Laboratorio De Física.docx

FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECÁNICA ELÉCTRICA

PRÁCTICA DE LABORATORIO

ESTUDIANTE:

CARRASCO RUÍZ LUIS ALBERT

ASIGNATURA:

FÍSICA DE LA MASA Y LA ENERGÍA

CARRERA PROFESIONAL:

INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA

DOCENTE:

CARLOS MORALES JORGE EXALTACIÓN

JEFE DE PRÁCTICAS:

ING. PEDRO ASALDE

CICLO:

II

FECHA:

29 / 11 / 2018

CHICLAYO – PERÚ

I.

II.

OBJETIVOS: •

Determinar la capacidad del calorímetro.

•

Determinar el calor específico de los tres cuerpos sólidos.

CONCEPTO A AFIANZAR 1. Calor: 2. Temperatura: 3. Calorímetro: 4. Calor específico:

III.

MARCO TEÓRICO:

BALANCE DE CALOR, EN UN CALORÍMETRO, CUANDO SE MEZCLAN DOS SUSTANCIAS A DIFERENTES TEMPERATURAS Se define como calor (Q) a la cantidad de energía intercambiada desde un cuerpo más caliente hacia uno más frío. Esta transferencia de energía ocurre hasta que el sistema (parte del Universo en estudio) se encuentre en equilibrio térmico. Se dice, por tanto, que un sistema está en equilibrio térmico cuando ha alcanzado la condición de estado estable, en la que no tiene lugar intercambio neto de energía entre cualquiera de las partes del sistema y sus temperaturas son idénticas (temperatura final del equilibrio). Llamamos sistema adiabático a aquel sistema aislado que no intercambia calor con el medio. Un calorímetro ideal o perfecto es aquel que no intercambia calor con las restantes partes del sistema, es decir que no entrega ni absorbe calor del resto del sistema. La capacidad calorífica de un cuerpo o sustancia se define por:

…………(1) En donde ΔQ es la cantidad de calor que debe intercambiarse para efectuar un cambio ΔT en la temperatura. Mientras mayor sea el cuerpo, mayor será la cantidad de calor, por lo tanto, se define el calor específico “Ce”, de un cuerpo como la capacidad calorífica por unidad de masa:

Donde M es la masa del cuerpo. En consecuencia, y de acuerdo con esta definición, la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de M gramos de un objeto es:

𝑄 =𝑀𝐶𝑒∆𝑇…..(3) Donde “c” es el calor especifico del material a partir del cual se ha fabricado el objeto. Si este se enfría, entonces el cambio en la temperatura es negativo, y el calor Q se desprende del objeto. Las unidades del calor específico son: cal/g*°C, J/Kg.*°C o BTU /lb*°F.

El calor específico de un cuerpo se define como el calor necesario para elevar en 1 °C la temperatura de la unidad de masa del mismo. Cuando un cuerpo de masa m inicialmente a una temperatura TB absorbe energía en forma de calor, su temperatura se incrementa hasta el valor TA. De acuerdo con la definición de calor específico, el calor absorbido Q está relacionado con el incremento de temperatura del modo siguiente: 𝑄 =𝑀𝐶(𝑇𝐴 −𝑇𝐵)…..(3)

Donde Ce es el calor específico. Si el cuerpo disminuyese su temperatura en lugar de aumentarla (TA
Si se miden las masas de los cuerpos que intervienen y las temperaturas T A, TB, y la de equilibrio T, conocido uno de los calores específicos puede determinarse el otro. La ecuación (5) expresa simplemente el hecho de que el calor absorbido por el cuerpo más frío es igual al cedido por el cuerpo más caliente. Pero en la práctica la mezcla ha de hacerse en un recipiente, que recibe el nombre de

calorímetro, dotado de termómetro, agitador y eventualmente algún otro aparato de medida. Y este recipiente junto con su equipo, que inicialmente está a la temperatura más baja, también absorbe parte del calor que cede el cuerpo más caliente. Suele denominarse equivalente en agua del calorímetro a una cantidad K que desempeña para este aparato el mismo papel que el producto m*Ce de la ecuación (3). La ecuación (5) debe modificarse para tener en cuenta el equivalente en agua del calorímetro del modo siguiente: 𝑀1𝐶𝑒1 (𝑇−𝑇𝐵)+(𝑇−𝑇𝐵)=𝑀2𝐶𝑒2(𝑇𝐴 −𝑇)…..(6)

Se conoce el valor de K, el calor específico del solido problema es:

IV. MATERIALES Y EQUIPOS:

1. Un calorímetro 2. Un beaker de vidrio de 250 ml 3. Cuerpos solidos: Aluminio y hierro 4. Termómetro 5. Probeta graduada con base de polietileno 100 ml 6. Balanza digital 7. Calentador de inmersión pequeño 1000W 110V

V. PROCEDIMIENTO: Los siguientes datos fueron recogidos por: MECHÁN GONZALES EDWIN, CADENILLAS MONTALVO MARCO ESTEPHANO, OLIVA MELÉNDEZ VICTOR MANUEL, CARRANZA ROGGER Y VERAMATUS ANGELHO; el día jueves 22 del 2018, en el laboratorio de Física.

