Reporte De La Practica #4 "calorimetria" 4i3559

PRACTICA No. 4 CALORIMETRIA

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES PLANTEL “ARAGON” INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE TERMODINAMICA PRACTICA #4 CALORIMETRIA JUAREZ HERNANDEZ CARLOS GARCIA LEON ARTURO ING. ALEJANDRO RODRIGUEZ LORENZANA GRUPO: MARTES DE 17:30 – 19:00 HRS. FECHA DE REALIZACION: MARTES 27 DE SEPTIEMBRE DE 2011 FECHA DE ENTREGA: MARTES 4 DE OCTUBRE DE 2011

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PRACTICA No. 4 CALORIMETRIA TABLA DE CONTENIDO OBJETIVO ACTIVIDADES MATERIAL SUSTANCIAS ASPECTOS TEORICOS CALOR O ENERGIA TERMICA o CALORIA (CAL) o UNIDAD TECNICA BRITANICA (BTU) CAPACIDAD CALORIFICA CALOR ESPECIFICO (CE) CALORIMETRO DESARROLLO ACTIVIDAD 1: “CONSTANTE DE UN CALORIMETRO” ACTIVIDAD 2: “CALOR ESPECIFICO DE UN LIQUIDO” TABLAS DE LECTURAS TABLA 4.1A TABLA 4.2ª MEMORIA DE CALCULOS ACTIVIDAD 1: “CONSTANTE DE UN CALORIMETRO” ACTIVIDAD 2: “CALOR ESPECIFICO DE UNA SUSTANCIA” TABLAS DE RESULTADOS TABLA 4.1B TABLA 4.1B-BIS TABLA 4.2B TABLA 4.2B-BIS CONCLUSIONES CUESTIONARIO BIBLIOGRAFIA LABORATORIO DE TERMODINAMICA

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PRACTICA No. 4 CALORIMETRIA OBJETIVO Determinar la constante de un calorímetro por el método de mezclas y aplicar el concepto de calor específico, para una sustancia liquida.

ACTIVIDADES Determinar la constante de un calorímetro mezclando agua caliente y agua fría. Calcular el calor específico del agua, proporcionando calor al agua de un calorímetro por medio de una resistencia.

MATERIAL Y/O EQUIPO             

1 PARRILA ELECTRICA DE 750 W. 1 CRONOMETRO 1 CALORIMETRO 2 TERMOMETROS 1 RESISTENCIA ELECTRICA DE INMERSION 2 VASOS DE PRECIPITADO DE 400 ml 1 BALANZA GRANATARIA 1 MULTIMETRO 1 PESA DE 1 Kg 1 PESA DE ½ Kg 1 GUANTE DE ASBESTO 1 AGITADOR DE VIDRIO 1 PROBETA GRADUADA

SUSTANCIAS  AGUA POTABLE

ASPECTOS TEORICOS Calor o Energía Térmica: Es la suma de la energía cinética de todas las moléculas, cuyo resultado es la ganancia o perdida de energía interna; el calor es simplemente otra forma de energía que puede LABORATORIO DE TERMODINAMICA

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PRACTICA No. 4 CALORIMETRIA medirse solo en función del efecto que produce. Existen dos unidades para medir el calor: a) Caloría (cal).- Es el calor necesario para aumentar la temperatura de un gramo de agua a un grado Celsius. b) Unidad Técnica Británica (BTU).- Es la cantidad de calor necesario para elevar un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua

Capacidad Calorífica: Es la relación existente entre la cantidad de calor de una sustancia y su correspondiente elevación de temperatura:

La capacidad calorífica de una sustancia tiene un valor mayor si se lleva a cabo a presión constante, que si se realiza a volumen constante, ya que al aplicar presión constante a una sustancia, esta sufre un aumento en su volumen, lo que provoca una disminución en su temperatura y en consecuencia, necesitara mas calor para elevarla. A volumen constante, todo el calor suministrado a la sustancia pasa a aumentar la energía cinética de las moléculas, por tanto, la temperatura se incrementa con mayor facilidad.

Calor Específico (Ce): De una sustancia es igual a la capacidad calorífica de dicha sustancia entre su masa:

Y como:

Sustituyendo:

Por tanto:

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En términos prácticos el Ce de una sustancia se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado la temperatura de una masa unitaria de la sustancia. El Ce es como una inercia térmica, ya que representa la resistencia que una sustancia opone a los cambios de temperatura, por lo tanto está en función de la temperatura y la presión.

Calorímetro: Es un recipiente que permite medir cantidades de calor que interactúan cuando se mezclan sustancias a diferentes temperaturas estas tienden a alcanzar el equilibrio térmico, es decir, mientras una pierde calor la otra gana, por ello se realiza un balance de energía en el calorímetro y se cumple que: “En cualquier intercambio de calor efectuado, el calor cedido es igual al absorbido”

Por lo tanto:

DESARROLLO Actividad 1: “Constante de un calorímetro” 1. 2. 3. 4. 5.

