Objetivos

a) Identificar y clasificar un sistema termodinámico.

b) Determinar en forma experimental la capacidad térmica específica de un material mediante la aplicación de las leyes cero y primera de la termodinámica para sistemas cerrados.

c) Distinguir la diferencia entre calor sensible y calor latente.

d) Determinar el calor latente de fusión del agua y compararlo con el valor teórico.

e) Obtener experimentalmente la temperatura de ebullición de una sustancia y comprobar que, a presión constante, la temperatura de la sustancia permanece constante durante el cambio de fase.

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Equipo y material necesarios

● 1 calorímetro de unicel con tapa● 1 balanza de 0 a 610 [g]● 1 vaso de precipitados de 600 [ml]● 1 vaso de precipitados de 50 [ml]● 1 parrilla eléctrica● 1 muestra de un material sólido (monedas)● 1 jeringa de 10 [ml]● agua líquida● 1 termómetro de inmersión● 1 cubo de hielo de aprox. 50 [g] (proporcionado por los alumnos)● 1 par de toallas de papel absorbentes (proporcionado por los alumnos)

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Desarrollo de Actividades

Actividad 1Se midió la masa de las monedas y se determinó su temperatura inicial. Se sumergieron las monedas en un vaso de precipitados con agua y un minuto después (esperando que entraran en equilibrio térmico) se midió la temperatura, registrada como temperatura inicial (ver tabla 1 en apéndice). Posteriormente, se secó la muestra y se depositó en el calorímetro.

Actividad 2Se midió una masa de 80 [g] de agua líquida y con la ayuda de la parrilla se elevó su temperatura hasta alcanzar 40 [°C], ésto se tomó como la temperatura inicial del agua. Inmediatamente al alcanzar esta temperatura se retiró de la parrilla y se vertió esta agua al calorímetro y tapó. Medimos la temperatura de equilibrio (Teq) de la mezclaaproximadamente un minuto después de haberla hecho (Ver tabla 2 del apéndice):

Actividad 3Con base en la actividad anterior y basados en la primera ley de la termodinámica, se determinó la capacidad térmica específica del material empleado (monedas). Se considerando que c agua líquida = 4 186 [J/(kg Δ°C)]. (Ver tabla 3 y desarrollo 1 en⋅ apéndice)

Actividad 4Se midió la masa del hielo que se proporcionó en el laboratorio(ver tabla 4 en apéndice).

Actividad 5Se tomó la muestra de hielo y se mezcló con una masa de agua líquida tomada directamente de la llave, igual a la masa del hielo dentro del calorímetro. Una vez tapado se esperó a que ocurriera el equilibrio térmico y nuevamente se midió la temperatura de la mezcla la cual se considerará como temperatura inicial de la mezcla (ver tabla 5 en apéndice).

Actividad 6Se calculó el error sistemático que presentó el termómetro en la actividad anterior (ver tabla 6 en apéndice) .

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Actividad 7Con ayuda de la parrilla, se elevó la temperatura de una masa de agua líquida, que era cinco veces la del hielo hasta alcanzar 30 [°C]. Posteriormente se agregó esta agua al calorímetro, se tapó y midió la temperatura de equilibrio alcanzada (ver tabla 7 en apéndice).Con base en la primera ley de la termodinámica para sistemas cerrados y el error sistemático determinado en la actividad 6, se determinó el calor latente de fusión del agua, considerando que c agua líquida = 4 186 [J/(kg Δ°C)] (ver desarrollo 2 y tabla 7⋅ en apéndice).

Actividad 8Finalmente se vertió la mezcla en un vaso de precipitados y se elevó su temperatura con la parrilla hasta que se alcanzó la temperatura de ebullición. Se registró la temperatura de ebullición del agua, en el D. F. (ver tabla 8 en apéndice).

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Cuestionario

1. Considerando que el sistema termodinámico es el contenido del calorímetro, identifique el tipo de sistema en los dos experimentos. Justifique su respuesta.

El tipo de sistema en los dos experimentos es aislado, pues la masa permanece constante además las paredes del calorímetro son adiabáticas, por lo que la energía de las mezclas permanece constante.

2. Investigue el valor teórico de los calores latentes (entalpías de transformación) de fusión y de ebullición del agua.

● Entalpía de fusión= 333 000 [J/kg]● Entalpía de ebullición= 2 257 000 [J/kg]

3. Con base en la pregunta anterior, determine el porcentaje de error de exactitud para el resultado de la actividad 7.

%Error=|v teórico−vexperimental|

v teórico×100=8.09%

para λ fusion= 359956 [ Jkg ] 4. Dibuje la curva de calentamiento para el agua, a una presión como la del D.F, indicando las temperatura de fusión y de ebullición.

