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Universidad de Costa Rica
Escuela de Física
CALOR ESPECÍFICO Y CALOR LATENTE Objetivos: -
Evaluar experimentalmente el valor del calor específico de diferentes sustancias.
-
Evaluar experimentalmente el valor del calor latente de fusión del agua.
Equipo: -
Calorímetro Beakers de 400, 600, 1000 cm3 Caldera (TD-8556A) Balanza Hielo Cilindros metálicos de tres metales diferentes (hierro, bronce, cobre o aluminio) ScienciaWokshop interface 750 2 Sensor de temperatura o thermistor sensor (pasco – Cl – 6505A) o sensor de temperatura de acero inoxidable (pasco CI 6605) Probetas de 30 cm3 y 250 cm3 Toallas de papel
Nota teórico: El calor es la energía que fluye de un objeto a alta temperatura a un objeto de baja temperatura, debido a la diferencia de temperaturas. La propiedad del agua que permitió la definición original de la caloría, es la medida del cambio de temperatura que experimenta el agua cuando absorbe o libera una cantidad de calor. El término general para esta propiedad es el de capacidad calorífica y se define como la cantidad de calor necesaria para cambiar la temperatura de un objeto en 1 K (1 C°). La capacidad calorífica es una propiedad extensiva, lo que significa que su magnitud depende del tamaño de la muestra. Por ejemplo, para elevar 1 C° la
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temperatura de 1 g de agua se requieren 4,18 J (1 cal) pero para cambiar la temperatura de 100 g de agua 1 C° se requerirá 100 veces esta energía. La muestra de 1 g tiene una capacidad calórica de 4,18 J/°C, mientras que la muestra de 100 g tiene una capacidad calorífica de 418 J/°C. Una propiedad intensiva que se relaciona con la capacidad calorífica es el calor específico, el cual se define como la cantidad de calor necesaria para elevar 1 °C la temperatura de 1 g de una sustancia. Para el agua, el calor específico es de 4,18 J/ g C°. La mayoría de las sustancias tienen calores específicos mucho más pequeños. Por ejemplo, el hierro tiene un calor específico de sólo 0,452 J / g K. Esto significa que se requiere menos calor para elevar 1 g de hierro que el que se necesita para elevar la temperatura del agua. Lo que significa también que una cantidad dada de calor elevará más la temperatura de 1 g de hierro de lo que haría 1 g de agua. El calor específico elevado del agua modera los efectos que ejerce el mar sobre el clima. Estas grandes masas de agua se enfrían con mayor lentitud en invierno que las grandes extensiones de tierra; de esta manera el aire que llega a Tierra después de pasar sobre el mar nunca estará tan frío como el aire que ha pasado sobre las grandes extensiones de tierra. Similarmente, en verano, el aire cerca del mar estará tan caliente como el aire de la parte central de los continentes, porque el mar se calienta más lentamente que las grandes extensiones de tierra. Si Q es la cantidad de calor que hay que dar (o quitar) a una masa m de un cuerpo para subir su temperatura de t1 a t2, se puede definir el calor específico promedio del cuerpo entre t1 y t2 como:
c=
Q m ( t 2 − t1 )
(1)
El calor latente es el calor que absorbe o da una cierta unidad de materia durante su cambio de estado físico o químico a temperatura constante. Puede ser por ejemplo, un calor de disolución, de dilución o de reacción química, pero en lo que se refiere a la termodinámica de nuestro curso, los calores latentes que nos interesan son: •
El calor latente de fusión: Calor necesario para hacer pasar la unidad de masa de un cuerpo del estado sólido al estado líquido sin cambiar su temperatura.
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El calor latente de vaporización: Calor necesario para hacer pasar la unidad de masa de un cuerpo del estado líquido al estado gaseoso sin cambiar su temperatura.
