Calorimetría (Informe de laboratorio)

UNIVERSIDAD DEL CAUCA  Departamento de Física  Laboratorio de Mecánica de Fluidos  I Periodo de 2010

Calorimetría M.I. Urbano1, A.López1, J.M. Escobar1, J.L. Rengifo1 1

 Ingenieria en Automática Industrial, Facultad de Ingenieria Electrónica y Telecomunicaciones Universidad del Cauca, carrera 2da calle 18N sector Tulcán, Popayán Colombia

Recibido: 9 de Junio de 2010

Resumen La calorimetría se encarga de medir el calor en una reacción química o un cambio físico usando un calorímetro. La calorimetría indirecta calcula el calor que los organismos vivos producen a partir de la producción de dióxido de carbono y de nitrógeno (urea en organismos terrestres) , y del consumo de oxígeno. Para determinar el calor específico de una sustancia cualquiera debemos saber con qué facilidad ésta intercambia calor con el medio que le rodea. El medio debe estar bajo condiciones controladas para poder cuantificar el intercambio de calor del cuerpo en estudio y para ello dispondremos de un sistema aislado del medio ambiente, en otras palabras, le crearemos un pequeño ambiente al objeto estudiado de tal manera que se encuentre libre de interacción con la atmósfera, tal ambiente es el Thermo o Calorímetro quien idealmente no debiera intercambiar nada de calor con el medio, sin embargo sabemos que esto no ocurre, sin embargo, para intervalos de tiempo no muy extensos es el thermo una buena aproximación a lo idealmente requerido.

Palabras claves: Calor, capacidad calorífica, calor específico.

Abstract The calorimetry takes charge measuring the heat in a chemical reaction or a physical change using a calorimeter. The indirect calorimetry calculates the heat that the alive organisms produce from the production of carbon dioxide and of nitrogen (urea in terrestria l organisms), and of the consumption of oxygen. oxygen. To determine the specific heat of a substance anyone we must know with what facility this one exchanges heat with the way that him makes a detour. The way must be under conditions controlled to be able to quantify the heat exchange of the body in study and for it we will have a system isolated of the environment, in other words, will create a small environment to the studied object in such a way that he is free of interaction with the atmosphere, such an environment is the Thermo or Calorimeter who ideally must not exchange anything of  heat with the way, nevertheless we know that this does not happen, nevertheless, for not very extensive intervals of time it is the thermo a good approximation to the ideally needed.

Keywords: Heat, calorific capacity, specific heat .

que está exclusivamente relacionada con la diferencia de temperatura existente entre ellos.

Introducción El calor es una forma de energía. La temperatura de un sistema es una propiedad del mismo que determina si quedará o no en equilibrio térmico cuando se pone en contacto con cualquier otro sistema. Supóngase que el sistema A, a temperatura superior a la de B, es puesto en contacto con este. Una vez alcanzado el equilibrio térmico, térmico, se encuentra que A ha experimentado una disminución y B un aumento de temperatura. De esta manera decimos que entre dos cuerpos que se encuentran en estas condiciones existe un flujo de energía, a la que llamamos calor. Entonces tenemos que el calor es la energía trasferida entre dos sistemas y

Esta práctica trata de la calorimetría, por eso debemos saber que es calorimetría. calorimetría. Una definición sencilla sencilla dice que la calorimetría se encarga de medir el calor en una reacción química o un cambio físico usando un calorímetro. La calorimetría indirecta calcula el calor que los organismos vivos producen a partir de la producción de dióxido de carbono y de nitrógeno (urea en organismos terrestres), terrestres), y del consumo de oxígeno.

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Calorimetría

El calor específico es una propiedad intensiva de la materia, por lo que es repr esentativo de cada sustancia; por el contrario, la capacidad calorífica es una propiedad extensiva representativa de cada cuerpo o sistema particular.

Se mide en unidades del SI julios/K (o también en cal/ºC). La capacidad calorífica (C ) de un sistema físico depende de la cantidad de sustancia o masa de dicho sistema. Para un sistema formado por una sola sustancia homogénea se define además el calor específico específico o capacidad calorífica especíespecífica c a partir de la relación:

Cuanto mayor es el calor específico de las sustancias, más energía calorífica se necesita para incrementar la temperatura. Por ejemplo, se requiere ocho veces más energía para incrementar la temperatura de un lingote de magnesio que para un lingote de plomo de la misma masa.

 = 

Marco Teórico

 =  ∆

Donde:

Calor. ·

El calor es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico.

·

c es el calor específico o capacidad calorífica específica m la masa de sustancia considerada

De las anteriores relaciones es fácil inferir que al aumentar la masa de un a sustancia, se aumenta su capacidad calorífica ya que aumenta la inercia térmica, y con ello aumenta la dificultad de la sustancia para variar su temperatura. Un ejemplo de esto se puede apreciar en las ciudades costeras donde el mar actúa como un gran termostato regulando las variaciones de temperatura.

El calor puede ser transferido por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado.

Calor específico. Capacidad calorífica. El calor específico es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). En general, el valor del calor específico depende de dicha temperatura inicial. Se la representa con la letra c (minúscula).

La capacidad calorífica de define como la cantidad de calor que hay que suministrar a toda la extensión de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). Se la representa con la letra (mayúscula). Para medir la capacidad calorífica bajo unas determinadas condiciones es necesario comparar el calor absorbido por una sustancia (o un sistema) con el incremento de temperatura resultante. La capacidad calorífica viene dada por:

Por lo tanto el calor específico es la capacidad calorífica específica y se expresa de la siguiente manera:

  = ∆→ lim ∆

 =  El calor específico es una propiedad intensiva de la materia, por lo que es repr esentativo de cada sustancia; por el contrario, la capacidad calorífica es una propiedad extensiva representativa de cada cuerpo o sistema particular. particular.

