cantidad decal or 8
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OBJETIVOS
- El objetivo de este laboratorio es el de estudiar la Cantidad de Calor que
absorbe un liquido teniendo presente la variación de la temperatura que
experimenta durante un intervalo de tiempo, además nos ayudará a como
aprender a hacer un estudio comparativo para diferentes masas del liquido.
- En la naturaleza el calor es una forma de energía que por lo general pasa
desapercibido por los seres humanos, pero gracias al desarrollo del
experimento hemos aprendido conceptos importantes sobre este tema, lo cual
es el objetivo principal.
MATERIALES:- 01 Mechero Bunsen.
- 01 Soporte universal.
- 01 Clamp.
- 01 Vaso Pírex.
- 01 Termómetro.
- 01 Agitador.
- 250 ml y 500 ml Agua.
- 01 cronometro.
FUNDAMENTO TEÓRICO
- CONCEPTO DE CALOR
Cuando dos cuerpos A y B que tienen diferentes temperaturas se ponen en contacto térmico, después de un cierto tiempo, alcanzan la condición de equilibrio en la que ambos cuerpos están a la misma temperatura. Un fenómeno físico análogo son los vasos comunicantes.
Supongamos que la temperatura del cuerpo A es mayor que la del cuerpo B, TA>TB.
Observaremos que la temperatura de B se eleva hasta que se hace casi igual a la de A. En el proceso inverso, si el objeto B tiene una temperatura TB>TA, el baño A eleva un poco su temperatura hasta que ambas se igualan.
- Cuando un sistema de masa grande se pone en contacto con un sistema de masa pequeña que está a diferente temperatura, la temperatura de equilibrio resultante está próxima a la del sistema grande.
- Decimos que una cantidad de calor Q se transfiere desde el sistema de mayor temperatura al sistema de menor temperatura.
La cantidad de calor transferida es proporcional al cambio de temperatura T. La constante de proporcionalidad C se denomina capacidad calorífica del sistema.
Q=C·T
Si los cuerpos A y B son los dos componentes de un sistema aislado, el cuerpo que está a mayor temperatura transfiere calor al cuerpo que está a menos temperatura hasta que ambas se igualan
Si TA>TB
El cuerpo A cede calor: QA=CA·(T-TA), entonces QA<0 El cuerpo B recibe calor: QB=CB·(T-TB), entonces QB<0
Como QA+QB=0La temperatura de equilibrio, se obtiene mediante la media ponderada
- La capacidad calorífica de la unidad de masa se denomina calor específico c. C=mc
- La fórmula para la transferencia de calor entre los cuerpos se expresa en términos de la masa m del calor específico c y del cambio de temperatura.
Q=m·c· (Tf-Ti)
Donde Tf es la temperatura final y Ti es la temperatura inicial.
- El calor específico es la cantidad de calor que hay que suministrar a un gramo de una sustancia para que eleve en un grado centígrado su t
- Joule demostró la equivalencia entre calor y trabajo 1cal=4.186 J. Por razones históricas la unidad de calor no es la misma que la de trabajo, el calor se suele expresar en calorías.
- El calor específico del agua es c=1 cal/ (g ºC). Hay que suministrar una caloría para que un gramo de agua eleve su temperatura en un grado centígrado.
- CANTIDAD DE CALOR
El calor al igual que el trabajo mecánico es una forma intangible no es algo que se
pueda conservar en el laboratorio de medidas.
La cantidad de calor es otra forma de energía que solo puede medirse en función
del efecto que produce.
Se define cantidad de calor la energía térmica necesaria para producir algún
cambio estándar.
Las sustancias difieren entre sí en la cantidad de calor que necesita para producir,
en una masa dada, un determinado aumento en su temperatura. La relación de
calor proporcionado a un cuerpo y el aumento correspondiente de su temperatura
se llama capacidad calorífica del cuerpo.
La palabra capacidad puede dar lugar a malentendidos, porque sugiere la
afirmación de la cantidad de calor que un cuerpo puede contener, mientras que lo
que en realidad significa es la energía que debe suministrarse en forma de calor
para aumentar en un grado la temperatura de un cuerpo.