6.

7. 8.

Calibrar la balanza Medir la masa del calorímetro. Anotar su valor en la tabla 4.1A Con la probeta medir 200 ml de agua fría, vaciarlos en el calorímetro Medir la masa del agua fría (restar la masa del calorímetro con la masa del agua). Anotar su valor en la tabla 4.1A Con el termómetro medir la temperatura del agua hasta que esta se estabilice. Anotar su valor en la tabla 4.1A (considerar esta temperatura como la temperatura T1) Con la probeta medir 200 ml de agua, vacíelos en el vaso de precipitado de 400 ml y medir la masa del agua, misma que sería la del agua caliente. Anotar su valor en la tabla 4.1A Colocar el vaso sobre la parrilla Conectar la parrilla a la toma de corriente

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PRACTICA No. 4 CALORIMETRIA 9. Introducir el termómetro en el vaso, procurando que este no toque el fondo, espere a que el agua alcance una temperatura de 40°C 10. Con el guante de asbesto puesto, retirar el vaso de la parrilla y colocarlo sobre la zona de trabajo de la mesa 11. Esperar a que la temperatura del vaso se estabilice, esta será considerada como la temperatura dos (T2). Anotar su valor en la tabla 4.1A 12. Verter el agua del vaso en el calorímetro, mezclar con el agitador de vidrio y esperar a que la temperatura se estabilice. Considerar esta como la temperatura tres (T3). Anotar su valor en la tabla 4.1A 13. Por medio del siguiente análisis, determinar la constante del calorímetro (kcalorimetro). Anexa la memoria de cálculos en el reporte y coloca los resultados que se piden en la tabla 4.1B y 4.1B-BIS

Para calcular la cantidad de calor Q necesario para el cambio de temperatura:

Por lo que:

Donde: ; (K es la constante del calorímetro) Por tanto:

Y el calor cedido:

Despejando la constante del calorímetro se tiene:

Actividad 2: “Calor especifico de un liquido” 1. Calibrar la balanza LABORATORIO DE TERMODINAMICA

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PRACTICA No. 4 CALORIMETRIA 2. Medir la masa del calorímetro vacio. Anotar su valor en la tabla 4.2A 3. Suministrar en el calorímetro 450 ml de agua para que se cubra por completo la resistencia de inmersión. 4. Medir la masa del agua (restar la masa del calorímetro con la del agua). Anotar su valor en la tabla 4.2A 5. Con el termómetro medir la temperatura inicial del agua. Anotar su valor en la tabla 4.2A 6. Medir el calor de la resistencia de inmersión. Anotar su valor en la tabla 4.2A 7. Medir el valor del voltaje de línea. Anotar su valor en la tabla 4.2A 8. Sin retirar el termómetro, sumergir la resistencia completamente dentro del calorímetro. Ver figura 9. Tomar el tiempo con el cronometro en el momento de conectar la resistencia 10. Interrumpir el tiempo en el cronometro cuando la temperatura del agua haya alcanzado los 80°C. Anotar el tiempo en la tabla 4.2A 11. Para determinar el calor especifico del agua a presión constante, utilizar el método de suministro de energía eléctrica, que dice: “por medio de una resistencia se elevara la temperatura a una cantidad de agua en función del trabajo eléctrico realizado”, es decir:

Para conocer el calor suministrado al agua en términos de calorías se tiene que:

Por lo que el calor cedido por la resistencia a presión constante, sin considerar perdidas es: ……….(1) El calor ganado por el agua es: …….(2) Y si el calor del agua es: Igualando 1 y 2 tenemos: Despejando:

Si

Y

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PRACTICA No. 4 CALORIMETRIA Entonces, el calor específico real del agua para este experimento es:

Y el calor especifico ideal del agua, sin considerar las pérdidas de energía en el calorímetro:

Donde: W = trabajo realizado (joules) R = resistencia (Ω) Q = calor suministrado (J) t = tiempo suministrando calor (s) v = voltaje de línea (volt)

TABLAS DE LECTURAS TABLA 4.1A CONCEPTO

SIMBOLO

UNIDAD

LECTURA

Masa del calorímetro Masa del calorímetro con agua Masa del agua fría

Mcal

gr

144.3

Mcal+agua

gr

337

Maf

gr

193.7

Ti agua

°C

28

Ti ac

°C

48

Teq

°C

38

Mac

gr

245.1

Temperatura inicial del agua Temperatura inicial del agua caliente Temperatura de equilibrio Masa del agua caliente

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PRACTICA No. 4 CALORIMETRIA TABLA 4.1A-BIS CONCEPTO

