Proyecto de Fisica 2

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RESUMEN ............................................................................................................................... 3 1. INTRODUCCION .............................................................................................................. 4 2. OBJETIVOS: ..................................................................................................................... 4 3. DESARROLLO. ................................................................................................................. 5 4. PARTE EXPERIMENTAL .................................................................................................. 10 5. ANALISIS DE LOS RESULTADOS ................................................................................. 14 6. CONCLUSIONES............................................................................................................ 14 7. BIBLIOGRAFIA. .............................................................................................................. 15 8. ANEXOS. ........................................................................................................................ 15

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El presente trabajo abordamos básicamente la construcción de un calorímetro de conducción de calor y se muestra en detalle cada uno de sus elementos constituyentes, con énfasis en el sistema que se usa para detectar el flujo de calor. Donde lograremos demostrar el calor específico de ciertas sustancias o materiales en agua y sometidas a ciertas temperaturas, también veremos a que se debe el equilibrio térmico. Desarrollamos también conceptos básicos de la termodinámica y calor, para poder determinar fácilmente el experimento que se avalúa en el presente trabajo. Finalmente concluiremos que el calorímetro construido tiene características de estabilidad de línea base, constante de calibración y sensibilidad, adecuada para las determinaciones de calor especifico de las sustancias sometidas en el agua.

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Antes de comenzar con el desarrollo de nuestro tema, definiremos los conceptos básicos de termodinámica o calorimetría, que estudia la cantidad de calor que intercambian dos o más sustancias que están a diferentes temperaturas. Así mismo analiza las transformaciones que experimentan dichas sustancias al ganar o perder calor. Para definir el calor existen dos teorías, según José Black Wolf (1750), menciona que el calor es un fluido capaz de penetrar en los cuerpos y pasar de unos a otros. Este fluido es calórico, caracterizado por ser imponderable (no tiene peso) y por estar formado por partículas que se repelen mutuamente y son atraídas por la materia; sin embargo Rumford (1718), refuta la teoría del calórico, y considera al calor como una forma de la energía alojada en los cuerpos denominada energía térmica, que depende de los movimientos de sus menores porciones, los átomos y las moléculas. Por lo que el calor viene a ser la energía que se comunica entre un sistema y su medio ambiente como resultado únicamente de las diferencias de temperatura. Luego, un científico llamado Joule, demostró experimentalmente que al convertir una cantidad dada de energía mecánica en calor, siempre se produce la misma cantidad de calor. Finalmente Helmholtz expreso la idea de que no solo el calor y la energía mecánica son equivalentes si no todas las formas de energía lo son.

2.1. •

2.2.

OBEJTIVOS GENERALES: Aplicar los conocimientos adquiridos de calorimetría en la práctica, y obtener resultados que se aproximen con los calculados con las formulas correspondientes. OBJETIVOS ESPECIFICOS:

1. Construcción de un calorímetro para la compresión de su funcionamiento.

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2. Como aplicar las formulas de la calorimetría para la obtención del calor específico de las sustancias. 3. Demostraremos porque existe el equilibrio térmico 4. Veremos cuando existe el intercambio de calor.

Antes de realizar nuestro proyecto desarrollaremos los conceptos básicos para poder llegar al objetivo trazado. 3.1.

Capacidad calorífica.(C)

Es la cantidad de calor que se debe aumentar o disminuir a una sustancia, de tal manera que su temperatura aumente o disminuya en un grado centígrado. cantidad de calor y 3.2.

; Donde Q es la

es la variación de la temperatura.

Calor especifico. (C.e)

La capacidad calorífica de un cuerpo por unidad de masa se llama calor específico, es característico de cada material de que está formado el cuerpo. Y viene dada por la formula.

3.3.

EQUIVALENTE MECANICO DEL CALOR.

A 4.1858 Joule de energía mecánica elevan la temperatura de 1g de agua de 14.5 °C a 15.5 °C. a este valor se le conoce como el equivalente mecánico del calor.

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3.4.

EQUILIBRIO TERMICO.