En la Tabla 1 podemos ver los valores de estos para algunas sustancias comunes. Tabla 1: Algunos Datos de importancia para la práctica FUSIÓN
EVAPORACIÓN Temperatura Calor Temperatura Calor Latente de Latente SUSTANCIA de fusión Q evaporación Q Tf (kJ / kg) Tev (kJ / kg) (K) (K) Cobre 1356 205 2609 4796 Plomo 601 22,9 2023 859 Aluminio 932 399 2600 10530 Agua 273 333,7 373 2259
Calor Específico C (kJ/kg K) 0,39 0,13 0,90 4,18
En general, si Q es la cantidad de calor necesaria que se le debe agregar a una masa m de una sustancia dada, para que esta sufra un cambio de estado, podemos definir al calor latente de ese cambio de estado como:
h=
Q m
(2)
En nuestro experimento emplearemos el procedimiento conocido como método de mezclas, el cual se basa en el principio de conservación de la energía y, por ser el calor una forma de energía, podemos asegurar que cuando dos o más sustancias a diferentes temperaturas se mezclan, la cantidad de calor perdida por una(s) de las sustancias es igual a la cantidad de calor ganada por la(s) otra(s), en el entendido de que no tendremos perdidas de energía al transformarse este en otra forma de energía. El procedimiento permite determinar el calor específico de un sólido al medir la cantidad de calor cedida por cierta cantidad de él a una temperatura alta al mezclarse con agua a baja temperatura en un calorímetro.
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El calorímetro es un recipiente diseñado para minimizar el flujo de calor hacia (o desde) el ambiente que la rodea. Aun así, siempre habrá flujo de energía entre la mezcla y el ambiente. Obviándolas, podemos plantear la conservación de la energía como:
Qcedido + Qganado = 0
(3)
Por ejemplo, si tenemos un trozo de metal de masa mM, al que se quiere determinarle el valor de su calor especifico (cM), el cual se encuentra a una temperatura TM, y lo colocamos en un calorímetro que contiene una masa de agua conocida mH2O y calor especifico cH2O, a una temperatura TH2O, al cabo de cierto tiempo ambos tendrán una misma temperatura (Teq) de equilibrio, la ecuación (3) toma la forma siguiente: mM *cM * (Teq – TM) + mH20 * cH2O * (Teq – TH2O) + K * (Teq – TH2O) = 0
(4)
En la ecuación anterior, el termino K * (Teq – TH2O) representa la posible participación que pueda tener el calorímetro, en caso de que este no participe tomara el valor de cero (K = 0). También podemos emplear el método de mezclas para determinar el calor de fusión del hielo pero dos precauciones son necesarias: Primera, el hielo debe estar seco, de lo contrario la masa del agua adherida a él se consideraría como de hielo introduciendo un error relativamente grande, pero es fácil de evitar, con solo secar el hielo antes de introducirlo al calorímetro. Segundo, debemos considerar los efectos de radiación (ver experimento en este manual) puesto que este proceso no es rápido como el anterior. Al principio el agua está a mayor temperatura y el proceso es más rápido pero al ir derritiéndose el hielo la temperatura del agua baja y, el proceso es cada vez más lento; durante esta etapa el calorímetro absorbe más calor del ambiente que el que irradió en la primera etapa, con el resultado de que la temperatura del agua no bajará tanto como lo habría hecho si el hielo fuera la única influencia. Rowland1 diseñó un método para considerar este error al determinar la temperatura que el calorímetro habría alcanzado si no hubiese radiación. Por ser la teoría algo complicada, no la consideremos aquí, pero se describirá el proceso.
1
Para conocer su autobiografía diríjase a: http://www.nobel.se/chemistry/laureates/1995/rowland-autobio.html
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Figura 1: F. Sherwood Rowland
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Figura 2: Método de Rowland
La figura 2 muestra la variación de temperatura con el tiempo. La línea AB es el enfriamiento (proceso lento) del calorímetro antes de ponerle el hielo, la curva BCD muestra la variación al poner el hielo y mientras éste se derrite. El segmento DE muestra el aumento en la temperatura del calorímetro una vez que el hielo se derritió y se mezcló con el agua. Si no se hubiere añadido hielo AB continuaría hacia F. La extensión de DE hasta G muestra como se hubiera calentado el calorímetro en esta etapa si hubiera empezado a una temperatura menor. Para hallar la línea FCG (que debe ser vertical) que representaría un proceso instantáneo en el que se derrite el hielo y se enfría el agua, la teoría exige que las 2 áreas sombreadas sean iguales. Así que la verdadera diferencia de temperatura es entre F y G y no entre B y D, que son las que se miden. Al aplicar la ecuación (3) tenemos lo siguiente: mH2O cH2O (TF – TG) + K (TF – TG) – mHIELO hHIELO + mHIELO cH2O (0 – TG) = 0
(5)
donde m es la masa, c el calor especifico, para cada una de las sustancias indicadas y T la temperatura en los puntos indicados en la figura 2. Procedimiento: EXPERIMENTO A: Determinación de calor especifico de un metal 1. Coloque agua en la caldera, que esta alcance aproximadamente tres y póngala a calentar.
