2016-02 F2 Guia 2 Estudio de La Transferencia de Energia Termica Unidimensional en Estado Estacionario (1)

CURSO: FÍSICA II Guía de laboratorio Nº 02 Estudio de la transferencia de energía térmica t érmica unidimensional en estado estacionario I.

LOGROS ESPERADOS a) Estudia la transferencia de energía térmica en forma de calor entre los componentes de un sistema. b) Obtiene la capacidad calorífica del calorímetro y el calor específico de algunas muestras metálicas, a partir del principio de conservación de la energía.

II.

III.

EQUIPOS Y MATERIALES Nº

Cant.

Descripción

Código

1

1

Xplorer GLX Pasport

PS-2002

2

1

Stainless Steel Probe

PS-2153

3

1

Basic Calorimetry Set

TD-8557A

4

1

Pendulum Clamp

ME-9506

5

5

Specific heat set

SE-6849

6

1

Steam Generator

TD-8556A-220 TD-8556A-220

7

1

Hilo resistente

SE-8050

INTRODUCCIÓN





El calor específico de una sustancia, usualmente indicada con el símbolo   o indicando la sustancia:  es la cantidad de energía térmica requerida para elevar la temperatura de un kilogramo de dicha sustancia en un

  .   (o   ). En unidades del SI se da en  La cantidad de energía térmica  requerida para subir la temperatura de un objeto por una cantidad  es:        Según el principio de la Conservación de la Energía, si se tiene un sistema aislado, la energía no puede salir ni entrar, por lo que la energía térmica que se transfiere entre los componentes del sistema deben sumar cero:

      



En caso haya solo dos objetos en el sistema aislado:

     



                 



1

                      

  

Donde    es la diferencia entre la temperatura final e inicial, para cada sustancia.  y   son las masas de cada sustancia y si se conoce el calor específico  y    de ambas, es posible determinar el calor específico de la otra:

                El cual debe salir positivo ya que una de las variaciones  es negativa. IV.



PROCESO EXPERIMENTAL 4.1 Obtención de la capacidad calorífica del calorímetro a)

Disponga de los materiales mostrados en la Fig. 1.

Fig. 1: Sistema experimental b) Una vez conectado el sensor de temperatura al GLX, observe el valor de la temperatura en forma digital mostrada en la pantalla del G LX (Fig. 1). c)

Use un calorímetro para medir la masa de cierta cantidad de agua fría. Aproximadamente 1/4 del vaso, a temperatura ambiente (obtenida del caño).

d) Posteriormente vierta agua caliente en el calorímetro (aproximadamente 1/4 del vaso) y mida la masa, de preferencia que la temperatura del agua caliente sea ≈ 90 °C. Esta temperatura debe medirse insertando el sensor en el

generador de vapor, antes de vaciarlo al calorímetro.

Fig. 2: Medida de la temperatura de equilibrio 2

e)

Luego de verter esta cantidad de agua caliente en el calorímetro que ya contiene agua fría, tápelo rápidamente para evitar fugas de calor. Inserte el sensor de temperatura por el agujero de la tapa, agite suavemente y finalmente mida esta temperatura de equilibrio (Fig. 2).

4.2 Obtención del calor específico de las muestras metálicas a)

Elija 02 de las 05 muestras metálicas dadas para la experiencia, mida sus masas y posteriormente amárrelas con cuidado desde el soporte para evitar que se sumerjan en el generador de vapor (Fig. 3 y 4).

b) Deje la muestra calentando unos minutos hasta que alcance el equilibrio térmico con el agua.

Fig. 3: Muestras de metal suspendidas c)

Fig. 4: Muestras de metal sumergidas

En un calorímetro vacío, agregue agua fría hasta aproximadamente la mitad de su capacidad o la cantidad suficiente agua para poder cubrir las muestras.

d) Retire la muestra metálica del agua en punto de ebullición e introdúzcalas rápidamente en el calorímetro, tápelo, agítelo suavemente e introduzca el sensor de temperatura por uno de los agujeros (Fig. 5). e)

Finalmente mida la temperatura de equilibrio alcanzada entre la muestra y el agua (Fig. 6).

Fig. 5: Muestra retirada del agua hirviendo

Fig. 6: Medida de la temperatura de equilibrio 3

INFORME DE LABORATORIO Laboratorio N° 02: Estudio de la transferencia de energía térmica unidimensional en estado estacionario

Mesa

Fecha

Hora

..……/………/…..…

CUADRO DE CALIFICACIÓN

Tipo de evaluación

Puntaje

Toma de datos

06

(Grupal) Hoja de cálculos

12

(Individual) Desempeño y puntualidad

02

(Individual)

 A ser llenado por el profesor evaluador:

N°

Apellidos

Nombres

Toma de

Hoja de

datos

cálculos

Desempeño y puntualidad

Nota Individual

1

2

3

4

Nota: La evaluación tanto en la toma de datos (Trabajo grupal) como en la hoja de cálculos (Trabajo individual) , debe ser calificado estrictamente teniendo en cuenta que el alumno exprese correctamente sus resultados, es decir aplique uso de cifras significativas, realice las conversiones de unidades respectivas y coloque unidades al final de cada resultado 4

Presentación de Informe grupal

A. TOMA DE DATOS (Grupal) Paso 1: Medida de masas y temperatura para el uso del calorímetro a) Siguiendo el procedimiento mencionado anteriormente (Sección 4.1), mida los valores de masa de agua fría

( ), la temperatura del agua fría ( ). Posteriormente mida la masa de agua caliente () y la temperatura del agua caliente ( ) a ≈ 90 °C. Anote todos estos datos en la Tabla A.1. b) Mida también la temperatura de equilibrio siguiendo el proceso anteriormente mencionado (Este valor de temperatura no debe ser calculado sino medido).

