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PRÁCTICAS DE FÍSICA 4º ESO Estudio del movimiento rectilíneo y uniforme (1)

Estudio del movimiento rectilíneo y uniforme (2)

Estudio de un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado

Ley de Hooke

Medida del coeficiente de rozamiento

Segunda ley de Newton

Péndulo simple. Cálculo de la aceleración de la gravedad

Fuerzas paralelas

Principio fundamental de la hidrostática.

Principio de Arquímedes

Principio de conservación de la energía

Calor específico del etanol.

Cubeta de ondas.

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ESTUDIO DE UN MOVIMIENTO RECTILINEO Y UNIFORME (1) Objetivo: Obtener la relación entre el espacio y el tiempo para un cuerpo que se mueve con velocidad constante (MRU). Material : Bureta con agua, Soporte y Vaso de precipitados. Procedimiento: 1. Llena la bureta con agua y abre la llave hasta que el líquido descienda con la velocidad que estimes. Ahora tápala con el dedo y “no vuelvas a tocar la llave” porque cambiarías la velocidad con que desciende el líquido. 2. Enrasa la bureta al cero y quita el dedo para medir el tiempo que tarda en descender 5cm. Ciérrala con el dedo y vuelve a enrasarla para medir ahora el tiempo que tarda en recorrer 10cm. Repite la operación para 15, 20 y 25 cm. Recogida de datos Todos los valores los recogemos de forma ordenada en una tabla como la siguiente:

(s) espacio recorrido

(t) tiempo empleado

∆s ∆t v = ∆s/∆t

so 0 m to 0 s s1 0,05 m t1 s1−so t1−to s2 0,10 m t2 s2−s1 t2−t1 s3 0,15 m t3 s3−s2 t3−t2 s4 0,20 m t4 s4−s3 t4−t3 s5 0,25 m t5 s5−s4 t5−t4

Tratamiento de los datos obtenidos: 1. Representa gráficamente el espacio (s) en función del tiempo (t), pero antes observa los datos que debes representar y en función de ellos elige el valor que darás a las divisiones de los ejes.

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2. Representa gráficamente la velocidad (v) en función del tiempo (t).

3. Junto a cada gráfica haz una interpretación de la misma y encuentra la relación matemática que relaciona a las dos variables. Cuestiones: 1. En este experimento el móvil no ha sido un coche, ni una bola. ¿Cuál ha sido el móvil en esta práctica? 2. Cuáles son las ecuaciones de la aceleración, velocidad y espacio que definen el movimiento de la superficie del líquido. ¿De qué movimiento se trata? 3. Calcula el tiempo que la bureta tardaría en descender 25 cm. 4. ¿De qué manera podrías construir un reloj con los materiales de que dispones?. ¿Cuál sería entonces la unidad de tiempo?. 5. Es posible que hayas observado que la bureta no se vacía exactamente con velocidad constante, sino que a medida que se vacía la bureta cada vez gotea más lentamente. ¿puedes dar una explicación a eso?

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ESTUDIO DE UN MOVIMIENTO RECTILINEO Y UNIFORME (2) Objetivo: Obtener la relación entre el espacio y el tiempo para un cuerpo que se mueve con velocidad constante, pero esta vez utilizaremos un montaje un poco más complejo y un cronovibrador para medir los tiempos. Material : Motor, vástago, correa de transmisión de goma para unirlos y soportes. Regla de deslizamiento, taco y cinta con papel copiable e hilo. Cronovibrador y fuente de alimentación. Procedimiento: El motor gira con velocidad uniforme y comunica su movimiento, a través del correillo de goma, al vástago, el cual gira uniformemente y va enrollando el hilo. El hilo, a su vez, tira del taco mediante el papel copiable. Los tiempos se miden con un cronovibrador, que es un aparato, similar un timbre, que funciona con corriente alterna de unos 40 voltios y vibra con la misma frecuencia de la corriente: 50 Hercios. Eso quiere decir que sobre la cinta de papel se marcarán 50 puntos cada segundo, es decir, el intervalo entre una marca y la siguiente es de 0.02 segundos. Al utilizar papel copiable, por cada golpe que dé el cronovibrador se marcará un punto en la cinta de papel. Las marcas sobre el papel tendrán un aspecto como el de la figura. Si los puntos están muy juntos los tomaremos de 5 en 5, sin olvidar que en este caso los intervalos de tiempo serían 5 veces mayores, o sea 5*0,02=0.1 segundos.

