Determinación del Calor Específico del Calorímetro

Objetivo

  • Determinar el calor específico del calorímetro usando el agua como la sustancia cuyo calor específico es conocido.

Motivación123

La termodinámica es la ciencia que estudia la energía y sus transformaciones, así como la relación entre estas transformaciones y las propiedades de la materia. La termodinámica depende totalmente de la observación y de las mediciones experimentales. Los datos obtenidos en estos ensayos tuvieron un papel crucial en la formulación final de las leyes de la termodinámica, y sus aplicaciones las vemos actualmente en: motores de autos, refrigeradores, procesos bioquímicos y la estructura de las estrellas.

El calor es energía que se transfiere entre dos sustancias debido a una diferencia de temperaturas. Exceptuando los cambios de estado, siempre que un cuerpo intercambia calor con su entorno la temperatura del cuerpo varía. Se ha observado que la cantidad de calor Q necesaria para elevar la temperatura de una masa m de cierto material de T1 a T2 es aproximadamente proporcional al cambio de temperatura ∆T=T2 - T1 y a la masa m de material. La cantidad de calor requerida también depende de la naturaleza del material. Agrupando todas estas relaciones, se tiene:

(1)
\begin{align} Q=mc\Delta T \end{align}

donde c es una cantidad denominada calor específico, diferente para cada sustancia. Si se toma el agua como sustancia de referencia, podrá conocerse el calor específico de otro material, al colocarlos en contacto térmico.

La medición precisa de calores específicos requiere de gran habilidad experimental. En calorimetría se utiliza el calorímetro para aislar térmicamente del entorno los materiales que serán puestos en contacto térmico. Partiendo de un análisis de las transferencias de energía en forma de calor que se presentan dentro del calorímetro, midiendo para ello masas y cambios de temperatura, podremos determinar el calor específico de un material. Parece sencillo, pero se requiere gran cuidado para evitar o compensar una transferencia de calor no deseada entre la muestra y su entorno.

En esta práctica estableceremos la relación de equilibrio térmico entre las sustancias empleadas en un experimento de calorimetría para determinar el calor específico del material del que está hecho el vaso interior del calorímetro..

Equipo Requerido

  • Interfaz ScienceWorkshop 750
  • Magneto grande (recubierto de teflón)
  • Calorímetro
  • Agua (400 mL)
  • Balanza
  • Agitador magnético con calefacción
  • 2 sensores de temperatura (acero inoxidable)
  • 1 par de guantes resistentes al calor
  • 2 beakers de 250 mL

Procedimiento

Parte I. Configuración del equipo, interfaz y sensores

1. Realice el montaje de la Figura 1.

2. Conecte la interfaz ScienceWorkshop al computador y enciéndala.

3. Conecte los sensores de temperatura (acero inoxidable) a sendos canales analógicos de la interfaz.

4. Ejecute el programa DataStudio.

5. Instale los sensores, seleccionando en ambos una velocidad de muestreo de 10 Hz.

Calorimetria1.JPG

6. En la ventana Pantallas seleccione Medidores digitales (Figura 2a) para hacer un seguimiento de las temperaturas registradas por los sensores (Figura 2b).

Calorimetria2.JPG

7. Cree un gráfico temperatura vs. tiempo donde registre las medidas arrojadas por ambos sensores. Reemplace los nombres de las gráficas por unos que hagan referencia a los datos registrados.

8. Organice las ventanas para que pueda observar los páneles digitales y las gráficas simultáneamente.

Parte II. Registro de datos.

1. Use uno de los beakers para recoger alrededor de 200 mL de agua.

2. Mida la masa del calorímetro y del beaker vacío.

3. Agregue al calorímetro y al beaker aproximadamente la misma cantidad de agua (entre 50 y 75 g).

4. Introduzca uno de los sensores de temperatura en el calorímetro y el otro en el beaker donde se calentará el agua.

5. Deposite con suavidad el magneto en el interior del beaker.

6. Ponga a funcionar el agitador con una velocidad que permita el movimiento suave de toda la masa de agua.

7. Active el calentador a una rata que permita una elevación moderada de la temperatura.

8. Inicie la toma de datos de temperatura.

9. Caliente el agua hasta alcanzar que la temperatura sea unas 3 veces mayor a la de la temperatura ambiente.

10. Sin retirar el sensor del beaker y usando los guantes, transfiera rápidamente el agua caliente del beaker al vaso del equipo de calorimetría (Figura 3). Sea cuidadoso, procurando no demorarse mucho tiempo y que el magneto se quede en el beaker.

Calorimetria3.JPG

10. Tape el orificio del equipo de calorimetría, apague el calentador y el sistema de agitación.

11. Espere a que la temperatura del sistema se estabilice (por lo menos 5 minutos). Durante este tiempo, agite suavemente el agua para mantener una temperatura homogénea en el calorímetro.

12. Detenga el registro de medidas.

13. Retire el agua del equipo de calorimetría, déjelo enfriar por lo menos 1 minuto más y séquelo totalmente.

14. Repita este procedimiento para dos ensayos más, cambiando las proporciones de agua en el calorímetro y en el beaker (teniendo en cuenta que la cantidad total de agua no exceda los 150 mL) o la temperatura del agua caliente (consulte con su instructor).

Análisis

No responda las preguntas que se dan a continuación como un cuestionario Pregunta/Respuesta. Empléelas como una guía para desarrollar su análisis de una manera fluida, apoyándose en las gráficas y en sus observaciones durante las mediciones realizadas.

1. A partir de las gráficas (usando la herramienta inteligente de DataStudio) determine la temperatura inicial del calorímetro y la del agua caliente, así como la temperatura de equilibrio. En particular, de las medidas registradas en el gráfico, ¿cuál viene a ser la temperatura de equilibrio del sistema?

2. A partir de la ecuación de balance térmico para el proceso, encuentre el calor específico del vaso del calorímetro, así como sus incertidumbres absoluta y relativa.

3. El fabricante reporta que el calorímetro está hecho de aluminio. ¿Cuál es el error relativo de su medida experimental?

4. ¿Podría emplear los resultados obtenidos para determinar si el experimento fue completamente adiabático? Explique.

Bibliografía

Francis W. Sears, Mark W. Zemansky, Hugh D. Young, Roger A. Freedman. Física Universitaria con Física Moderna, volumen 1. Undécima edición, Pearson Educación, México, 2005.

Paul A. Tipler, Gene Mosca. Física para la Ciencia y la Tecnología, volumen 1. Reverté, Barcelona, 2005.

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