%20docente.%20Determinaci%C3%B3n%20del%20calor%20espec% C3%ADfico%20de%20una%20sustancia.pdf?sequence=1  file:///C:/s//s/capacidades%20calorifica.pdf  http://es.idoub.com/doc/157161774/capacidad-calorifica  http://www.fis.cinvestav.mx/~smcsyv/supyvac/20_3/SV2031707.pdf

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APÉNDICE CUESTIONARIO 1. Presente un cuadro comparativo entre tres o más métodos para calcular el calor específico de sólidos.

LEY DE DULONG Y PETIT. REGLA DE KOPP

Es una ampliación de la ley y plantea que:" la capacidad calorífica de un compuesto es aproximadamente igual a la suma dela capacidad calorífica de los elementos que lo constituyen". Para elementos de masa atómica inferior al potasio se asignan valores calculados a partir de datos experimentales. La regla se aplica a los líquidos, usando unos valores modificados para la capacidad calorífica de los diferentes elementos.

MÉTODO DE CHUE SWANSON

Este método predice la capacidad calorífica de líquidos a 293k basado en la contribución de grupos; donde se asume que los grupos en una molécula contribuyen en forma definitiva al valor del calor especifico independiente de los demás grupos presentes. Este entrega resultados bastantes exacto, menores al 3%

MÉTODO DE RELAJACIÓN TÉRMICA Se utiliza para la determinación de capacidad calorífica en muestras sólidas pequeñas a temperatura ambiente (T°). La técnica de relajación térmica se basa en perturbar, mediante iluminación constante, el estado de equilibrio termodinámico de una muestra suspendida adiabáticamente dentro de una celda en la que se hace vacío, y la posterior medición de la variación en el tiempo de su temperatura absoluta T. Si la desviación del sistema del estado de equilibrio es pequeña (ΔT << T0) la relajación semanifiesta de acuerdo con la ley. (

)

Donde Ti es el valor inicial de T. A partir del valor medido de τ, el tiempo de relajación o constante de tiempo del sistema, se puede obtener el de la capacidad calorífica específica de la muestra, si el espesor de la misma es conocido.

2. Cite un ejemplo concreto de la utilidad del calor específico en la industria alimentaria CONGELACIÓN DE ALIMENTOS Los alimentos son sistemas multi-componentes, donde existen minerales y compuestos orgánicos, incluyendo ácidos, grasas, proteínas, sales y azúcares dispersos en el agua, que es el principal componente de los alimentos. El punto de congelación de un alimento es menor que el del agua pura. Una depresión

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del punto de congelación se observa como consecuencia de los componentes de los alimentos. Como mencionan Rahman, et al. (2008), debido al alto

contenido de agua en la mayoría de los alimentos, crudos, estos tienen un punto de congelación entre 0 °C y -3.9 °C. Otros alimentos con bajos contenidos de humedad alcanzan puntos más bajos de congelación como consecuencia de su alto contenido de sólidos. CALOR ESPECÍFICO APARENTE El calor específico se define; como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura en un grado para una unidad de masa de un producto alimenticio. La unidad para el calor específico es por lo tanto, normalmente J / kg ºC. El calor específico de un alimento se puede predecir a partir de la composición del alimento y del calor específico de cada componente.

Hasta la fecha, el modelo matemático aceptado para la predicción del calor específico, es el propuesto Choi y Okos. (1986). Quienes en un extenso estudio y análisis de datos del calor específico para diversos alimentos con diferentes composiciones y en diferentes rangos de temperatura, exponen las correlaciones en la tabla 02.Si consideramos que existe un cambio de fase, como es el caso en el proceso de congelación, el calor latente debe ser incorporado, es por eso que se le conoce como calor específico aparente.

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Predicción del calor específico aparente de un vegetal (Zapallo) congelado en función de la temperatura. Según Heldman (2007), el calor específico aparente de un alimento congelado se incrementa al aumentar la temperatura, hasta alcanzar la temperatura inicial de congelación. En la temperatura inicial de congelación, el calor específico aparente alcanza su máximo valor. Durante la congelación, hay una caída rápida en el calor específico aparente, debido a la eliminación del calor latente de fusión en la región cercana al punto inicial de congelamiento. 3.

Señale y explique dos o más métodos para calcular el calor específico de líquidos.

METODO DE CALLENDAR Por el interior del calorímetro tipo Callendar circula una corriente de agua a flujo constante, que se calienta mediante una resistencia eléctrica conectada a una fuente de alimentación en corriente alterna. Al cabo de un cierto tiempo se alcanza un régimen estacionario y la 17


temperatura de salida del agua, t2, permanece constante. Se lee esta temperatura, así como la temperatura de entrada del agua, t 1, y la potencia que se disipa en la resistencia, W. Por último, se determina el flujo de agua φ que circula por el calorímetro recogiendo en un vaso la masa m que sale del Callendar en un tiempo τ (φ = m/τ ). La primera ley de la termodinámica (conservación de la energía) aplicado al sistema abierto constituido por el calorímetro, se obtiene:

(Se ha despreciado el salto de energía potencial y la variación de energía cinética es nula). Si hacemos pasar por la resistencia R una corriente de I amperios, estableciendo para ello una diferencia de potencial de V voltios entre sus extremos, la potencia eléctrica comunicado a la resistencia vendrá dado por la ley de Ohm:

A la vez que esta corriente pasa por la resistencia se abre una válvula que deja pasar agua por el tubo que la contiene, y que está provisto de un recubrimiento aislante para reducir las pérdidas de calor al ambiente K, único flujo de calor intercambiado con el exterior: Q = K Una vez alcanzado el régimen estacionario (dE / dt =0 ), es decir cuando la temperatura que marquen los sensores para la entrada y la salida del agua en el calorímetro no varíe, se puede considerar que la temperatura del sistema no cambia con el tiempo cumpliéndose:

El trabajo eléctrico suministrado a la resistencia se desprende en forma de calor que será igual

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al calor que pasa al agua más las pérdidas del aparato, cumpliéndose (3.) donde : T1 : Temperatura del agua a la entrada del calorímetro [K] . T2 : Temperatura del agua a la salida del calorímetro [K] . K : Pérdidas de calor al ambiente [W] . m : Caudal de agua [kg/s] . : Calor específico del agua [J/kg.K]

Después de otros cálculos más, finalmente se obtiene:

Método de Missenard Existen tres capacidades caloríficas de líquidos que tienen interés práctico: , C y Csat. La primera representa la variación de entalpía con la temperatura a presión constante, la segunda la variación de entalpía con la temperatura de un líquido saturado y la tercera la energía requerida para producir un cambio de temperatura enla sustancia cuando está en estado saturado. Los valores de las tres son muy parecidos entre sí en prácticamente cualquier estado, excepto en el punto crítico y nosotros no distinguiremos entre las distintas formas utilizando los términos genéricos capacidad calorífica o calor específico para referirnos a cualquiera de ellas. La capacidad calorífica de los líquidos no depende fuertemente de la temperatura, aunque importa conocer su variación con la misma. Es prácticamente independiente de la presión.

(

: calor experimental del cao especifico °: calor específico del gas ideal a la misma temperatura R: constante universal 19

)


factor acéntrico Tr: temperatura reducida

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