pega aquí la cinta de papel utilizada

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Recogida de datos Todos los valores los recogemos de forma ordenada en una tabla como la siguiente:

(s) espacio recorrido

(t) tiempo empleado

∆s ∆t v = ∆s/∆t

so 0 m to 0 s s1 t1 0,1 s s1−so m t1−to 0,1 s s2 t2 0,2 s s2−s1 t2−t1 0,1 s s3 t3 0,3 s s3−s2 t3−t2 0,1 s s4 t4 0,4 s s4−s3 t4−t3 0,1 s s5 t5 0,5 s s5−s4 t5−t4 0,1 s s6 t6 0,6 s s6−s5 t6−t5 0,1 s

Tratamiento de los datos obtenidos: 1. Representa gráficamente el espacio (s) en función del tiempo (t). 2. Representa gráficamente la velocidad (v) en función del tiempo (t).

Velocidad en un punto Q. Para calcular la velocidad en el punto Q por ejemplo, se toma como intervalo de espacios la distancia comprendida entre el punto anterior y posterior a él, y como es natural el intervalo de tiempo será el doble: 0,2 seg.

35

35Q tt

ssv

−−

=

Obviamente la velocidad, así calculada, es la velocidad media correspondiente a ese intervalo. ¿Qué podríamos hacer para obtener un valor más cercano a la velocidad instantánea en el punto Q?

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ESTUDIO DE UN MOVIMIENTO RECTILINEO UNIFORMEMENTE A CELERADO. Objetivo: Vamos a estudiar el movimiento de una bola que cae por un plano inclinado y vamos a comprobar que se trata de un movimiento uniformemente acelerado, es decir, que la bola se mueve con una aceleración constante. Material Carril de deslizamiento con taladros cada 50cm Bola, Soporte y Cronómetro (pueden valer los relojes digitales) Procedimiento: Prepara el montaje de la figura. Coloca un tornillo en el primer taladro del carril (50cm). Deja caer la bola desde el extremo del carril (que será el cero del sistema de referencia) y mide el tiempo que tarda en recorrer los primeros 50 cm, es decir, el tiempo desde que sueltas la bola hasta que golpee en el tornillo. Repite la operación colocando el tornillo a 1m, 1,5m, etc Conviene que hagas 5 medidas del tiempo para cada distancia y tomes como buena el valor medio. De esa forma el error que cometes será menor. Recogida de datos Todos los valores los recogemos de forma ordenada en una tabla como la siguiente:

(s) espacio recorrido

(t) tiempo empleado

∆s ∆t v = ∆s/∆t

so 0 m to 0 s s1 0,5 m t1 s1−so 0,5 m t1−to s2 1,0 m t2 s2−s1 0,5 m t2−t1 s3 1,5 m t3 s3−s2 0,5 m t3−t2 s4 2,0 m t4 s4−s3 0,5 m t4−t3 s5 2,5 m t5 s5−s4 0,5 m t5−t4 s6 3,0 m t6 s6−s5 0,5 m t6−t5

Para otra práctica, mide la altura desde donde dejamos caer a la bola: _______ m Tratamiento de los datos obtenidos: 1. Representa la grafica del espacio en función del tiempo.

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Se trata de un movimiento uniformemente acelerado porque:

a) En la tabla de datos (puedes ver en la columna naranja ∆s y en la azul, ∆t ) que cada vez en recorrer la misma distancia ∆s tarda menos tiempo ∆t. b) En la tabla de datos (puedes ver en la columna rosa ∆v) que cada vez la velocidad media en cada tramo va aumentando. c) También podemos llegar a la misma conclusión a partir de la forma de la curva s/t obtenida. Al obtenerse una parábola, de la gráfica se deduce que cada vez en el mismo tiempo recorre más espacio, o lo que es igual, que en recorrer el mismo espacio cada vez tarda menos tiempo.

2. Representa la gráfica de la velocidad en función del tiempo empleado.

3. Junto a cada gráfica haz una interpretación de la misma y encuentra la relación matemática que relaciona a las dos variables. Cuestiones: 1, Cuales son las ecuaciones de la aceleración, velocidad y espacio que definen el movimiento de la bola. ¿De qué movimiento se trata? 2, ¿Qué es la velocidad media? Calcula su valor para el recorrido del carril. 3. ¿Influye la masa de la bola en la rapidez con la que alcanza las distintas marcas?

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LEY DE HOOKE Objetivo: Encontrar la relación que existe entre la fuerza aplicada a un muelle (fuerza deformadora) y la deformación que experimenta.