Se dice que los cuerpos en contacto térmico se encuentran en equilibrio térmico cuando no existe flujo de calor de uno hacia el otro. Esta definición requiere además que las propiedades físicas del sistema, que varían con la temperatura, no cambien con el tiempo. Algunas propiedades físicas que varían con la temperatura son el volumen, la densidad y la presión. El parámetro termodinámico que caracteriza el equilibrio térmico es la temperatura. Cuando dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico, entonces estos cuerpos tienen la misma temperatura. Dos sistemas (entiéndase por sistema a una parte del universo físico) que están en contacto mecánico directo o separados mediante una superficie que permite la transferencia de calor (también llamada superficie diatérmica), se dice que están en contacto térmico. Consideremos entonces dos sistemas en contacto térmico, dispuestos de tal forma que no puedan mezclarse o reaccionar químicamente. Consideremos además que estos sistemas están colocados en el interior de un recinto donde no es posible que intercambien calor con el exterior ni existan acciones desde el exterior capaces de ejercer trabajo sobre ellos. La experiencia indica que al cabo de un tiempo estos sistemas alcanzan un estado de equilibrio termodinámico que se denominará estado de equilibrio térmico recíproco o simplemente de equilibrio térmico. El concepto de equilibrio térmico puede extenderse para hablar de un sistema o cuerpo en equilibrio térmico. Cuando dos porciones cualesquiera de un sistema se encuentran en equilibrio térmico se dice que el sistema mismo está en equilibrio térmico o que es térmicamente homogéneo. Experimentalmente se encuentra que, en un sistema en equilibrio térmico, la temperatura en cualquier punto del cuerpo es la misma. 3.5.

CALOR Y ENERGÍA INTERNA.

La energía interna es toda la energía de un sistema que se asocia con los componentes microscópicos del sistema. Incluye energía cinética de traslación aleatoria, rotación y vibración de moléculas, energía potencial vibratoria dentro de las moléculas y energía potencial entre moléculas. El calor es la transferencia de energía a través de la frontera de un sistema, que resulta de una diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores. El símbolo Q representa la cantidad de energía transferida por este proceso. 3.6.

CALORES ESPECIFICOS DE ALGUNAS SUSTANCIASA 25 °C Y PRESION ATMOSFERICA.

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Tabla N° 3.6. Estos calores específicos son a temperatura ambiente y calculados con presión atmosférica.

3.7.

CALORIMETRIA.

La calorimetría como su nombre o indica, significamedir el calor. El principio básico de la calorimetría es la conservación de la energía. Si un cuerpo caliente y un cuerpo frio se ponen en contacto térmico, con el tiempo alcanzaran el equilibrio térmico a la misma temperatura debido a la transformación o el “flujo” de calor. Si no se intercambia calor con los alrededores (el sistema es aislado), tenemos que: Calor ganado (Por el cuerpo caliente)

=

calor ganado (Por el cuerpo frio)

Las mediciones de las cantidades de calor transferido de una sustancia a otra se efectúan en aparatos especialmente diseñados, llamados calorímetros. Un tipo común de calorímetro empleado en laboratorio de física se observa a continuación. Se trata básicamente de un recipiente aislado donde se lleva a cabo la transferencia de calor y de puede medir con la temperatura con el termómetro. Sin embargo, aun si el aislamiento del calorímetro es satisfactorio, calentara y enfriara respectivamente en el curso de las operaciones de equilibrio de calor.

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EQUIVALENTE EN AGUA DE UN CALORIMETRO. Es la cantidad de agua con la cual podemos reemplazar el vaso medidor, el termómetro y el agitador. El valor numérico está dado por la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura del calorímetro en 1°C. Considerando que el equivalente en agua se refiere: al conjunto: vaso medidor, termómetro y agitador, este valor es diferente para cada calorímetro. Si se coloca en el vaso calorimétrico una masa de agua a temperatura y añadimos a ésta otra masa, de agua calentada a temperatura , después de agitar cuidadosamente, se conseguirá la temperatura de equilibrio de la mezcla t. Por lo tanto, a partir de la conservación de la energía tenemos que el calor ganado por el (los) cuerpo(s) frío(s) debe ser Igual al calor perdido por el cuerpo caliente, es decir:

Donde

es la cantidad de calor ganado por el calorímetro.