ESTADO INICIAL

ESTADO FINAL

MASA (g)

TEMPERATURA INICIAL (°C)

TEMPERATURA DE EQUILIBRIO (°C)

Calorímetro

150

24

53

Agua Fría

97

24

53

Agua Caliente

96

93

53

ELEMENTO

Tabla 1: Registro de datos para determinar el calor específico del calorímetro

Encontramos el Calor específico del calorímetro:

Ce(Calorímetro) =

Ce(ac)M(ac) (T(ac) − T) − Ce(af)M(af) (T − T(af)

96 𝑔 ∗ 1

Ce(Calorímetro) =

M(Cltro) (T − T(Cltro))

𝑐𝑎𝑙 𝑔 °𝐶

∗ (93 − 53)°𝐶 − 97 𝑔 ∗ 1 159 𝑔 ∗ (53 − 24)°𝐶

Ce(Calorímetro) =

1027 𝑐𝑎𝑙 4611 𝑔 °𝐶

Ce(Calorímetro) = 0.222

𝑐𝑎𝑙 𝑔 °𝐶

𝑐𝑎𝑙 𝑔 °𝐶

∗ (53 − 24)°𝐶

MASA TEMPERATURA (g) INICIAL (°C)

TEMPERATURA TEMPERATURA INICIAL DEL DE EQUILIBRIO SÓLIDO (°C) (°C)

ALUMINIO

30

________

89

31

HIERRO

87

_________

89

30

AGUA

97

24

CALORÍMETRO

150

24

Tabla 2: Registro de datos para determinar el calor específico de los cuerpos sólidos

Encontramos la capacidad calorífica del Aluminio:

𝐂𝐞(𝐀𝐥) =

𝐌(𝐜𝐚𝐥𝐨𝐫í𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨)𝐂𝐞(𝐜𝐚𝐥𝐨𝐫í𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨)(𝐓𝐟 − 𝐓(𝐜𝐚𝐥𝐨𝐫í𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨)) + 𝐂𝐞(𝐚𝐟)𝐌(𝐚𝐟) (𝐓𝐟 − 𝐓(𝐚𝐟) 𝐌(𝐀𝐥) (𝐓(𝐀𝐥) − 𝐓𝐟)

150 𝑔 ∗ 0.222

Ce(Al) =

𝑐𝑎𝑙 𝑔 °𝐶

∗ (31 − 24)°𝐶 + 97 𝑔 ∗ 1 30 𝑔 ∗ (89 − 31)°𝐶

Ce(Al) =

Ce(Al) =

910 𝑐𝑎𝑙 1740 𝑔 °𝐶 𝑐𝑎𝑙 0.522

𝑔 °𝐶

𝑐𝑎𝑙 𝑔 °𝐶

∗ (31 − 24)°𝐶

Encontramos la capacidad calorífica del Hierro:

𝐂𝐞(𝐅𝐞) =

𝐂𝐞(𝐜𝐚𝐥𝐨𝐫í𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨)𝐌(𝐜𝐚𝐥𝐨𝐫í𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨)(𝐓𝐟 − 𝐓(𝐜𝐚𝐥𝐨𝐫í𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨)) + 𝐂𝐞(𝐚𝐟)𝐌(𝐚𝐟) (𝐓𝐟 − 𝐓(𝐚𝐟) 𝐌(𝐅𝐞) (𝐓(𝑭𝒆) − 𝐓𝐟)

150𝑔 ∗ 0.222

Ce(Fe) =

𝑐𝑎𝑙 𝑔 °𝐶

∗ (30 − 24)°𝐶 + 97 𝑔 ∗ 1

Ce(Al) =

1.

𝑔 °𝐶

∗ (30 − 24)°𝐶

87 𝑔 ∗ (89 − 30)°𝐶

Ce(Al) =

VII.

𝑐𝑎𝑙

781,8 𝑐𝑎𝑙 5133𝑔 °𝐶

𝑐𝑎𝑙 0.152

𝑔 °𝐶

CUESTIONARIO:

Defina que es caloría y capacidad calorífica de un cuerpo. Caloría es la unidad de la energía, basada en el calor específico del agua. Sin embrago hoy en día lo utilizan para expresar el poder energético de los alimentos. Capacidad calorífica, es la cantidad de calor que hay que administrar a la unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad.

2.

¿Cuál de los materiales de Hierro y Aluminio posee mayor capacidad calorífica y explique porque? Si comparamos la capacidad calorífica de estos elementos, podemos decir que la del aluminio es superior a la del hierro. Porque, si calentamos ambos elementos al mismo tiempo, el aluminio absorberá más energía que el hierro.

3.