Como fuerza deformadora utilizaremos el peso ejercido sobre el resorte por un conjunto de masas. Material: Soporte, nuez, pinzas y regla Resorte, portapesas y diversas pesas de masa conocida o que puede medirse con la balanza.

Procedimiento: Realiza un montaje como el de la figura. No coloques la regla a cero hasta haber colgado el portapesas porque, de esta forma, a la distancia que se deforme al colgar una masa no habrá que restarle la deformación debida al peso del portapesas. (sería como cambiar el origen del sistema de referencia y ponerlo en el lugar más cómodo para nosotros). Ahora coloca distintas pesas de masa conocida sobre el portapesas y anota en el cuadro el valor de las masas y la deformación que el resorte experimenta para cada una de ellas. (Procura no sobrepasar los 100 gramos de masa aproximadamente, porque si colocas masas muy grandes provocarás una deformación permanente en el muelle.)

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Recogida de datos: Todos los valores los recogemos de forma ordenada en una tabla como la siguiente:

Masa colgada (gramos) Fdeformadora = Peso (Newton) x = Deformación (metros) 0 g 0 N 0 m 20 g

100 g

Tratamiento de los datos obtenidos: 1. Representa gráficamente la fuerza deformadora ejercida en función de la deformación provocada

2. Encuentra la relación matemática que relaciona a las dos variables. Ley de Hooke. Cuestiones: 1. Enuncia la ley de Hooke Fuerza recuperadora: es la fuerza elástica que hace el muelle y que se opone a su deformación, por eso siempre apunta hacia la posición de equilibrio. La fuerza recuperadora es igual a fuerza deformadora, pero siempre tiene sentido opuesto. La ley de Hooke para las fuerza elásticas es F = −K·x (El signo menos indica que la fuerza elástica tiene el sentido que se opone a la deformación y siempre apunta hacia la posición de equilibrio.) 2. ¿Podrías utilizar tu muelle para pesar pequeños objetos?

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FUERZA DE ROZAMIENTO MÁXIMA. COEFICIENTE DE RO ZAMIENTO Objetivo: Encontrar la relación que existe entre la fuerza de rozamiento y la fuerza aplicada. Material: Taco de madera, dinamómetro 1N. Procedimiento: Tira poco a poco del taco mediante el dinamómetro hasta conseguir que el conjunto se mueva “con velocidad constante”. Anota entonces el valor del dinamómetro. Mientras arrastres el taco con velocidad constante ⇒ a=0 ⇒ de acuerdo con la 2ª ley de Newton: FAplic – FRoz = 0 ⇒ FRoz = FAplic Recogida de datos: Repetir la experiencia cada alumno del equipo y anotar el valor obtenido, por cada uno, de la fuerza necesaria para arrastrar el taco con velocidad constante. Luego calcular la media de los valores obtenidos, que será el valor aceptado como fuerza de rozamiento.

Fuerza aplicada para arrastrar el taco “con velocidad costante”.

Alumno 1

Alumno 2

Alumno 3

Alumno 4

Alumno 5 Tratamiento de los datos obtenidos: 1) El valor aceptado como fuerza de rozamiento será la media: FRoz = 2) Habiendo calculado la fuerza de rozamiento entre el taco y la mesa y midiendo la masa del taco que es de ______Kg. Calcula el valor del coeficiente de rozamiento sabiendo que: µ⋅= NFRoz

3) Comprueba el valor obtenido para el coeficiente de rozamiento con el valor obtenido como la pendiente del plano para la que el taco desciende con velocidad constante.

α=µ tg =

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Cuestiones: 1. ¿Porqué la fuerza de rozamiento es igual a la fuerza que marca el dinamómetro “cuando arrastramos el taco con velocidad constante? 2. ¿Qué pasaría si tiramos el taco con una fuerza menor que la calculada para la fuerza de rozamiento? ¿Cuánto valdría en tal caso la fuerza de rozamiento entre el taco y la mesa? 3. ¿Qué pasaría si tiramos el taco con una fuerza mayor que la calculada para la fuerza de rozamiento? ¿Cuánto valdría en tal caso la fuerza de rozamiento entre el taco y la mesa? 4. Comenta algún caso en el que convenga disminuir la fuerza de rozamiento y otro donde convenga aumentarla. 5. ¿Cómo podría aumentar la fuerza de rozamiento entre el taco y la mesa? 6. ¿Cómo podemos disminuir la fuerza de rozamiento? 7. ¿Cómo podemos disminuir el coeficiente de rozamiento?

