Practica 5 Capacidad Calorifica

Universidad del Quindío, Programa de Ingeniería de Alimentos Laboratorio de fisicoquímica, II semestre 2020

Facultad de Ciencias Agroindustriales Programa de Ingeniería de Alimentos Laboratorio de Fisicoquímica

Practica No.5 Laboratorio Fisicoquímica Título: Determinación de la capacidad calorífica Cp

1. Objetivo Determinar la capacidad calorífica del calorímetro y algunos fluidos

2. Introducción Se denomina calor específico a la capacidad calorífica correspondiente a la unidad de masa del sistema. El calor específico de una sustancia equivale, por tanto, a una cantidad de calor por unidad de masa y de temperatura; o, en otros términos, es el calor que debe suministrarse a la unidad de masa de una sustancia dada para elevar su temperatura un grado, como se observa en la ecuación (1). Así, denominamos m a la masa del sistema, cuya capacidad calorífica media es 𝐶𝑝 =

𝐶 𝑄 = 𝑚 𝑚 ∗ ∆𝑇

(1)

Donde Cp es el calor específico medio, para el intervalo de temperatura ΔT. El calor específico es una propiedad intensiva, o sea independiente de la masa del sistema. Como su valor depende de la temperatura, lo mismo que la capacidad calorífica, para definirlo a una cierta temperatura debemos disminuir todo lo posible el intervalo ΔT haciendo tender las temperaturas al valor adoptado; como se muestra en la ecuación (2). 𝑄 𝜕𝑄 = ∆𝑇→0 𝑚 ∗ ∆𝑇 𝑚 ∗ 𝑑𝑇

𝐶𝑝 = lim

(2)

Donde Cp es el calor específico verdadero a una temperatura T.

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Unidades Cuando la masa se expresa en gr, el calor específico correspondiente a la capacidad calorífica de 1 gr del sistema, siendo sus unidades: cal. gr –1. grado–1; pudiendo expresarse también, evidentemente: Kcal. Kg–1. grado–1. Cuando la masa se expresa en moles, es decir, en el número de pesos moleculares gr del sistema, el calor específico corresponde a la capacidad calorífica de 1 mol, de sistema y se lo denomina: “capacidad calorífica molar”, “calor molar” o directamente “calor específico molar”. Sus unidades serán: cal. mol–1. grado–1 Cuando la masa se expresa en átomos-gramo, la capacidad calorífica de 1 átomo-gramo se denomina “calor atómico” y se expresa en cal. at. gr–1. grado–1. Calor específico del agua Como se puede observar en la figura 1 el calor específico del agua varía con la temperatura.

Figura 1. Variación del calor específico con la temperatura En la figura se ha representado la variación del calor específico del agua entre las temperaturas de 0 y 100 ºC, manteniendo la presión constante de 1 atmósfera. Se puede observar que el valor es 1 en las proximidades de 15 ºC, debido a la forma escogida para definir la unidad de calor.

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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. Valor del calor específico del agua En condiciones estándar, un kilogramo de agua necesita 1 kilocaloría para que su temperatura aumente 1ºC, es decir, 1 kcal/°C·kg, lo que equivale a 4,184 KJ/(K·kg) en el sistema internacional. En la tabla No. 1 pueden observar los valores de calos específico del agua entre 0°C y 100°C. La ecuación calorimétrica 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 que se presenta en la siguiente ecuación. 𝑄 = 𝐶𝑝 ∗ 𝑚 ∗ (𝑇𝑓− 𝑇𝑖 ) (3) Donde Q representa el calor cedido o absorbido, m la masa del cuerpo y Tf y Ti las temperaturas final e inicial respectivamente. Q será positivo si la temperatura final es mayor que la inicial (Tf > Ti) y negativo en el caso contrario (Tf < Ti). La letra c representa la constante de proporcionalidad correspondiente y su valor es característico del tipo de sustancia que constituye el cuerpo en cuestión. Dicha constante se denomina calor específico. Su significado puede deducirse de la ecuación (1). Si se despeja Cp, de ella resulta:

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Tabla No. 1. Calores específicos del agua entre 0°C y 100°C.