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2. Revise que la Interface ScienceWorkshop esté conectada al computador y a la toma de corriente. 3. Proceda a poner en funcionamiento la Interface y luego su computador, la clave para iniciar se encuentra indicada contiguo a la pizarra. 4. Proceda a activar el programa DataStudio, seleccione “crear experimento”. 5. Proceda a colocar el sensor de temperatura a alguno de los canales A,B o C, y desde el menú izquierdo seleccione medidor digital. 6. Primero evaluaremos que tan ideal es nuestro calorímetro, para ello agregue una masa conocida de agua en el calorímetro (complete la Tabla 2), con ayuda del sensor de temperatura determine la temperatura de dicha agua. Si les es posible trate de que se encuentre cinco grados menor que la del ambiente. (recuerde que por ser agua, un mililitro de agua es equivalente a un gramo de agua). 7. Coloque el sensor de temperatura en el calorímetro, en el programa Data Studio, prepare la construcción de una grafica de temperatura contra tiempo, de inicio a la toma de datos, selecciones una frecuencia de muestreo baja, 2 s. 8. Coloque una cantidad conocida de agua caliente en un beaker , de la que se encuentra caliente en la caldera, recuerde medir su temperatura. 9. Mezcle en el calorímetro el agua caliente con la que se encuentra en él. (complete la Tabla 2), agite cuidadosamente la mezcla, observe la grafica de temperatura, determine la temperatura de equilibrio (debe estar observando con sumo cuidado el gráfico mientras agita, la temperatura más alta alcanzada es la de equilibrio Teq). 10. Repita este experimento una vez más (pasos 6 al 9). OBSERVACIÓN: TENGA CRISTALERIA.
CUIDADO DE NO QUEMARSE, NI QUEBRAR LA
11. Coloque el cilindro de metal en la caldera, y deje que este alcance el equilibrio con el agua caliente, debe esperar aproximadamente 15 min.
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12. Prepare el agua que pondrá en el calorímetro, mida su masa (mH2O) y su temperatura TH2O, nuevamente trate de que sea unos cinco grados menor a la ambiente (use hielo para enfriarla, solo para enfriarla, así que este no debe estar junto al agua cuando se coloque el metal). 13. Coloque el sensor de temperatura en el calorímetro, en el programa Data Studio, prepare la construcción de una grafica de temperatura contra tiempo, de inicio a la toma de datos, selecciones una frecuencia de muestreo baja, 2 s. 14. Cuando el cilindro adquiera una temperatura constante, cercana a 100 ºC, (cuando haya permanecido unos 15 minutos en el agua caliente), introdúzcalo en el calorímetro, agite levemente, observe la grafica de temperatura, determine la temperatura de equilibrio (debe estar observando con sumo cuidado el gráfico mientras agita, la temperatura más alta alcanzada es la de equilibrio Teq). 15. Registre el valor más alto alcanzado, este será Teq. Recuerde ir completando la Tabla 2. Tabla 2: Determinación del calor especifico de un metal
SUSTANCIA EXPERIMENTO
Evaluación del calorímetro Evaluación del calorímetro Determinación del calor especifico del metal Determinación del calor especifico del metal
MASA m (kg)
TEMPERATURA T (ºC) INICIAL FINAL (EQUILIBRIO)
Agua fría Agua caliente Agua fría Agua caliente Agua en calorímetro Cilindro metálico Agua en calorímetro Cilindro metálico
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EXPERIMENTO B: Determinación de calor latente de fusión del hielo. 1. Pese el calorímetro sin el agua. 2. Coloque en el calorímetro unos 150 g de agua calentada aproximadamente 10 ºC arriba de la temperatura ambiente. 3. Pese el calorímetro con el agua. 4. Coloque el sensor de temperatura en el calorímetro, en el programa Data Studio, prepare la construcción de una grafica de temperatura contra tiempo, de inicio a la toma de datos, selecciones una frecuencia de muestreo baja, 1 s. 5. Prepare unos 40 g de hielo y séquelos muy bien con la toalla de papel. Inmediatamente después añada el hielo al calorímetro y continué midiendo cada la temperatura, finalice cinco minutos después de medir la temperatura más baja, tratando de agitar bien la mezcla. 6. Pese el calorímetro con el agua de nuevo y determine con precisión la masa del hielo agregado, anote sus resultados en la Tabla 3. Tabla 3: Método de Rowland