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SEGUNDA LEY DE NEWTON Objetivos En este experimento vamos a comprobar que el valor de la aceleración medida experimentalmente coincide con el valor de la aceleración calculado aplicando la 2º ley de Newton. Material: Taco de madera, polea, portapesas, pesas, cronómetro y cuerda. Procedimiento: Montamos un sistema formado por un taco de masa M unido mediante una cuerda, a través de una polea, a una masa mp (masa del portapesas + pesas). La fuerza resultante que actúa sobre todo el sistema, es el peso de la masa colgante menos la fuerza de rozamiento: Fresult = mpg−FRoz De acuerdo a la Segunda Ley de Newton, la fuerza resultante debería ser igual a la masa total del sistema (M+mp) por la aceleración del sistema: mpg−FRoz = (M+mp)·a

• La aceleración teórica del sistema, obtenida aplicando la segunda

ley de Newton es: p

Rozp

mM

Fgma

+−

=

• La aceleración experimental la obtenemos teniendo en cuenta que el sistema se mueve con MRUA y si parte del reposo: 2

21 ats = ,

por tanto midiendo el tiempo en recorrer un espacio determinado, podemos poner que: 2t/s2a =

Observaciones: a) Medida del espacio recorrido: Deja deslizar el sistema y marca(A) en la mesa cuando el portapesas está cerca de la polea. Luego mueve suavemente el sistema hasta que el portapesas toque en el suelo y marca(B) en la mesa. Midiendo la diferencia entre las marcas tienes el espacio. b) Medida del tiempo: Coloca el taco sobre la marca(A) y déjalo en libertad, midiendo el tiempo hasta llegar a la marca(B), es decir hasta que escuches el golpe del portapesas con el suelo. (Como siempre, repite el proceso y toma varios valores del tiempo. Calcula la media.) c) Sobre el portapesas coloca la menor masa valor posible que garantice un movimiento acelerado. Con ello consigues que el tiempo en llegar al suelo sea mayor y te permita medirlo con menos error. Podríamos obtener mejores resultados aumentando el espacio recorrido, para que el valor del tiempo sea mayor, pero en el laboratorio debemos ajustarnos a la altura de la mesa, por lo que debes extremar las medidas para conseguir resultados aceptables.

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Recogida de datos: masa portapesas (medida con la balanza) + pesas mp

Masa del taco (medida con la balanza) M

Fuerza de rozamiento taco−mesa (de la práctica anterior) FRoz

espacio recorrido del taco sobre la mesa (*) s

tiempo en recorrer el espacio s (valor medio de 5 medidas) t Tratamiento de los datos obtenidos: aceleración aplicando la 2ª ley Newton

p

Rozp

mM

Fgma

+−

= =

aceleración medida experimentalmente

2t/s2a ⋅= =

Cuestiones: Dibuja un esquema de todas las fuerzas y aplicando la segunda ley de Newton deduce la

expresión que hemos utilizado: p

Rozp

mM

Fgma

+−

=

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PÉNDULO SIMPLE. CÁLCULO DE LA ACELERACIÓN DE LA GRA VEDAD Objetivo: Obtener el valor de la gravedad mediante un péndulo simple Material : Cuerda, bola, soporte y cronómetro Procedimiento: Un péndulo simple no es más que una masa colgada de un hilo. Puede demostrarse que el periodo del péndulo (tiempo que tarda el péndulo en ejecutar una oscilación completa) es función de la longitud del péndulo y de la aceleración de la gravedad

g

L 2T π=

Recogida de datos: Longitud del hilo medido desde el punto que cuelga al centro de la masa oscilante. L =_____m_ Periodo = Medimos el tiempo que el péndulo tarda en ejecutar 10 oscilaciones completas dividido por 10. T = ______s__ Tratamiento de los datos obtenidos

g

L 2T π= →

2

2

T

L 4g

π= =

Cuestiones: 1. ¿El periodo del péndulo depende de la masa del mismo? 2. Habrás visto los relojes de péndulo similar al de la figura. ¿Sabes qué hay que hacerle en el caso de que el reloj atrase? (Una pista: Cuanto menor es el periodo del péndulo más deprisa irá)

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FUERZAS PARALELAS Objetivo: Hallar la resultante de dos fuerzas paralelas Material : 2 dinamómetros, regla, portapesas, pesas y soportes. Procedimiento: Se hace el montaje de la figura. Hay que tener la precaución de que los dinamómetros queden verticales y de que no rocen. Antes de colocar el portapesas y las pesas, léase lo que marca cada uno de los dinamómetros:

fA = fB =

Después coloca el portapesas con algunas pesas, siendo el peso de conjunto “P”. Anota ahora lo que marquen los dinamómetros F´A y F B. Si F A y F B le descontamos lo que marcaban con sólo la barra fA y fB obtendremos FA y FB que naturalmente deben cumplir:

FA + FB = P Y además FA*a = FB*b Recogida de datos: Repetir la práctica con varios valores de pesas y variando los puntos de aplicación. FA a FA*a FB b FB*b Cuestiones: 1. Qué condiciones se necesitan para que un cuerpo esté en equilibrio?