- CONCEPTO DE TEMPERATURA
La temperatura es la sensación física que nos produce un cuerpo cuando entramos en contacto con él. Observamos cambios en los cuerpos cuando
cambian su temperatura, por ejemplo, la dilatación que experimenta un cuerpo cuando incrementa su temperatura. Esta propiedad se usa para medir la temperatura de un sistema. Pensemos en los termómetros que
consisten en un pequeño depósito de mercurio que asciende por un capilar a medida que se incrementa la temperatura.
Ni la capacidad de calor ni el calor específico de un material son constantes sino
que dependen del intervalo de temperatura escogido. La ecuación del calor
específico solo proporciona datos promedios de esas cantidades en el intervalo de
temperaturas.
El calor que se debe suministrar a un cuerpo dado de masa m y cuyo material
constituyente tiene calor específico c, para aumentar su temperatura desde To a Tf,
estará dado por la expresión matemática definida por:
Q = m c T
Donde: T = Tf - To
Si suministramos una cantidad constante de calor por unidad de tiempo tendremos que
Q / T = cte. Entonces podremos obtener.
δTδQ
= Hmc
= cte
- UNIDADES DE CALOR
Las unidades que se utilizan son: la caloría, la Kilocaloría y la unidad térmica
Británica (B. T.U.).
Caloría (cal): Se define como la cantidad de calor necesaria para elevar 1ºC la
temperatura de un gramo de agua.
Kilocaloría (Kcal): Es la unidad de cantidad de calor necesaria para elevar un
grado centígrado la temperatura de 1 Kg de agua.
B.T.U.: Cantidad necesaria de calor para elevar 1ºF una libra de agua.
Las unidades de calor se relacionan de la forma siguiente:
1000 Kcal = 1000 cal = 3.968 B.T.U.
- CAMBIOS DE ESTADO
La materia puede existir en estado sólido, líquido y gaseoso.
El cambio de un estado a otro va acompañado de absorción o desprendimiento de
calor.
Tomaremos el agua como ejemplo cuando pasa por los diferentes estados para
estudiar el comportamiento general de las sustancias.
Supongamos que tengamos un recipiente de 10 g de hielo a –20ºC y deseamos
elevar su temperatura hasta obtener 10g de vapor a 120ºC.
Cuando se le suministra calor al recipiente, la temperatura del hielo aumenta hasta
llegar a 0ºC cuando continuamos suministrándole calor el hielo empieza a
derretirse pero la temperatura permanece constante hasta que todo el hielo se
derrita, esta temperatura se le llamara temperatura de fusión. Esto también pasara
cuando el líquido pase de la fase liquida a la fase gaseosa a 100ºC manteniéndose
la temperatura constante hasta evaporarse totalmente, esta temperatura se llamara
temperatura de vaporización.
PROCEDIMIENTO
-MONTAJE N°1
1. Monte el equipo, como muestra el diseño experimental2. Coloque en el vaso pírex, agua a temperatura del ambiente, casi hasta la parte
superior.3. Anote el valor de la temperatura y el volumen del agua.
T0= 23.4 °CV= 200 ml.
4. Encienda el mechero. Busque un flujo constante aproximadamente. La llama no debe
ser ni muy fuerte ni estar muy cerca al vaso.
5. Mida la distancia entre la llama y el vaso. Mantenga fija esta distancia durante toda la
práctica a fin de que no cambien las condiciones de experimentación.
Distancia: 02 cm.
6. Agite el agua previamente y lea la temperatura cada 30s. hasta llegar al punto de
ebullición. Anote los datos en la tabla N°1.
TABLA 1t(min) t(s) T(°C)
- - 23.4 0.50 30.00 28.3 1.00 60.00 33.5 1.50 90.00 38.8 2.00 120.00 44.9 2.50 150.00 50.9 3.00 180.00 58.1 3.50 210.00 53.7 4.00 240.00 68 4.50 270.00 73.4 5.00 300.00 77.7 5.50 330.00 82.8 6.00 360.00 84.4 6.50 390.00 87.5 7.00 420.00 91.1 7.50 450.00 94.7 8.00 480.00 98 8.33 500.00 100
TABLA N° 1:M: 200 gr.
7. Repita los pasos (1) al (5) bajo las mismas condiciones anteriores, pero ahora solo use
la mitad de cantidad de agua anterior. Anote los datos en la tabla N° 2.