SITUACIÓN / MASA
Primer Caso Temperatura T (ºC)
Segundo Caso Temperatura T (ºC)
ANTES DE AGREGAR EL HIELO Masa de agua mH2O = __________ g DESPUÉS DE AGREGAR EL HIELO Masa de hielo mHIELO = __________ g Masa del calorímetro con agua: Masa del calorímetro con agua más el hielo derretido:
_________________ g _________________ g
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Resultado: 1- Con ayuda de la ecuación (3) plantee un balance de energía que le permita determinar si el calorímetro tiene un papel importante en nuestro experimento, recuerde tomar encuentra la participación del agua a temperatura ambiente, el agua caliente y, el calorímetro, utilice la información de la Tabla 2. La siguiente ecuación le puede ayudar un poco:
Qagua caliente + Qagua en calorímetro + K ∆T = 0
(6)
Recuerde que el tercer termino representa al calorímetro (termino que deseamos conocer) y que si la suma de los dos anteriores no da cero, dicho situación permitirá determinar el valor de K. Determínelo, ¿Qué significado tiene un valor de K igual a cero? ¿Qué significa el signo del valor de esta Constante? 2- Empleando la información de la Tabla 2 y con ayuda de la ecuación (4) determine el valor del calor especifico del cilindro metálico. Determine su porcentaje de error, comparándolo con el reportado en la literatura (ver Tabla 1), recuerde incluir la participación del calorímetro en el caso de que K sea diferente de cero. 3- Con la información de la Tabla 3, y la grafique temperatura en función de tiempo construida, extienda las líneas AB y DE y localice la línea FG (recuerde, esta es vertical) que hace iguales las áreas sombreadas en la figura 2. 4- Con los valores de la masa del calorímetro con agua antes y después de agregar el hielo, determine la masa de hielo agregada. 5- Con ayuda de la nota teórica, la ecuación (5) y los dos puntos anteriores determine el calor latente de fusión del hielo. (Recuerde incluir la participación del calorímetro en el caso de que K sea diferente de cero) 6- Determine el porcentaje de error cometido en el valor calculado del calor latente del hielo, al compararlo con el reportado en la literatura.
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7- Realice nuevamente sus cálculos anteriores, al tomar en cuenta el error cometido, si 0,5 g de agua líquida se adhirieron al hielo al introducirlo al calorímetro. NOTA: Recuerde no abrir por mucho tiempo la tapa del calorímetro cuando se vayan a hacer las mezclas finales, pues su efectos se observa ampliamente en las graficas de temperatura, y en tal caso debe repetir el experimento. Cuestionario: 1. ¿Enumere los principales errores cometidos en este experimento? 2. ¿De qué forma se pueden corregir los errores cometidos en esta experiencia de laboratorio? 3. ¿Qué característica debe tener un calorímetro ideal?
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EVALUAR UN CALORIMETRO
PARA
PARA
CALORIMETRIA
CANTIDAD DE CALOR QUE SE AGREGA A UNA MASA DE UNA SUSTANCIA PARA QUE SU TEMPERATURA VARIÉ EN UN GRADO
DETERMINAR EXPERIMENTALMENTE EL CALOR ESPECÍFICO Y CALOR LATENTE DE ALGUNAS SUSTANCIAS
DETERMINAR
DETERMINAR SE DEFINE
SE DEFINE
CALOR ESPECÍFICO CALOR LATENTE EN EL LABORATORIO
CANTIDAD DE CALOR QUE SE AGREGA A UNA MASA PARA LOGRAR UN CAMBIO EN SU ESTADO DE AGREGACIÓN
DETERMINAR EN EL LABORATORIO CALOR ESPECIFICO DE UN METAL
EVALUAR CALORÍMETRO
PREPARAR
AGUA FRIA
AGUA EN CALORÍMETRO VOLUMEN DEFINIDO DE AGUA
CALENTAR
PREPARAR
CONECTAR
SENSORES A INTERFASE Y ESTA LA PC
COLOCAR
CILINDRO EN AGUA CALIENTE
AGUA CALIENTE
LUEGO SENSOR EN CALORIMETRO
LUEGO MEZCLAR
MEZCLAR
COLOCAR EN CALORÍMETRO CON QUE CONTIENE VOLUMEN DEFINIDO DE AGUA
CALORÍMETRO VOLÚMENES ESPECÍFICOS
AGREGAR MASA DEFINIDA DE HIELO
MEDIR LA T
MEDIR DETERMINAR TEMPERATURA DE EQUILIBRIO CALOR ESPECIFICO DETERMINAR
CONSTRUIR
GRÁFICA DE TEMPERATURA CONTRA TIEMPO
DETERMINAR ANALIZAR
INTERVENCIÓN DEL CALORÍMETRO
RESULTADOS Y OBTENER CALOR LATENTE
ANALIZAR
RESULTADOS Y OBTENER % DE ERROR
OBTENER % DE ERROR
Figura 3: Resumen de la práctica
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CALOR ESPECÍFICO Y CALOR LATENTE Objetivos: -
Evaluar experimentalmente el valor del calor específico de diferentes sustancias.