Tabla A.1: Medida de masas y temperatura para el uso del calorímetro (02 puntos) Medida de masas





(kg)

(kg)

Medida de temperaturas





(°C)

(°C)

Medida de la temperatura de equilibrio Temperatura de equilibrio

(°C)

Paso 2: Medida de masas y temperatura para el uso de muestras metálicas

a) Escoja 02 de las 05 muestras metálicas para realizar su experiencia. La Tabla ANEXO indica el tipo de metal de cada muestra y su respectivo calor específico.

Nota: Cada muestra metálica tiene inscrita una letra en la parte superior (Ver Tabla ANEXO)

5

Tabla ANEXO: Calor específico de 05 muestras metálicas

Letra

Tipo de muestra metálica

Calor específico (J/kg.K)

A

Zinc

390

B

Aluminio

897

C

Acero

452

D

Cobre

387

E

Latón

380

b) Siga el procedimiento mencionado anteriormente (Sección 4.2) y anote en las Tablas A.2 y A.3, las mediciones

, masa de agua fría suficiente para sumergir totalmente la muestra ( ), la temperatura del agua fría ( )  antes de entrar en contacto con la muestra. Posteriormente la temperatura del agua en punto de ebullición ( ) y finalmente la temperatura de equilibrio ( ). de masa de la muestra metálica

c) Tener en cuenta que todas estas mediciones se realizan para cada muestra metálica y por separado. Tabla A.2: Medida de parámetros para el cálculo de calor específico del ____________ (02 puntos)

Metal

Muestra 1: ___________

Mediciones

  (kg)    (°C)    (°C) Masa de agua fría utilizada   (kg)



Temperatura de equilibrio  (°C)



6

Tabla A.3: Medida de parámetros para el cálculo de calor específico del ______________ (02 puntos)

Metal

Muestra 2: _____________

Mediciones

  (kg)    (°C)   (°C) Masa de agua fría utilizada    (kg)



Temperatura de equilibrio  (°C)



7

Alumno 1: ______________________________________________________________________________

B. CÁLCULOS Paso 1: Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro a)

Tenga en cuenta la energía térmica transferida entre los componentes del sistema, y la conservación de esta energía:



∑   

              Siendo:

Donde

 

 es la capacidad calorífica para el calorímetro. Anote sus resultados en la Tabla B.1.

Observación: Muestre sus cálculos Tabla B.1: Cálculo de capacidad calorífica del calorímetro (03 puntos)

Capacidad calorífica

    

Paso 2: Determinación del calor específico de las muestras metálicas

a) Calcule la energía térmica transferida entre los componentes del sistema, teniendo en cuenta la conservación de esta energía:



∑   

       8

.     . Realice los mismos cálculos para cada muestra.

b) Despeje el valor del calor específico para cada muestra

c) Use

el

dato

 , calculado en el Paso 1.

de

la

capacidad

Dato: Calor específico del agua

calorífica

del

Tabla B.2: Cálculo de calor específico de las muestras metálicas (04 puntos) Muestra 1: _________________

Calor específico

    

Muestra 2: _________________

Calor específico

    

Paso 3: Cálculo de error relativo porcentual para el calor específico de las muestras metálicas a)

Calcule el error relativo porcentual para los calores específicos de cada muestra elegida.

9

calorímetro

Tabla B.3: Cálculo de error relativo porcentual para las diferencias de calor específico de las muestras (02 puntos)

Cálculo de error relativo porcentual (E%)

    

    









|      |   

C. RESUMEN DE ACTIVIDADES (03 puntos)

C.1 Explique brevemente la actividad realizada en el laboratorio, mencionando como se usaron los materiales.  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________

C.2 ¿Está de acuerdo con los resultados obtenidos? Explique en referencia a los errores porcentuales obtenidos.  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________

C.3

Menciones 02 conclusiones de la experiencia

 ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________

10

Alumno 2: ______________________________________________________________________________ B. CÁLCULOS Paso 1: Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro a)

Tenga en cuenta la energía térmica transferida entre los componentes del sistema, y la conservación de esta energía:



∑   

              Siendo:

Donde

 

 es la capacidad calorífica para el calorímetro. Anote sus resultados en la Tabla B.1.