Donde: ·

· ·

C es la capacidad calorífica, calorífica, que en general será función de las variables de estado. Q es el calor absorbido por el sistema. ΔT la variación de temperatura

Cuanto mayor es el calor específico de las sustancias, más energía calorífica se necesita para incrementar la temperatura. Por ejemplo, se requiere ocho veces más energía para 2

incrementar la temperatura de un lingote de magnesio que para un lingote de plomo de la misma masa.

inicial T i a la final T  f  se calcula mediante la integral siguiente:

  =     

El término "calor específico" tiene su origen en el trabajo del físico Joseph Black, quien realizó variadas medidas calorimétricas y usó la frase “capacidad para el calor”. En esa época la mecánica y la termodinámica se consideraban ciencias independientes, por lo que actualmente el término podría parecer inapropiado; tal vez un mejor nombre podría ser transferencia de energía calorífica específica, pero el término está demasiado arraigado para ser reemplazado.

En un intervalo donde la capacidad calorífica sea aproximadamente constante la fórmula anterior puede escribirse simplemente como:

 ≈ ∆

Cantidad de calor. La experiencia pone de manifiesto que la cantidad de calor tomada (o cedida) por un cuerpo es directamente proporcional a su masa y al aumento (o disminución) de temperatura que experimenta. La expresión matemática de esta relación es la ecuación calorimétrica. calorimétrica.

Resultados y Análisis

Los datos obtenidos en el laboratorio en la toma 1 y toma 2 se muestran a continuación:

 = ∆

( ) ( ) ( °) ( °)  ( °) 250 250 = 250

̂ ∆

El calor específico medio ( ) correspondiente a un cierto intervalo de temperaturas se define en la forma:

 

 ̂ = ∆

291 285 = 288

21 23 =22



 



60 62 = 61

41 43 = 42

 

Calculando la cantidad de calor cedido (Qc) y la cantidad de calor ganado (Qg) tenemos: Primero tenemos en cuenta que

Donde Q es la transferencia de energía en forma calorífica entre el sistema y su entorno u otro sistema, m es la masa del sistema (se usa una n cuando se trata del calor específico específico molar) y es el incremento de temperatura que experimenta el sistema.

Qc = - Qg entonces:

∆

Qc + Qg = 0

(m1 + c) * Ceagua * (T f

El calor calor específi específico co ( ) correspondi correspondiente ente a una tempera temperatura tura dada Tse define como:

Con: Ceagua

=

-

T1 ) + m2 * Ceagua * (Tf

1 tenemos que: c=

m2 (T2 - T  f  )

(T f  - T 1 )

-

m1

− 52) − 250  = 288(42∗ (61− 22)

El calor calor específ específico ico ( ) es una funció función n de la temperatu temperatura ra del sistema; esto es, ( ) . Esta función es creciente para la mayoría de las sustancias.



Por lo tanto tenemos que:



Conocida la función ( ) , la cantidad de calor asociada con un cambio de temperatura del sistema desde la temperatura 3

 = 23.6

-

T ) =  0

  2

Calorimetría

Ahora calculamos la cantidad de calor ganado Qg

Qg

=

c * m * (T f

Qg

=

23.6 * 25 250 * ( 42 42 - 22)

Qg

=

118000

-

Referencias

Ti )  

[1] http://www.fisicanet.com.a http://www .fisicanet.com.ar/fisica/termodi r/fisica/termodinamica/ap01_cal namica/ap01_cal orimetria.php [2] Libro: Física de Sears Zemansky. Tercera ediión. Páginas 339-343 [3] http://www http://www.textoscientifico .textoscientificos.com/fisica/calor/ca s.com/fisica/calor/cantidades ntidades

Ahora calculamos la cantidad de calor cedido Qc

Qc

=

c * m * (T f

Qc

=

23.6*288*(4 6*288*(42 2 - 61)

Qc

= -

-

Ti )  

[4] http://es.w http://es.wikipedia.org/wiki/C ikipedia.org/wiki/Calor_específ alor_específico ico

129000

Al ver los resultados notamos que la suam de de calor cedido y calor ganado no nos da cero como debería ocurir si se tuviera un equilibrio térmico lo que indica que se cometieron errores en el desarrollo de la práctica de laboratorio.

Preguntas: La solución a las preguntas se encuentra en el anexo 1.

Conclusiones La ecuación calorimétrica calorimétrica sirve para determinar determinar cantidades de calor si se conoce la masa del cuerpo, su calor específico y la diferencia de temperatura, pero además permite definir la caloría como unidad de calor. Aun cuando no sea posible determinar el contenido total de energía calorífica de un cuerpo, puede medirse la cantidad que se toma o se cede al ponerlo en contacto con otro a diferente temperatura. Esta cantidad de energía en tránsito de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura es precisamente lo que se entiende en física por calor. Una caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado centígrado (1 °C) la temperatura de un gramo de agua. Esta definición, que tiene su origen en la época en la que la teoría del calórico estaba en plena vigencia, se puede hacer más precisa si se considera el hecho de que el calor específico del agua varía con la temperatura Si por convenio se toma el agua líquida como sustancia de referencia asignando a su calor específico un valor unidad, la caloría resulta de hacer uno el resto de las variables que intervienen en dicha ecuación.

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