Describa como utilizaría un calorímetro de agua para determinar el calor específico de una sustancia sólida. Escriba las ecuaciones correspondientes. Primero, hallamos el calor específico del calorímetro (CeC), para ello medimos la masa del calorímetro (M2), luego vertimos agua fría y medimos su temperatura (TA), después añadimos agua hirviendo, teniendo en cuenta su temperatura (TB) y masa (M1); dejamos que el sistema llegue a su temperatura de equilibrio y nuevamente medimos la temperatura (T). Finalmente utilizamos esta (M1Ce1)(T−TB) ecuación: CeC = M2 (TA−T)

Segundo, verter agua fría en el calorímetro teniendo en cuenta su temperatura y masa, tanto del agua, como del calorímetro. Por otro lado, hervir agua, sumergir el sólido y medir la temperatura (TA)

Luego se introduce el sólido en el calorímetro con agua y dejar reposar para que se equilibre la temperatura (T) y puede ser medido.

Finalmente, utilizamos el principio que dice que el calor perdió es igual al calor ganado y tenemos Qganado = Qperdido , en este caso el sólido está perdiendo calor así que:

M(agua)Ce(agua)(T − TB) + M(cltro) Ce(cltro)(T − TB) = M(sólido)Ce(sólido)(TA − T)

𝐂𝐞(𝐬ó𝐥𝐢𝐝𝐨) =

M(agua) ∗ Ce(agua) ∗ (T − TB) + M(cltro) ∗ Ce(cltro) ∗ (T − TB) M(sólido) ∗ (TA − T)

5.

Hallar el error relativo porcentual para los sólidos de hierro y aluminio. |𝑉(𝑏𝑖𝑏𝑙𝑖𝑜𝑔𝑟á𝑏𝑖𝑓𝑖𝑐𝑜) − 𝑉 (𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙)| ∗ 100% = 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑎𝑙 𝑉(𝑏𝑖𝑏𝑙𝑖𝑜𝑔𝑟á𝑏𝑖𝑓𝑖𝑐𝑜)

Error porcentual del Aluminio:

|0.214

𝑐𝑎𝑙 − 0.522 𝑔 °𝐶 𝑐𝑎𝑙 0.214 𝑔 °𝐶

𝑐𝑎𝑙 | 𝑔 °𝐶

∗ 100%

𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑎𝑙 = 143 %

Error porcentual del Aluminio:

|0.106

𝑐𝑎𝑙 − 0.152 𝑔 °𝐶 𝑐𝑎𝑙 0.106 𝑔 °𝐶

𝑐𝑎𝑙 | 𝑔 °𝐶

∗ 100%

𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑎𝑙 = 43 %

6.

Un pequeño bloque de metal de 74g de masa se calienta en un horno a 90°C. Al extraer del horno inmediatamente se coloca en un calorímetro. El calorímetro contiene 300g de agua a 10°C. La capacidad calorífica del calorímetro es mínima y la temperatura final es 14°C. ¿Cuál es el material del bloque? Si las muestras son de cobre, plata y zinc. M(agua)Ce(agua)(T − TB) + M(cltro) Ce(cltro)(T − TB) = M(sólido)Ce(sólido)(TA − T)

Reemplazo: 300𝑔 ∗

1 𝑐𝑎𝑙 ∗ (14 − 10)°𝐶 = 74𝑔 ∗ 𝐶𝑒 ∗ (90 − 14)°𝐶 𝑔 °𝐶 1 𝑐𝑎𝑙 300𝑔 ∗ 𝑔 °𝐶 ∗ (14 − 10)°𝐶 𝐶𝑒 = 74𝑔 ∗ (90 − 14)°𝐶

𝐶𝑒 = 0.213

Metal

Calor especifico

0.092

Cobre

𝑐𝑎𝑙 𝑔 °𝐶 𝑐𝑎𝑙

Plata

0.056

Zinc

0.093

𝑐𝑎𝑙 𝑔 °𝐶

Aluminio

0.214

𝑐𝑎𝑙 𝑔 °𝐶

𝑔 °𝐶

Tabla 3: Calor específico de sólidos

𝑐𝑎𝑙 𝑔 °𝐶

RPTA: El calor específico encontrado se acerca más a la del Aluminio, que su valor real es 𝑐𝑎𝑙 de 0.214 𝑔 °𝐶 , por lo que podemos decir que el bloque es de este material.

¿Cómo aplicaría este tema a tu carrera profesional?

7.

Si queremos elevar la temperatura algún material, tenemos que saber exactamente cuánta energía necesitaremos y así poder ser eficaces con el trabajo.

V. CONCLUSIONES  Luego de realizar los pasos necesarios, pudimos encontrar el Calor específico del Calorímetro.  Logramos calcular el calor específico de cada uno de los sólidos, sin embargo su error porcentual es muy alto, esto se debe probablemente, a malas mediciones en el laboratorio.  La absorción de calor de los objetos, depende de su Capacidad Calorífica

VI.

BIBLIOGRAFIA:

•

SEARS, ZEMANSKY, Física Universitaria con Física Moderna Volumen 2 Decimosegunda Edición.

•

RAYMOND A. SERWAY, Física para ciencias e ingeniería Volumen 2 Física Moderna.

•

Séptima edición con

Gonzáles de la Cruz. «Calorimetría y rayos x del almidón .» UAEM, 2001: 61 - 65.