TABLA 2t(min) t(s) T(°C)
- - 23.4 0.50 30.00 24.9 1.00 60.00 32 1.50 90.00 40.9 2.00 120.00 48.9 2.50 150.00 57 3.00 180.00 64.9 3.50 210.00 72 4.00 240.00 78 4.50 270.00 84.2 5.00 300.00 87.5 5.50 330.00 90.8 6.00 360.00 94.5 6.50 390.00 98 6.75 405.00 100
8. Grafique la variación de la temperatura T versus el tiempo t, para los dos casos
anteriores.
TABLA N° 1:M: 100 gr.
- 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 0
20
40
60
80
100
120
f(x) = 0.157110635665309 x + 26.0907382584936R² = 0.982311958246703
Tabla 1: m=200 grs.
T(°C)Linear (T(°C))
t(s)
T(°C
)
9. Determine la ecuación de al grafica por método de mínimos cuadrados, considerando
la temperatura hasta 75°C.
m=p∑ X iY i−∑ X i∑Y i
p∑ X2−¿¿
b=∑ X2∑ Y i−∑ X i∑ X iY ip∑ X2−¿¿
TABLA 1xi yi xi yi (xi)2
t(s) T(°C)
∑ 1,350.00
473.00
77,247.00
256,500.00
m=10 (77247 )− (1350 ) (473 )10 (256500 )−13502
=0.180
b=(256500 ) (473 )− (1350 ) (77247 )
10 (2565000 )−13502=22.951
y=mx+b≫ y=0.180 x+22.951
- 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 400.00 450.00 0
20
40
60
80
100
120
f(x) = 0.201712008458379 x + 24.3088568988654R² = 0.97690002345489
Tabla 2: m=100 grs.
T(°C)Linear (T(°C))
t(s)
T(°C
)
TABLA 2
xi yi xi yi (xi)2t(s) T(°C)
∑ 840.00
364.00
47,568.00
126,000.00
m=8 (47568 )−(840 ) (364 )8 (126000 )−8402
=0.247
b=(126000 ) (364 )−(840 ) (47568 )
8 (126000 )−8402=19.533
APÉNDICE
y=mx+b≫ y=0.247 x+19.533
De los dos gráficos ¿Cómo identificarías el líquido que tiene mayor masa?
Para poder identificar cual gráfica pertenece a un liquido de mayor masa tomamos un
valor de tiempo comparamos los valores de tiempo correspondientes de temperatura,
aquel que presente una temperatura mayor presentará mayor masa por lo tanto el que
presente menor temperatura será la gráfica para la mayor masa.
En la gráfica será aquella que tenga la pendiente menor.
Por lo tanto a mayor cantidad de calor absorbida la masa será menor a una
temperatura constante.
¿Qué relación existe entre la pendiente del gráfico T = T (t) con la cantidad de calor?
Si vemos el gráfico de temperatura vs tiempo veremos que la pendiente expresa la
variación de la primera respecto al tiempo siendo el ángulo de la pendiente mayor
cuando la masa que se analizo es menor.
Para nuestro caso vemos que la pendiente de la gráfica que corresponde a 250g es
mayor que la correspondiente a la de 500g de agua.
En conclusión si analizamos únicamente una gráfica veremos que cuando el ángulo de
la pendiente es constante entonces la cantidad de calor es constante, pero si
comparamos las 2 graficas vemos que para una determinada variación de tiempo la
variación de temperatura es distinta por lo que si se quiere hacer igual dicha variación
habría que variar la cantidad de calor.
10. Vierta esta agua en la probeta graduada hasta 200 ml. Luego viértalo en un vaso de
espuma de poliuretano. Coloque un termómetro en el vaso de espuma y tome la
temperatura cada 10 s durante los próximos 3 minutos. Anote los datos en la tabla 3.
TABLA 3t(min) t(s) T(°C)
- - 67.20 0.17 10.00 67.10 0.33 20.00 66.70 0.50 30.00 66.50 0.67 40.00 66.20 0.83 50.00 66.10 1.00 60.00 65.80 1.17 70.00 65.50 1.33 80.00 65.40 1.50 90.00 65.30 1.67 100.00 65.20 1.83 110.00 65.00 2.00 120.00 64.90 2.17 130.00 64.70 2.33 140.00 64.30 2.50 150.00 64.10 2.67 160.00 64.00
2.83 170.00 63.80 3.00 180.00 63.50
11. Seque un cubo de hielo con una toalla e introdúzcalo en el agua
12. Continúe tomando la temperatura cada 10 s., agitando suavemente, hasta 3 minutos
después que el cubo se haya fundido. Anote los datos en la tabla 4.