Reemplazando las expresiones de la cantidad de calor para cada componente tenemos: ( ) ( ) ( ) Donde V es el equivalente en agua del calorímetro. Por lo que la formula quedaría expresado de la siguiente manera.

Donde:

t

Masa del agua caliente. Masa del agua fría. Temperatura del agua caliente. Temperatura del agua fría temperatura final de equilibrio.

El calor específico de una sustancia se mide de ordinario mediante un procedimiento, calorimétrico denominado método de las mezclas. Una sustancia, cuya masa y temperatura se conocen, se coloca en una a sustancia más fría de masa y temperatura conocidas; por ejemplo, un metal dentro de un líquido o un líquido dentro de otro líquido. Para lo cual se hace uso de la ecuación siguiente.

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Donde:

3.8.

calor especifico del metal (desconocido). Masa del agua fría. 1 cal/g°c V equivalente de agua del calorímetro Temperatura del agua fría Temperatura del metal. t temperatura final de equilibrio. Masa del metal.

CALOR LATENTE.

El calor latente de una sustancia se define como la relacion de la energía necesaria para causar un cambio de face a la masa de la sustancia. Y viene dado por la siguiente formula

La energía Q que se requiere para cambiar la temperatura de una masa (m), de una sustancia en una cantidad es:

Donde c es el calor especifico de la sustancia. La energía requerida para cambiar de fase de una sustancia pura de una masa es Donde L es el calor latente de la sustancia y depende de la naturaleza del cambio de fase y la sustancia. El signo positivo se usa si la energía entra al sistema y el signo negativo se usa si la energía sale del sistema. 3.9.

ALGUNOS CALORES LATENTES.

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4.1.

ELABORACION DEL CALORIMETRO.

El calorímetro es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. En un caso ideal de transferencia de calor se puede hacer una simplificación: que únicamente se consideren como sustancias intervinientes a las sustancias calientes y frías entre las que se produce la transferencia de calor y no los recipientes, que se considerarían recipientes adiabáticos ideales, cuyas paredes con el exterior serían perfectos aislantes térmicos (calorímetro); el caso real más parecido sería un termo o un saco de dormir con relleno de plumas.

4.2

MATERIALES        

4.2.

1 lata de refresco 1 frasco de vidrio con tapa. Plasticona y yeso. 2 vasos de precipitado 1 mechero Red de tela de asbesto. Un termómetro. Un agitador de vidrio. PROCESO DE FABRICACION.

El proceso de fabricación del calorímetro, no se hizo con el grupo, porque se mandó hacer con un técnico que conoce la elaboración de calorímetros, por lo cual solo procederemos a realizar cálculos con dicho calorímetro.

4.3

CÁLCULO Y PROCESAMIENTOS DE DATOS 

PARTE I. DETERMINACION DEL EQUIVALENTE EN AGUA DEL CALORIMETRO.

 Primer experimento. Se mide con la balanza una masa de agua y colocarla en el calorímetro. Luego de agitarla suavemente, medir su temperatura. En un vaso pírex calentar una masa igual de agua hasta aproximadamente 80°C y agregarla al calorímetro (el agua se puede calentar en una olla grande y luego vaciarla en el vaso pírex y esperar hasta que alcance la temperatura de

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trabajo). Agitar suavemente y esperar hasta alcanzar el equilibrio térmico, luego medir la temperatura final de equilibrio. Los datos obtenidos son los siguientes. TABLA N° 1. En esta tabla presentamos las masas y temperaturas del agua. peso del recipiente sin agua peso del recipiente con el agua peso del agua fría (m2) peso del agua fría para el calorímetro temperatura del agua caliente temperatura del agua fría temperatura final

254.2 458.1 203.9 212.0 80.0 20.0 43.0

gr. gr. gr. gr. °c °c °c

Ahora haremos los cálculos correspondientes utilizando la siguiente formula, descrita anteriormente.

(



)

PARTE II. DETERMINACION DEL CALOR ESPECÍFICO DE UN SOLIDO.

 Segundo experimento.