Observación: Muestre sus cálculos Tabla B.1: Cálculo de capacidad calorífica del calorímetro (03 puntos)

Capacidad calorífica

    

Paso 2: Determinación del calor específico de las muestras metálicas

a) Calcule la energía térmica transferida entre los componentes del sistema, teniendo en cuenta la conservación de esta energía:



∑   

       11

.     . Realice los mismos cálculos para cada muestra.

b) Despeje el valor del calor específico para cada muestra

c) Use

el

dato

 , calculado en el Paso 1.

de

la

capacidad

Dato: Calor específico del agua

calorífica

del

Tabla B.2: Cálculo de calor específico de las muestras metálicas (04 puntos) Muestra 1: _________________

Calor específico

    

Muestra 2: _________________

Calor específico

    

Paso 3: Cálculo de error relativo porcentual para el calor específico de las muestras metálicas a)

Calcule el error relativo porcentual para los calores específicos de cada muestra elegida.

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calorímetro

Tabla B.3: Cálculo de error relativo porcentual para las diferencias de calor específico de las muestras (02 puntos)

Cálculo de error relativo porcentual (E%)

    

    









|      |   

C. RESUMEN DE ACTIVIDADES (03 puntos)

C.1 Explique brevemente la actividad realizada en el laboratorio, mencionando como se usaron los materiales.  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________

C.2 ¿Está de acuerdo con los resultados obtenidos? Explique en referencia a los errores porcentuales obtenidos.  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________

C.3

Menciones 02 conclusiones de la experiencia

 ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________

13

Alumno 3: ______________________________________________________________________________ B. CÁLCULOS Paso 1: Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro a)

Tenga en cuenta la energía térmica transferida entre los componentes del sistema, y la conservación de esta energía:



∑   

              Siendo:

Donde

 

 es la capacidad calorífica para el calorímetro. Anote sus resultados en la Tabla B.1.

Observación: Muestre sus cálculos Tabla B.1: Cálculo de capacidad calorífica del calorímetro (03 puntos)

Capacidad calorífica

    

Paso 2: Determinación del calor específico de las muestras metálicas

a) Calcule la energía térmica transferida entre los componentes del sistema, teniendo en cuenta la conservación de esta energía:



∑   

       14

.     . Realice los mismos cálculos para cada muestra.

b) Despeje el valor del calor específico para cada muestra

c) Use

el

dato

 , calculado en el Paso 1.

de

la

capacidad

Dato: Calor específico del agua

calorífica

del

Tabla B.2: Cálculo de calor específico de las muestras metálicas (04 puntos) Muestra 1: _________________

Calor específico

    

Muestra 2: _________________

Calor específico

    

Paso 3: Cálculo de error relativo porcentual para el calor específico de las muestras metálicas a)

Calcule el error relativo porcentual para los calores específicos de cada muestra elegida.

15

calorímetro

Tabla B.3: Cálculo de error relativo porcentual para las diferencias de calor específico de las muestras (02 puntos)

Cálculo de error relativo porcentual (E%)

    

    









|      |   

C. RESUMEN DE ACTIVIDADES (03 puntos)

C.1 Explique brevemente la actividad realizada en el laboratorio, mencionando como se usaron los materiales.  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________

C.2 ¿Está de acuerdo con los resultados obtenidos? Explique en referencia a los errores porcentuales obtenidos.  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________

C.3

Menciones 02 conclusiones de la experiencia

 ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________

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Alumno 4: ______________________________________________________________________________ B. CÁLCULOS Paso 1: Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro a)

Tenga en cuenta la energía térmica transferida entre los componentes del sistema, y la conservación de esta energía:



∑   

              Siendo:

Donde

 

 es la capacidad calorífica para el calorímetro. Anote sus resultados en la Tabla B.1.

Observación: Muestre sus cálculos Tabla B.1: Cálculo de capacidad calorífica del calorímetro (03 puntos)

Capacidad calorífica

    

Paso 2: Determinación del calor específico de las muestras metálicas

a) Calcule la energía térmica transferida entre los componentes del sistema, teniendo en cuenta la conservación de esta energía:



∑   

       17

.     . Realice los mismos cálculos para cada muestra.

b) Despeje el valor del calor específico para cada muestra

c) Use

el

dato

 , calculado en el Paso 1.

de

la

capacidad

Dato: Calor específico del agua

calorífica

del

Tabla B.2: Cálculo de calor específico de las muestras metálicas (04 puntos) Muestra 1: _________________

Calor específico

    

Muestra 2: _________________

Calor específico

    

Paso 3: Cálculo de error relativo porcentual para el calor específico de las muestras metálicas a)

Calcule el error relativo porcentual para los calores específicos de cada muestra elegida.

18

calorímetro

Tabla B.3: Cálculo de error relativo porcentual para las diferencias de calor específico de las muestras (02 puntos)

Cálculo de error relativo porcentual (E%)

    

    









|      |   

C. RESUMEN DE ACTIVIDADES (03 puntos)

C.1 Explique brevemente la actividad realizada en el laboratorio, mencionando como se usaron los materiales.  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________

C.2 ¿Está de acuerdo con los resultados obtenidos? Explique en referencia a los errores porcentuales obtenidos.  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________

C.3

Menciones 02 conclusiones de la experiencia

 ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________  ______________________________________________________________________________________

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