SIMBOLO

UNIDAD

LECTURA

Masa calorímetro

del

Mcal

gr

144.3

Masa calorímetro agua Masa del agua

del con

Mcal+agua

gr

940

Magua

gr

795.7

Temperatura inicial del agua

Ti agua

°C

29

Tiempo de suministro de energía al agua Temperatura final del agua

T

Min

5:23

Tf agua

°C

77

R

Ω

28.3

V

Volts

128.9

Resistencia inmersión

de

voltaje

MEMORIA DE CÁLCULO Consideraciones previas 1 cal = 4.184 J 1 cal=41, 841,004.18 ergio 1 cal=0.003968 BTU 1 grado centígrado = 33.8 grados Fahrenheit

Actividad 1 Qcedido del agua caliente=magua calientece agua caliente(T2agua-T3 agua) Sustituimos Qcedido del agua caliente=(245.1 gr)(1

)(48°c-38°c)=2451 cal

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PRACTICA No. 4 CALORIMETRIA Convertimos a joules 2451 cal ( Convertimos a ergio 1.025523012x1011 ergio

2451 cal ( Convertimos a BTU 2451 cal (

9.725568 BTU

Qganado del agua fría= magua friace agua fria(T3agua-T1 agua) Sustituimos Qganado del agua fría=(192.7 gr)( 1

)(38-28)°c=1927 cal

Convertimos a joules 1927 cal( Convertimos a ergio 1927 cal (

8.062761505x1010 ergio

Convertimos a BTU 1927cal (

7.646336 BTU

(T3agua-T1agua)=(38-28)°c =10°c Kcalorimetro= sustituimos Kcalorimetro=

=52.4cal/°c

Qganado por el calorímetro= Kcalorimetro(T3agua Qganado por el calorímetro=(52.4 cal/°c)(10°c)=524 cal Convertimos a joules 524 cal(

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PRACTICA No. 4 CALORIMETRIA Convertimos a ergio 2.192468619x1010 ergio

524 cal ( Convertimos a BTU 524 cal (

2.079232 BTU

Kcalorimetro=

=52.4cal/°c

Convertimos a j/°c 52.4

(

219.2416 joules/°C

Convertimos a ergio/°C 52.4

(

2, 192, 468,619 ergio/°c

Convertimos a BTU/°F 52.4

(

0.006151573965 BTU/°F

Actividad 2 V2=(128.9)2volts=16,615.21 volts W= Sustituimos W= Qcedio res=

(323 seg)=191,668.31v.s/ (0.2389cal)

Qcedio res= Ce agua R=

(0.2389cal)= 191583.515 joules

(323 seg)(0.2389cal)= 191,583.515 joules (0.2389)-Kcalorimetro(Tf H2O-TiH2O)) m(Tfagua-Tiagua)

Ce agua R=

=4.1021679J/gr.°c

Convertimos a kJ/Kg.°K (1 grado centígrado = 274.15 kelvin) 4.1021679(

)(

)(

)(

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)=0.0149632 kJ/Kg.°K Página 11

PRACTICA No. 4 CALORIMETRIA Convertimos a kcal/Kg°c 4.1021679

)(

)(

)(

)=0.9804416 kcal/Kg°c

Convertimos a BTU/Lb°F (1 lb = 453.592 g) 4.1021679

(

Ce agua I=

(0.2389)/ m(Tfagua-Tiagua)

(

)(

)(

)(

)=0.052208 BTU/Lb°F

sustituimos Ce agua I=(

=4.3770093J/gr.°c

Convertimos a kJ/Kg.°K (1 grado centígrado = 274.15 kelvin) 4.3770093(

)(

)(

)(

)=0.0159657 kJ/Kg.°K

Convertimos a kcal/Kg°c 4.3770093

)(

)(

)(

)=1.046130 kcal/Kg°c

Convertimos a BTU/Lb°F (1 lb = 453.592 g) 4.3770093 (

(

)(

)(

)(

)=0.055706 BTU/Lb°F

TABLAS DE RESULTADOS TABLA 4.1B

CONCEPTO

UNIDADES JOULES (J)

Qcedido

11

BTU

CAL

9.725568

2451

por el agua

1.025523012x10

por el agua

8.062761505x1010

7.646336

1927

2.192468619x1010

2.079232

524

caliente

Qganado

ERGIO

fría

Qganado

por

el

calorimetro

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PRACTICA No. 4 CALORIMETRIA TABLA 4.1B-BIS