Se mide con la probeta el volumen de agua necesario para cubrir completamente el cuerpo sólido en el calorímetro. Se mide con la balanza las masas del sólido y del agua, asegurándose que el sólido no tenga películas adheridas ni gotas de agua. Colocar el agua dentro del calorímetro y luego de agitar suavemente medir su temperatura. Calentar el sólido en agua (por ejemplo a 60 o 80 grados Celsius) cuidando que el calentamiento sea total y homogéneo. Colocar el sólido, lo más rápido posible, dentro del calorímetro y agitar suavemente. Esperar a lograr el equilibrio térmico y tomar nota de la temperatura. Los datos obtenidos son los siguientes.

TABLA N° 2. En la siguiente tabla presentamos la masa y temperaturas del agua, asi como también y la masa de la barra que se utilizó en el experimento.

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peso de la barra peso del agua fría para el calorímetro temperatura del agua caliente temperatura del agua fría temperatura final

5.1 224.1 80.0 20.0 20.5

gr. gr. °c °c °c

Ahora haremos los cálculos correspondientes utilizando la formula siguiente, visto anteriormente

(

0.566

=

)

2369 J/kg °c

 Tercer experimento. siguiendo los procedimientos anteriores hacemos para otros metales, y los datos anotaremos en las siguientes tablas. Tomaremos diferentes objetos metálicos a

TABLA N° 3. En esta tabla presentamos las masas y temperaturas del agua para luego determinar el equivalente en agua de una tuerca. peso del recipiente sin agua peso del recipiente con el agua peso del agua fría (m2) peso del agua fría para el calorímetro temperatura del agua caliente temperatura del agua fría temperatura final

254.2 458.1 203.9 212.0 80.0 20.0 43.0

gr. gr. gr. gr. °c °c °c

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(

)

Cuarto experimento TABLA N° 4. En la siguiente tabla presentamos la masa y temperaturas del agua, así como también y la masa de la tuerca que se utilizó en el experimento. peso de la tuerca peso del agua fría para el calorímetro temperatura del agua caliente temperatura del agua fría temperatura final

(

0.37

15.9 226.3 80.0 20.0 21.5

gr. gr. °c °c °c

)

= 1548.8 J/kg °c

Quinto experimento. Tabla N°5. En la siguiente tabla presentamos la masa y temperaturas del agua, así como también y la masa de la moneda que se utilizó en el experimento, es el equivalente en agua del calorímetro utilizaremos mismo de los dos anteriores, ya que al hacer los cálculos obtenemos los mismos resultados, porque se utiliza las mismas temperaturas y cantidades aproximadas de agua. peso de la moneda peso del agua fría para el calorímetro temperatura del agua caliente temperatura del agua fría temperatura final

7.02 223.7 80.0 20.0 21.0

gr. gr. °c °c °c

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(

)

= 3432.5 J/kg °c

En el siguiente cuadro demostramos que los valores calculados son aproximados a los que se muestra en la tabla N° 3.6; ya que se deberán a diferentes factores de toma de los datos. OBJETO BARRA TUERCA MONEDA

CALOR ESPECIFICO CALCULADO cal/g °c

CALOR ESPECIFICO CALCULADO J/kg °c

CALOR ESPECIFICO ESTANDAR 25 °C

0.566 0.37 0.82

2369.00 1548.8 3432

0.0924 BRONCE 0.436 BERILLO 0.056 PLATA

1. Se construyó el calorímetro correctamente y su función es normal. 2. Hemos llegado a la conclusión que el calorímetro nos sirve para equilibrar la temperatura de solidos o líquidos. 3. El intercambio de calor se da específicamente cuando dos cuaerpos o sustancia están en contacto, donde intercambian el calor que tiene el otro, llegando a una conclusión la sustancia que tiene mayor temperatura pierde calor, y la que tiene menos temperatura es la que gana el calor. Los datos son aproximados ya que las temperaturas son variantes a los estándares (25 °c) y nuestros experimentos están a 20 °c .

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 Física II, termodinámica e ondas. Autor: Young y Freedman duodecima edición  Física para ciencias e ingeniería. Autor: Serway . Jeweet- volumen 1  Física I principios con aplicaciones. Autor: GIANCOLI 

Incluyamos las fotos de la práctica. 1. Pesando la masa del agua.

2. Calentando el agua para determinar el equilibrio térmico de dicho líquido.

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3. Calentando un solido para ver el calor especifico.

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