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5. Escriba la expresión dimensional, en el SI, de las cualidades físicas referidas en el punto 2 de este cuestionario.

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Conclusiones

En esta práctica, se logró comprender la capacidad térmica específica de ciertos materiales, sometidos a cambios de temperatura en un sistema cerrado, y se determinó esta propiedad de acuerdo a las leyes cero y primera de la termodinámica, como se muestra en los resultados en (ver tabla 3).

De manera experimental se logró determinar el valor del calor latente del agua, obteniendo así, qué tanta energía (calor) es necesaria para lograr que dicha sustancia presente un cambio de fase (en este caso para lograr llegar al punto de fusión del agua) (ver tabla 7) para así, poder comprender la diferencia fundamental entre calor latente (hay cambio de fase) y sensible (no hay cambio de fase) y comprarlas con el valor teórico de ambas propiedades en la misma sustancia.

Se obtuvo la temperatura de ebullición del agua a presión constante.

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Comentarios

Para esta práctica logramos determinar, mediante las leyes cero y primera de la termodinámica la capacidad térmica específica experimental de un material, en este caso monedas de ¢10, y agua a temperatura diferente en un sistema cerrado.

También para el segundo experimento, observamos la diferencia entre el calor sensible y el calor latente y logramos comprobar que el calor sensible es la cantidad de calor recibido o cedido por un cuerpo pero sin que ocurra un cambio de fase y se expresa como: Q=m*c*ΔT.Así como también logramos comprobar de forma experimental que el calor latente es la energía necesaria para que el mismo cuerpo, en este caso un hielo cambie de fase, y se puede expresar como: Q= mL.

Finalmente se logró obtener de manera experimental la temperatura de ebullición del agua a presión constante a una altura de 2240 [m] sobre el nivel del mar (ver tabla 8).

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Apéndice

Tabla 1

Muestra Masa [kg] Temperatura Inicial [°C]

Moneda de 10 centavos 0.4771 22

Tabla con las mediciones de la actividad 1

Tabla 2

Sustancia Masa [kg] Temperatura de equilibrio [°C]

Agua 0.8 32

Medición de actividad 2

Tabla 3

Material Capacidad térmica específica [J/(kg·Δ°C)]

Monedas de 10 centavos 561.5258

Resultado obtenido de la actividad 3

Tabla 4

Sustancia Masa [kg]

Hielo 0.01

Medición de actividad 4

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Tabla 5

Sustancia Masa [kg] Temperatura inicial [°C]

Hielo con agua 0.02 2

Mediciones obtenidas en la actividad 5

Tabla 6

Error sistemático en [°C]

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Error sistemático del termómetro de mercurio de acuerdo a la actividad 6

Tabla 7

Sustancia Temperatura de equilibrio [°C]

Calor latente de fusión del agua [J/kg]

Agua con hielo 20 359 956

Resultados obtenidos en el ejercicio 7

Tabla 8

Lugar Temperatura de ebullición [°C]

Distrito Federal 93

Medición obtenida en la actividad 8

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Desarrollo 1:

Haciendounbalance de energías se sabeque el calor quereciben lasmonedas es igualalcalor queentrega el agua¿

capacidad térmicaespecífica delcalorímetro ¿Qrecibe+Qentrega=0⇒Qrecibe=−Qentrega

dondeQ recibe=mmonedascΔT

Qentrega=maguac p ΔT

entonces :mmonedascΔT=−maguac p ΔT

(0.4771)c (32−22)=−(0.08)(4186)(32−40)

c=−(0.08)(4186)(32−40)

(0.4771)(32−22)=561.5258[ J

kg Δ°C ]Desarrollo 2:Haciendounbalance de energías seobtiene queel calor querecibelamezclade hielo−agua(latente)más el calor queentrega elagua líquida (sensible)más el calor que recibeel hielo (sensible)es igual

es igual a0 :Qhielo+Qmezcla+(−Q¿¿entrega )=0¿

mhielo λ fusion+mmezcla c p ΔT−maguac p ΔT=0

λ fusion=magua cp ΔT−mmezclac p ΔT

mhielo

=−(0.05)(4186)(20−30)+(0.02)(4186)(20−2)

(0.01)=359956[ Jkg ]

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Referencias

Notas de clase de Principios de Termodinámica y Electromagnetismo. Profesor Rigel Gámez Leal.

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