-
Evaluar experimentalmente el valor del calor latente de fusión del agua.
Equipo: -
Calorímetro Beakers de 400, 600, 1000 cm3 Caldera (TD-8556A) Balanza Hielo Cilindros metálicos de tres metales diferentes (hierro, bronce, cobre o aluminio) ScienciaWokshop interface 750 2 Sensor de temperatura o thermistor sensor (pasco – Cl – 6505A) o sensor de temperatura de acero inoxidable (pasco CI 6605) Probetas de 30 cm3 y 250 cm3 Toallas de papel
Nota teórico: El calor es la energía que fluye de un objeto a alta temperatura a un objeto de baja temperatura, debido a la diferencia de temperaturas. La propiedad del agua que permitió la definición original de la caloría, es la medida del cambio de temperatura que experimenta el agua cuando absorbe o libera una cantidad de calor. El término general para esta propiedad es el de capacidad calorífica y se define como la cantidad de calor necesaria para cambiar la temperatura de un objeto en 1 K (1 C°). La capacidad calorífica es una propiedad extensiva, lo que significa que su magnitud depende del tamaño de la muestra. Por ejemplo, para elevar 1 C° la
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temperatura de 1 g de agua se requieren 4,18 J (1 cal) pero para cambiar la temperatura de 100 g de agua 1 C° se requerirá 100 veces esta energía. La muestra de 1 g tiene una capacidad calórica de 4,18 J/°C, mientras que la muestra de 100 g tiene una capacidad calorífica de 418 J/°C. Una propiedad intensiva que se relaciona con la capacidad calorífica es el calor específico, el cual se define como la cantidad de calor necesaria para elevar 1 °C la temperatura de 1 g de una sustancia. Para el agua, el calor específico es de 4,18 J/ g C°. La mayoría de las sustancias tienen calores específicos mucho más pequeños. Por ejemplo, el hierro tiene un calor específico de sólo 0,452 J / g K. Esto significa que se requiere menos calor para elevar 1 g de hierro que el que se necesita para elevar la temperatura del agua. Lo que significa también que una cantidad dada de calor elevará más la temperatura de 1 g de hierro de lo que haría 1 g de agua. El calor específico elevado del agua modera los efectos que ejerce el mar sobre el clima. Estas grandes masas de agua se enfrían con mayor lentitud en invierno que las grandes extensiones de tierra; de esta manera el aire que llega a Tierra después de pasar sobre el mar nunca estará tan frío como el aire que ha pasado sobre las grandes extensiones de tierra. Similarmente, en verano, el aire cerca del mar estará tan caliente como el aire de la parte central de los continentes, porque el mar se calienta más lentamente que las grandes extensiones de tierra. Si Q es la cantidad de calor que hay que dar (o quitar) a una masa m de un cuerpo para subir su temperatura de t1 a t2, se puede definir el calor específico promedio del cuerpo entre t1 y t2 como:
c=
Q m ( t 2 − t1 )
(1)
El calor latente es el calor que absorbe o da una cierta unidad de materia durante su cambio de estado físico o químico a temperatura constante. Puede ser por ejemplo, un calor de disolución, de dilución o de reacción química, pero en lo que se refiere a la termodinámica de nuestro curso, los calores latentes que nos interesan son: •
El calor latente de fusión: Calor necesario para hacer pasar la unidad de masa de un cuerpo del estado sólido al estado líquido sin cambiar su temperatura.