CONCEPTO

UNIDADES J/°C

Kcalorimetro

ERGIO/°C

219.2416

BTU/°F

2,192,468,619

CAL/°C

0.006151573965

52.4

TABLA 4.2B CONCEPTO

SIMBOLO

UNIDADES

RESULTADOS

W

J

191583.515

V

VOLTS

16,615.21

Qcedido por la resistencia

CAL

191,583.515

TRABAJO ELECTRICO VOLTAJE CALOR CEDIDO POR LA RESISTENCIA

TABLA 4.2B-BIS CONCEPTO

SIMBOLO KJ/Kg°K

UNIDADES Kcal/Kg°C

BTU/Lb°F

CALOR ESPECIFICO Ce agua real DEL AGUA REAL

0.0149632

0.9804416

0.052208

CALOR ESPECIFICO Ce agua ideal DEL AGUA IDEAL

0.0159657

1.046130

0.055706

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PRACTICA No. 4 CALORIMETRIA CONCLUSIONES En esta práctica fue muy laboriosa por la realización te todas las conversiones realizadas para cada actividad sobretodo el pasar cada conversión a world se necesita del empleo de insertar ecuaciones lo cual es muy tardado y tedioso. Por otro lado es importante precisar que cuando se le deja de aplicar calor al agua se debe dejar que se estabilice la temperatura en el liquido, al realizar esto obtendremos un valor diferente al que íbamos a colocar en un principio. También se pudo observar de manera practica el tema de la entropía porque al aplicarle calor al agua obtenemos una cierta cantidad de calorías, joule, ergios o equivalencia y al pasar unos minutos podíamos observar que todo tiende al equilibrio térmico, en este caso el agua comenzó a disminuir la cantidad de calor que tenis esto se debe a que el agua cede calor hacia el medio que o rodea en este caso era el vaso de precipitados, el termómetro el aire, sobre el guante de asbesto etc. Estas prácticas sirven de mucho porque se puede llevar a la practica la teoría que se aprende en clase y comprobar si es cierto lo que se aprende en la teoría o hay una variación. En algunos casos la teoría se cumple al pie de la letra pero en otras ocasiones al llevar a cabo la teoría a la práctica se encuentra uno que hay muchas variaciones. Otro punto analizar es que según algunas tablas de física el calor especifico del agua es tomado con valor de 1ºc/gr solo si la temperatura del agua es menor a 25ºC si es mayor se aplica la formula Calor especifico =c/m.

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PRACTICA No. 4 CALORIMETRIA

CUESTIONARIO FINAL 1. ¿Por qué los calores específicos del agua son diferentes? Debido a que sus temperaturas son diferentes 2. ¿Cómo se determina la constante de un calorímetro? Mediante una expresión que relaciona la cantidad de calor ganado y cedido y la masa del calorímetro multiplicada por su capacidad calorífica 3. Un bloque de madera y uno de metal están a la misma temperatura cuando los bloques se sienten fríos el metal se siente más frio que la madera cuando los bloques se sientes calientes el metal se siente más caliente que la madera. Dar una explicación del por qué. ¿A qué temperatura se sentirán los bloques igualmente fríos o calientes? Cuando alcancen una temperatura de equilibrio 4. ¿Por qué es importante proteger las tuberías de agua para que no se congelen? Para que el agua no tenga problemas para fluir a través de la tubería 5. Si el calor especifico del agua fuera menor ¿Qué probabilidades existirían de que los lagos se congelasen en invierno? Tiene una mayor probabilidad de que se congele 6. En los viejos tiempos era común llevarse objetos calientes a la cama en las noches frías de invierno. ¿Cuál de estos materiales sería más eficaz un bloque de hierro de 10 kg o una botella con 10 kg de agua caliente a la misma temperatura? La botella que contiene el agua caliente ya en la misma botella funciona como aislante del líquido para que no queme a la persona y solo permita el paso del calor que el agua está cediendo 7. ¿Qué significa afirmar que un material tiene una capacidad calórica grande o pequeña? Que su capacidad de aumentar un gramo de su masa a un gado Celsius se mayor o menor 8. ¿Por qué es incorrecto decir la materia contiene calor? Porque la materia no genera por sí misma el calor si mas bien solo es un medio por el cual el calor viaja 9. ¿A qué temperatura alcanza el agua su máxima densidad? 25 grados centígrados 10. ¿Qué es el equivalente de calor y cual su equivalencia? Es la capacidad de realizar un trabajo y su equivalencia es de 1 cal= 4.12 joule

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PRACTICA No. 4 CALORIMETRIA BIBLIOGRAFIA      

http://es.wikipedia.org/ley-cero-delatermodinamica/ http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termoestatica/ap03_termoestatica.php http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termoestatica/ap01_termoestatica.php Tippens “Física Conceptos y Aplicaciones”, sexta edición, editorial McGraw Hill. Manrique “Termodinámica”, tercera edición, editorial Alfaomega. Pérez Cárdenas Salvador “Fundamentos de Termodinámica”, primera edición, editorial Limusa Noriega

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