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CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA Y CALORIMETRÍA
El calor es la energía que es transferida de un sistema a otro, debido a que se encuentran a diferentes temperaturas y se busca un equilibrio, basado en esto, en la práctica se realizó un análisis sobre los siguiente factores: la conservación de la energía, la medida de la capacidad calorífica de un calorímetro, la medida del calor latente de fusión de hielo, el calor latente de fusión medida del calor latente de vaporización del agua y por último se analizó una muestra problema, en este caso Tuercas de Hierro fundido, obteniendo % de error diversos que se debieron principalmente a errores en las mediciones realizadas durante el laboratorio.
OBJETIVOS
- Hacer un estudio acerca de la transferencia de la energía en forma de calor.
- Determinar el calor latente.
- Establecer experimentalmente la capacidad calorífica que presenta un calorímetro y el equivalente de agua en el calorímetro.
- Determinar el calor específico de un material elegido por el grupo.
INTRODUCCIÓN
La Termodinámica es el campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de sistemas macroscópicos (conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable) de materia y energía. En esta práctica se tuvo en cuenta una parte de la termodinámica, la cual se conoce como calorimetría.
La calorimetría es el método que se utiliza para calcular y medir la cantidad de energía en forma de calor que se intercambia en diversos procesos biológicos, físicos o químicos, en relación a un determinado material. Mediante este método se puede medir el calor en una reacción química o un cambio físico usando un dispositivo denominado calorímetro, con éste, en el laboratorio se analizaron varios parámetros relacionados con la calorimetría y las propiedades de este equipo, como la determinación de la conservación de la energía, la constante del calorímetro, capacidad calorífica del calorímetro, calor latente de fusión de hielo y de vaporización de agua, lo anterior con el fin de evaluar la transferencia de energía en forma de calor del dispositivo utilizado, en este caso el calorímetro.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El calorímetro es un recipiente que permite medir cantidades de calor que interactúan cuando se mezclan sustancias, en este caso agua, a diferentes temperaturas, éstas tienden a alcanzar el equilibrio térmico, es decir, mientras una pierde calor, la otra gana y por ello se realiza un balance de energía en el calorímetro y se cumple que: “En cualquier intercambio de calor efectuado, el calor cedido es igual al calor absorbido”, entonces tenemos:
Q 2 = Q (^1)
El método de mezclas o también llamado calorimetría es un proceso experimental para determinar el calor específico medio de una sustancia en estudio. Para esto se utiliza un calorímetro, que como ya se mencionó, consiste en un recipiente metálico de paredes delgadas, cuya superficie exterior está diseñada para reducir las pérdidas de calor por radiación.
Las pérdidas de calor se reducen encerrando el recipiente con una envoltura impermeable al calor, que está cerrado para evitar pérdidas por convección. La tapa de éste posee dos perforaciones, una de ellas para permitir las lecturas de la temperatura en el calorímetro a través de un termómetro. En el recipiente se introduce una cantidad conocida de agua, si tomamos la temperatura con el termómetro, antes y después de introducir una cantidad ( Q desconocida) de calor, dicho Q puede ser determinado a partir de la elevación de la temperatura producida por el agua caliente.
Figura 1. Estructura de un calorímetro.
Conservación de la energía
Para iniciar se determinó que el volumen del calorímetro es de 340 mL, las dos partes de agua (caliente y fría) se pesaron y se tomaron temperaturas, los resultados obtenidos se muestran en la tabla 1.
Tabla 1. Medidas de masa y temperatura del agua para la conservación de la energía. (Por triplicado).
toman dichas temperaturas y además la temperatura de equilibrio y se realiza el cálculo.
Medida del calor latente de fusión de Hielo
Se mezcló el agua con hielo en el calorímetro, para así afirmar que el calor cedido por el agua equivale al calor recibido por el hielo, dicho calor hace que el hielo se funda y que el agua resultante alcance la temperatura de equilibrio.
Tabla 2. Medidas de masa y temperatura de agua, de hielo y de equilibrio; Capacidad calorífica del calorímetro.
Masa inicial Masa hielo T° inicial T° equilibrio C (^) k 150,025 28,915 293,15 279,15 65, 150,056 27,1 292,15 279,15 66, Prom= 150,041 28,01 292,65 279,15 65,
Con los datos de la tabla 2, se procede a calcular el calor latente de fusión de Hielo, así:
[Ecuación 2]
Entonces reemplazando en la ecuación 2, tenemos
Calculando el porcentaje de error:
El porcentaje de error obtenido es alto, lo cual pudo deberse a un error sistemático en las mediciones de temperatura, ya que éstas no fueron tan exactas, pues es una variable que no se mantiene exacta y/o constante.
Medida del calor latente de vaporización de agua
Tabla 3. Medidas de temperatura y tiempo.
Tiempo 1 (s) Tiempo 2 (s)
T° Inicial (K)
T° Ebullición (K)
Ce
124 682 293,15 365,15 1 97 473 293,15 365,15 1 110 610 293,15 365,15 1 Prom=110,3 588,3 293,15 365,15 1
Entonces procedemos a calcular este parámetro utilizando la siguiente ecuación:
Luego, reemplazando tenemos:
Hallando el porcentaje de error tenemos:
Este porcentaje obtenido se considera alto, sin embargo esto se debe a errores en las mediciones de temperatura y tiempo, además las condiciones del calentamiento pudieron variar entre una vez y otra.
Calor específico de un metal (Hierro)
El calor específico de una sustancia se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado de la temperatura de una masa unitaria de la sustancia.
El calor específico es una inercia térmica, ya que representa la resistencia que una sustancia opone a los cambios de temperatura, por lo tanto está en función de la temperatura y la presión.
[Ecuación 3]
Tabla 4. Mediciones para determinar el calor específico de una muestra de Hierro
Sistema agua sistema calorímetro sistemas tuercas T° equil (°C)
Qagua QK masa ce T° (°C) Ck T° (°C) masa T° (°C) 170,013 1 19 66,4719231 37,5 31,998 92 38 3230,247 33, 170,013 1 19 66,4719231 37,2 31,998 92 38 3230,247 53, 170,013 1 19 66,4719231 38 31,998 92 38,5 3315,2535 33,
efectuarse trabajo mecánico la energía térmica total del sistema se mantiene. Lo anterior permite corroborar la importancia de la entropía en el sistema, ya que el agua cede calor hacia el medio que o rodea.
REFERENCIAS
[1] Kern, D. (1965). Procesos de transferencia de calor (1ª edición). México, D. F. Grupo Editorial Patria. ISBN: 978-978-26-1040-0, Paginas 52-58.
[2] Zemansky, M. y Dittman, R. (1985). Calor y termodinámica (6ª edición). México, D.F. Editorial McGrawHill. ISBN: 968-451-631-2, páginas 205-222.