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El calor latente de vaporización: Calor necesario para hacer pasar la unidad de masa de un cuerpo del estado líquido al estado gaseoso sin cambiar su temperatura.
En la Tabla 1 podemos ver los valores de estos para algunas sustancias comunes. Tabla 1: Algunos Datos de importancia para la práctica FUSIÓN
EVAPORACIÓN Temperatura Calor Temperatura Calor Latente de Latente SUSTANCIA de fusión Q evaporación Q Tf (kJ / kg) Tev (kJ / kg) (K) (K) Cobre 1356 205 2609 4796 Plomo 601 22,9 2023 859 Aluminio 932 399 2600 10530 Agua 273 333,7 373 2259
Calor Específico C (kJ/kg K) 0,39 0,13 0,90 4,18
En general, si Q es la cantidad de calor necesaria que se le debe agregar a una masa m de una sustancia dada, para que esta sufra un cambio de estado, podemos definir al calor latente de ese cambio de estado como:
h=
Q m
(2)
En nuestro experimento emplearemos el procedimiento conocido como método de mezclas, el cual se basa en el principio de conservación de la energía y, por ser el calor una forma de energía, podemos asegurar que cuando dos o más sustancias a diferentes temperaturas se mezclan, la cantidad de calor perdida por una(s) de las sustancias es igual a la cantidad de calor ganada por la(s) otra(s), en el entendido de que no tendremos perdidas de energía al transformarse este en otra forma de energía. El procedimiento permite determinar el calor específico de un sólido al medir la cantidad de calor cedida por cierta cantidad de él a una temperatura alta al mezclarse con agua a baja temperatura en un calorímetro.
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El calorímetro es un recipiente diseñado para minimizar el flujo de calor hacia (o desde) el ambiente que la rodea. Aun así, siempre habrá flujo de energía entre la mezcla y el ambiente. Obviándolas, podemos plantear la conservación de la energía como:
Qcedido + Qganado = 0
(3)
Por ejemplo, si tenemos un trozo de metal de masa mM, al que se quiere determinarle el valor de su calor especifico (cM), el cual se encuentra a una temperatura TM, y lo colocamos en un calorímetro que contiene una masa de agua conocida mH2O y calor especifico cH2O, a una temperatura TH2O, al cabo de cierto tiempo ambos tendrán una misma temperatura (Teq) de equilibrio, la ecuación (3) toma la forma siguiente: mM *cM * (Teq – TM) + mH20 * cH2O * (Teq – TH2O) + K * (Teq – TH2O) = 0
(4)
En la ecuación anterior, el termino K * (Teq – TH2O) representa la posible participación que pueda tener el calorímetro, en caso de que este no participe tomara el valor de cero (K = 0). También podemos emplear el método de mezclas para determinar el calor de fusión del hielo pero dos precauciones son necesarias: Primera, el hielo debe estar seco, de lo contrario la masa del agua adherida a él se consideraría como de hielo introduciendo un error relativamente grande, pero es fácil de evitar, con solo secar el hielo antes de introducirlo al calorímetro. Segundo, debemos considerar los efectos de radiación (ver experimento en este manual) puesto que este proceso no es rápido como el anterior. Al principio el agua está a mayor temperatura y el proceso es más rápido pero al ir derritiéndose el hielo la temperatura del agua baja y, el proceso es cada vez más lento; durante esta etapa el calorímetro absorbe más calor del ambiente que el que irradió en la primera etapa, con el resultado de que la temperatura del agua no bajará tanto como lo habría hecho si el hielo fuera la única influencia. Rowland1 diseñó un método para considerar este error al determinar la temperatura que el calorímetro habría alcanzado si no hubiese radiación. Por ser la teoría algo complicada, no la consideremos aquí, pero se describirá el proceso.