TABLA 4t(min) t(s) T(°C)
- - 62.300.17 10.00 62.300.33 20.00 62.100.50 30.00 61.900.67 40.00 61.700.83 50.00 61.501.00 60.00 61.301.17 70.00 61.10
1.33 80.00 60.801.50 90.00 60.601.67 100.00 60.501.83 110.00 60.202.00 120.00 60.002.17 130.00 59.702.33 140.00 59.602.50 150.00 59.502.67 160.00 59.402.83 170.00 59.103.00 180.00 59.00
¿En qué instante exacto el cubo de hielo termina de fundirse?
A los 30 segundos.
Determina el volumen final del agua Vagua (final)=201.5 ml.
¿Qué masa tenía el agua originalmente? magua (original)=200 ml.
¿Qué masa tenía el hielo originalmente? mhielo (final)=1.5 gr.
Explique cómo determino estas masas:
La masa del hielo se determino al pesarse en la balanza y la original del agua viendo el
volumen inicial y su densidad.
13. Haga una grafica de T vs t.
-
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
140.00
160.00
180.00
200.00 61.00
62.00
63.00
64.00
65.00
66.00
67.00
68.00
f(x) = − 0.0196491228070176 x + 67.1R² = 0.990367914100742
Tabla 3
T(°C)Linear (T(°C))
t(s)
T(°C
)
¿Cómo afecto el cubo de hielo añadido al agua la rapidez de enfriamiento?
Pues al ser de una temperatura menor y al agregar una mayor masa, hizo que la rapidez de
enfriamiento se hiciera más larga, pues se tuvo que entrar a una pausa por la fusión del hielo.
Eso hace que la pendiente sea más pronunciada en la tabla 4 que en la tabla 1.
Calcule la cantidad de calor perdida por el agua mientras el cubo de hielo se fundía.
Q=m∗c∗∆T
Si se tiene que:
c=1.00 calgr . ° C
M= 201.5 gr.
∆T=61.9-62.3= -0.4 °C
Entonces:
Q=201.5gr .∗1.00 calgr∗° C
∗−0.4 °C
Q=−80.6cal .
Calcule la cantidad total de calor perdido al enfriarse el agua debido al hielo fundido hasta su
temperatura final.
M= 201.5 gr.
-
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
140.00
160.00
180.00
200.00 57.00
58.00
59.00
60.00
61.00
62.00
63.00
f(x) = − 0.0197017543859649 x + 62.4363157894737R² = 0.994643983847561
Tabla 4
T(°C)Linear (T(°C))
t(s)
T(°C
)
∆T=59.0-62.3= -3.3 °C
Entonces:
Q=201.5gr .∗1.00 calgr∗° C
∗−3.3° C
Q=−664.5cal .
AUTOEVALUACION
1. Si en lugar de agua se cambia con otro líquido de mayor calor especifico pero
con igual masa ¿Cómo sería el gráfico?
Si el calor especifico de otro líquido es mayor que el del agua entonces tendremos que
necesitan mayor cantidad de calor para mantener la gráfica obtenida, pero como la
cantidad de calor que se suministra al líquido es constante, entonces veremos que el
tiempo que demora en obtener las mismas variaciones será mayor.
En conclusión la pendiente es inversamente proporcional a los calores específicos para
cuerpos de masas iguales y que absorben igual cantidad de calor.
2. ¿Cuál es la razón de no llegar hasta los 100ºC en el experimento?
Se puede afirmar que a los 100 grados, el agua llega a su punto de ebullición y por lo tanto tiende a cambiar de estado (de liquido a gaseoso) alterando el valor de la masa que presenta y modificando los resultados.Cuando se observa las gráficas experimentales se observa la diferencia más resaltante con las graficas linealizadas cuando la temperatura oscila entre los intervalos de 75 a 90 ºC y la curva tiende a hacerse más horizontal debido a la cercanía a los 100 ºC que como se sabe es el inicio de la temperatura de evaporación del agua la cual se mantendrá constante durante un largo intervalo de tiempo hasta que el agua se evapore totalmente.
3. Registrar el tiempo que se demorará para recorrer el intervalo entre 80 y 85 °C.
Revise el caso entre 50 y 55ºC.
Usando la ecuación de la pendiente:
Para 200 gr:
y=mx+b≫ y=0.180 x+22.951Caso 55-50 °C:
55 = 0.180t + 22.951 t = 178.05 s.