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3. Materiales y Reactivos Materiales • • • • • • • • • •

Probeta 50 ml. 2 vasos de precipitado 100ml Calorímetro Estufa con placa Termómetro Balanza Espátula Agitador Vidrio reloj Picnómetros

Reactivos • • • •

sal azúcar agua jugo comercial

4. Procedimiento 4.1 Determinar la capacidad calórica (C) del calorímetro a. b. c. d.

Agregar 100 ml de agua fría T ±5 °C y tapar Esperar que la temperatura se estabilice y registrarla (T1) Agregar 100 ml de agua a T ±35 °C (T2), tapar y agitar Esperar que la temperatura se estabilice y registrarla (T3)

(𝑚 ∗ 𝐶𝑝 ∗ ∆𝑇)

𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑓𝑟í𝑎

+ (𝐶 ∗ ∆𝑇)𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = (𝑚 ∗ 𝐶𝑝 ∗ ∆𝑇)𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 (4)

(𝑚 ∗ 𝐶𝑝 ∗ (𝑇3 − 𝑇1 )𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑓𝑟í𝑎 + 𝐶 ∗ (𝑇3 − 𝑇1) = 𝑚 ∗ 𝐶𝑝 ∗ (𝑇2 − 𝑇3 )𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 (5) Donde: T1: Temperatura agua fría T2: Temperatura de agua caliente T3: Temperatura de la mezcla del agua caliente y fría que se forma dentro del calorímetro El valor de Cp del agua se lee a la temperatura media del intervalo ∆T y en la Tabla No.1.

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4.2 Determinar el Cp de un jugo Proceder como en el numeral anterior remplazando el agua caliente por el jugo a 32°C. Pesando la cantidad de jugo indicada.

4.3 Determinar el Cp de una solución de azúcar al 15 por ciento en peso. Prepare 100 ml de una solución de azúcar al 15% en peso y repita el procedimiento 3.1 reemplazando el agua caliente por la solución azucarada.

4.4 Determinar del Cp de una salmuera al 30% en peso. Prepare una salmuera al 25% en peso y repita el procedimiento 3.1 reemplazando el agua caliente por la salmuera.

5. Resultados Escriba los resultados obtenidos durante la practica en la tabla que se presenta a continuación. Tabla 2. Datos obtenidos durante del experimento. Sustancia Calorímetro Jugo Solución azucarada Salmuera

T1

T2

T3

m

Cp

Q

6. Cálculos Tenga en cuenta que la T1 corresponde a la temperatura del agua fría, T2 a la temperatura del agua caliente o las soluciones en cada caso y T3 a la temperatura de la mezcla de las sustancias en el calorímetro. El valor de Cp para cada temperatura, los pueden tomar de la Tabla 1.

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Para el cálculo de Cp del calorímetro, el jugo, la solución azucarada y la salmuera utilice la ecuación (5) y para el cálculo del calor cedido o absorbido Q utilice la ecuación (3) Compare los resultados obtenidos con los datos teóricos y determine el error, explicando sus posibles causas.

7. Bibliografía ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

Ball, David W. Fisicoquímica. Editorial. Thomson. 2004. Barrow, Gordon. Química Física. Editorial Reverté. Barcelona 1964. Castellan, Gilbert W. Fisicoquímica. 2ª Ed. Addison Nesley Iberoamericana. México, 1997. Laidler, Keith y MEISER, J Fisicoquímica 1ª Ed. Compañía Editorial Continental, México. 1997 Levine, L N. Fisicoquímica, 3ª Ed, McGraw Hill, México, 1992 Mahan, Bruce H. Termodinámica Química Elemental. Editorial Reverté. Barcelona 1962. Maron, Samuel H. y PRUTTON, Carl F. Fundamentos de Fisicoquímica. 1ª Ed. 15ª reimpresión. Editorial Limusa. México, 1984.

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