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Para conocer su autobiografía diríjase a: http://www.nobel.se/chemistry/laureates/1995/rowland-autobio.html
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Figura 2: Método de Rowland
La figura 2 muestra la variación de temperatura con el tiempo. La línea AB es el enfriamiento (proceso lento) del calorímetro antes de ponerle el hielo, la curva BCD muestra la variación al poner el hielo y mientras éste se derrite. El segmento DE muestra el aumento en la temperatura del calorímetro una vez que el hielo se derritió y se mezcló con el agua. Si no se hubiere añadido hielo AB continuaría hacia F. La extensión de DE hasta G muestra como se hubiera calentado el calorímetro en esta etapa si hubiera empezado a una temperatura menor. Para hallar la línea FCG (que debe ser vertical) que representaría un proceso instantáneo en el que se derrite el hielo y se enfría el agua, la teoría exige que las 2 áreas sombreadas sean iguales. Así que la verdadera diferencia de temperatura es entre F y G y no entre B y D, que son las que se miden. Al aplicar la ecuación (3) tenemos lo siguiente: mH2O cH2O (TF – TG) + K (TF – TG) – mHIELO hHIELO + mHIELO cH2O (0 – TG) = 0
(5)
donde m es la masa, c el calor especifico, para cada una de las sustancias indicadas y T la temperatura en los puntos indicados en la figura 2. Procedimiento: EXPERIMENTO A: Determinación de calor especifico de un metal 1. Coloque agua en la caldera, que esta alcance aproximadamente tres y póngala a calentar.
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CUIDADO DE NO QUEMARSE, NI QUEBRAR LA
11. Coloque el cilindro de metal en la caldera, y deje que este alcance el equilibrio con el agua caliente, debe esperar aproximadamente 15 min.
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12. Prepare el agua que pondrá en el calorímetro, mida su masa (mH2O) y su temperatura TH2O, nuevamente trate de que sea unos cinco grados menor a la ambiente (use hielo para enfriarla, solo para enfriarla, así que este no debe estar junto al agua cuando se coloque el metal). 13. Coloque el sensor de temperatura en el calorímetro, en el programa Data Studio, prepare la construcción de una grafica de temperatura contra tiempo, de inicio a la toma de datos, selecciones una frecuencia de muestreo baja, 2 s. 14. Cuando el cilindro adquiera una temperatura constante, cercana a 100 ºC, (cuando haya permanecido unos 15 minutos en el agua caliente), introdúzcalo en el calorímetro, agite levemente, observe la grafica de temperatura, determine la temperatura de equilibrio (debe estar observando con sumo cuidado el gráfico mientras agita, la temperatura más alta alcanzada es la de equilibrio Teq). 15. Registre el valor más alto alcanzado, este será Teq. Recuerde ir completando la Tabla 2. Tabla 2: Determinación del calor especifico de un metal
SUSTANCIA EXPERIMENTO
Evaluación del calorímetro Evaluación del calorímetro Determinación del calor especifico del metal Determinación del calor especifico del metal
MASA m (kg)
TEMPERATURA T (ºC) INICIAL FINAL (EQUILIBRIO)
Agua fría Agua caliente Agua fría Agua caliente Agua en calorímetro Cilindro metálico Agua en calorímetro Cilindro metálico
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EXPERIMENTO B: Determinación de calor latente de fusión del hielo. 1. Pese el calorímetro sin el agua. 2. Coloque en el calorímetro unos 150 g de agua calentada aproximadamente 10 ºC arriba de la temperatura ambiente. 3. Pese el calorímetro con el agua. 4. Coloque el sensor de temperatura en el calorímetro, en el programa Data Studio, prepare la construcción de una grafica de temperatura contra tiempo, de inicio a la toma de datos, selecciones una frecuencia de muestreo baja, 1 s. 5. Prepare unos 40 g de hielo y séquelos muy bien con la toalla de papel. Inmediatamente después añada el hielo al calorímetro y continué midiendo cada la temperatura, finalice cinco minutos después de medir la temperatura más baja, tratando de agitar bien la mezcla. 6. Pese el calorímetro con el agua de nuevo y determine con precisión la masa del hielo agregado, anote sus resultados en la Tabla 3. Tabla 3: Método de Rowland