50 = 0.180t + 22.951 t = 150.27 s.
∆t= 27.77 s.
Caso 85-80 °C:
85 = 0.180t + 22.951 t = 344.71 s.
80 = 0.180t + 22.951 t = 316.94 s.
∆t= 27.77 s.
Para 100 gr:
y=mx+b≫ y=0.247 x+19.533Caso 55-50 °C:
55 = 0.247t + 19.533 t = 143.59 s.
50 = 0.247t + 19.533 t = 123.35 s.
∆t= 20.24 s.
Caso 85-80 °C:
85 = 0.247t + 19.533 t = 265.05 s.
80 = 0.247t + 19.533 t = 244.81 s.
∆t= 20.24 s.
4.- ¿Qué significado tiene los datos de la pregunta (3)?.
Analizando veremos que hay un menor incremento de temperatura cuando el volumen
de agua es mayor lo cual es contrario pero cuando el volumen es menor entonces
podemos deducir que la temperatura de una masa sometida a calor constante
aumentará si se incrementa el valor de la masa usada.
5.-Comparar las longitudes de los intervalos de temperatura para las masas m y m/2.
La comparación podemos hacerla mediante la pendiente de la recta y como en nuestro
caso tenemos valores iguales de intervalos de tiempo podemos compararlos:
Para 200 g
t = 27.77
Para 100 g
t = 20.24
SUGERENCIAS
- Mantener la llama de fuego que se suministra al vaso Pírex de manera que no
interrumpa el aumento de temperatura, pues esto ocasionaría que se tomen
temperaturas para tiempos errados. Por lo tanto las variaciones de temperatura por
intervalos de tiempo no son los reales.
- Colgar el termómetro del clamp unido al soporte universal de manera que el
termómetro no se encuentre muy abajo (muy cerca de la base del vaso Pírex), ya
que las burbujas que se forman por acción de calor ocasionaría un cambio constante
de las temperaturas (siendo dicho cambio de varios grados) ocasionando que se tomen
temperaturas erradas para cada intervalo de tiempo.
- Agitar constantemente el agua contenida en el vaso de manera que el calor que recibe
el agua sea lo más uniforme posible para todo el contenido, así el termómetro podrá
señalar la temperatura real que tiene el agua en su totalidad.
- Se recomienda que el grupo que trabaja el experimento este conformado por tres
alumnos: el primero encargado de agitar el agua contenida en el vaso, el segundo
encargado de medir las temperaturas que alcance el agua y el tercero que lea los
tiempos. Es necesario que haya coordinación entre el que lee los tiempos y el que mide
las temperaturas para que se eviten obtener datos erróneos por una toma de
temperatura a un tiempo que no le corresponde.
CONCLUSIONES
- La energía térmica que gana o pierde una masa m es directamente proporcional a la
variación de temperatura.
Q = K (Tf – To)
- La cantidad de calor es energía térmica que solo puede medirse en función del efecto
que produce.
Q = m c (Tf – To)
- El calor suministrado a un cuerpo masa m y calor especifico c, que para aumentar su
temperatura desde To a Tf, será igual a la expresión matemática definida por:
- En un intervalo de tiempos correspondientes a una temperatura, aquel que presente
una temperatura mayor presentará mayor masa por lo tanto el que presente menor
temperatura será la gráfica para la mayor masa.
- Las graficas de un líquido de diferentes masas presentaran pendientes inversamente
proporcionales a sus masas, es decir, a mayor masa menor pendiente.
- Cuando se le suministra calor a una masa de hielo esta aumenta hasta llegar a los 0 ºC
cuando continuamos suministrándole calor el hielo empieza a derretirse pero la
temperatura permanece constante hasta que todo el hielo se derrita (temperatura de
fusión). Esto también pasara cuando el líquido pase de la fase liquida a la fase gaseosa
a 100 ºC manteniéndose la temperatura constante hasta evaporarse totalmente
(temperatura de vaporización).
FACULTAD DE INGENIERIA
INDUSTRIAL
LABORATORIO DE FISICA II
TEMA: LABORATORIO N° 8
CALOR ABSORVIDO/ CALOR DISIPADO
PROFESOR: LIC. ANGELICA URBINA
ALUMNO: RIVAS PAICO VICTOR HUGO
CODIGO: 05170040