SITUACIÓN / MASA
Primer Caso Temperatura T (ºC)
Segundo Caso Temperatura T (ºC)
ANTES DE AGREGAR EL HIELO Masa de agua mH2O = __________ g DESPUÉS DE AGREGAR EL HIELO Masa de hielo mHIELO = __________ g Masa del calorímetro con agua: Masa del calorímetro con agua más el hielo derretido:
_________________ g _________________ g
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Resultado: 1- Con ayuda de la ecuación (3) plantee un balance de energía que le permita determinar si el calorímetro tiene un papel importante en nuestro experimento, recuerde tomar encuentra la participación del agua a temperatura ambiente, el agua caliente y, el calorímetro, utilice la información de la Tabla 2. La siguiente ecuación le puede ayudar un poco:
Qagua caliente + Qagua en calorímetro + K ∆T = 0
(6)
Recuerde que el tercer termino representa al calorímetro (termino que deseamos conocer) y que si la suma de los dos anteriores no da cero, dicho situación permitirá determinar el valor de K. Determínelo, ¿Qué significado tiene un valor de K igual a cero? ¿Qué significa el signo del valor de esta Constante? 2- Empleando la información de la Tabla 2 y con ayuda de la ecuación (4) determine el valor del calor especifico del cilindro metálico. Determine su porcentaje de error, comparándolo con el reportado en la literatura (ver Tabla 1), recuerde incluir la participación del calorímetro en el caso de que K sea diferente de cero. 3- Con la información de la Tabla 3, y la grafique temperatura en función de tiempo construida, extienda las líneas AB y DE y localice la línea FG (recuerde, esta es vertical) que hace iguales las áreas sombreadas en la figura 2. 4- Con los valores de la masa del calorímetro con agua antes y después de agregar el hielo, determine la masa de hielo agregada. 5- Con ayuda de la nota teórica, la ecuación (5) y los dos puntos anteriores determine el calor latente de fusión del hielo. (Recuerde incluir la participación del calorímetro en el caso de que K sea diferente de cero) 6- Determine el porcentaje de error cometido en el valor calculado del calor latente del hielo, al compararlo con el reportado en la literatura.
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7- Realice nuevamente sus cálculos anteriores, al tomar en cuenta el error cometido, si 0,5 g de agua líquida se adhirieron al hielo al introducirlo al calorímetro. NOTA: Recuerde no abrir por mucho tiempo la tapa del calorímetro cuando se vayan a hacer las mezclas finales, pues su efectos se observa ampliamente en las graficas de temperatura, y en tal caso debe repetir el experimento. Cuestionario: 1. ¿Enumere los principales errores cometidos en este experimento? 2. ¿De qué forma se pueden corregir los errores cometidos en esta experiencia de laboratorio? 3. ¿Qué característica debe tener un calorímetro ideal?
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EVALUAR UN CALORIMETRO
PARA
PARA
CALORIMETRIA
CANTIDAD DE CALOR QUE SE AGREGA A UNA MASA DE UNA SUSTANCIA PARA QUE SU TEMPERATURA VARIÉ EN UN GRADO
DETERMINAR EXPERIMENTALMENTE EL CALOR ESPECÍFICO Y CALOR LATENTE DE ALGUNAS SUSTANCIAS
DETERMINAR
DETERMINAR SE DEFINE
SE DEFINE
CALOR ESPECÍFICO CALOR LATENTE EN EL LABORATORIO
CANTIDAD DE CALOR QUE SE AGREGA A UNA MASA PARA LOGRAR UN CAMBIO EN SU ESTADO DE AGREGACIÓN
DETERMINAR EN EL LABORATORIO CALOR ESPECIFICO DE UN METAL
EVALUAR CALORÍMETRO
PREPARAR
AGUA FRIA
AGUA EN CALORÍMETRO VOLUMEN DEFINIDO DE AGUA
CALENTAR
PREPARAR
CONECTAR
SENSORES A INTERFASE Y ESTA LA PC
COLOCAR
CILINDRO EN AGUA CALIENTE
AGUA CALIENTE
LUEGO SENSOR EN CALORIMETRO
LUEGO MEZCLAR
MEZCLAR
COLOCAR EN CALORÍMETRO CON QUE CONTIENE VOLUMEN DEFINIDO DE AGUA
CALORÍMETRO VOLÚMENES ESPECÍFICOS
AGREGAR MASA DEFINIDA DE HIELO
MEDIR LA T
MEDIR DETERMINAR TEMPERATURA DE EQUILIBRIO CALOR ESPECIFICO DETERMINAR
CONSTRUIR
GRÁFICA DE TEMPERATURA CONTRA TIEMPO
DETERMINAR ANALIZAR
INTERVENCIÓN DEL CALORÍMETRO
RESULTADOS Y OBTENER CALOR LATENTE
ANALIZAR
RESULTADOS Y OBTENER % DE ERROR
OBTENER % DE ERROR
Figura 3: Resumen de la práctica
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