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PRINCIPIO FUNDAMENTAL DE LA HIDROSTÁTICA . Objetivo: Variación de la presión en el seno de un fluido Comprobar el Principio Fundamental de la Hidrostática: La presión en el interior de un fluido (líquido o gas) es proporcional a la profundidad a que nos encontremos; P = d·g·h Material : Tubo abierto por las dos caras, arandela de goma y cuerda. Conviene añadir algún colorante Procedimiento: Con la ayuda de un hilo colocamos una arandela en una de las aberturas del tubo y lo metemos dentro del agua. Veremos que la fuerza ejercida por el fluido hacia arriba es suficiente para mantener la arandela pegada. La arandela seguirá sujeta a pasar de la entrada de agua. La arandela se soltará cuando el peso de la columna de agua iguale a la fuerza ejercida por el fluido: FFluido = Pagua Tratamiento de los datos obtenidos Vamos a calcular el peso de la columna de agua coloreada en rojo, que resulta ser igual a la fuerza ejercida por el fluido: FFluido = Pagua = magua.g = Vagua·dagua·g = S·h·d·g Dividiendo la igualdad por S y teniendo en cuenta que (P=F/S) tenemos:

hgdS

gdhS

S

FP Fluido

Fluido ⋅⋅=⋅⋅⋅==

Cuestiones: 1. Razona donde será mayor la presión soportada por un buzo, cuando está sumergido 2 metros cerca de la orilla o cuando está buceando a 2 metros mar adentro, donde la profundidad es mucho mayor. 2. Qué ejercerá mayor presión: una columna delgada llena de líquido u otra columna más gruesa llena del mismo líquido y hasta la misma altura.

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PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES Objetivo: Comprobar el principio de Arquímedes: Un cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del volumen de fluido que desaloja. Utilizar el principio de Arquímedes para medir la densidad de un líquido. Material : vaso de precipitados, dinamómetro, bola o cilindro alcohol etílico. Procedimiento: Pesa el cuerpo en el aire y anota su peso real: Preal. Luego sumérgelo completamente en alcohol y anota su peso aparente: Pararente. Como sabes, el empuje es la diferencia entre el peso real y el aparente: E = Preal − Pararente. Recogida de datos: Peso real Peso aparente Empuje Volumen esfera

Tratamiento de los datos obtenidos; De acuerdo con el principio de Arquímedes, el empuje es igual al peso de un volumen de alcohol igual al volumen de la esfera que hemos sumergido.

gdVgmPesoE alcoholesferaalcohol de

esfera la de volumenalcohol de

esfera la de volumen ⋅=⋅==

gV

Ed

esferaalcohol ⋅

= =

Cuestiones: 1. Imagina dos esferas iguales, una de plomo y otra de aluminio, que tiene menor densidad. Al sumergirlas en agua, ¿Cuál de ellas sufrirá un empuje mayor?. Comprueba experimentalmente tu razonamiento. 2. Un mismo cuerpo lo sumergimos en agua y en alcohol. Razona si el empuje será el mismo en ambos casos o en caso contrario en cuál de ellos experimentará mayor empuje. Comprueba experimentalmente tu razonamiento.

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PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA Objetivo: Comprobar el principio de conservación de la energía mecánica. Material : Utilizaremos los valores obtenidos en la práctica “movimiento rectilíneo uniformemente acelerado”. Procedimiento: Conocemos la altura que la bola tiene en el punto A, por tanto podemos conocer la energía potencial que tiene en ese punto. También sabemos que la velocidad inicial de la bola es cero y por tanto la EcA=0 Si despreciamos el rozamiento de la bola contra el raíl, podemos decir que se conserva la energía mecánica, y por tanto que:

EcA + EpA = EcB + EpB Recogida de datos: En la práctica “movimiento rectilíneo uniformemente acelerado” obtuvimos:

Altura desde la que cae la bola: hA m velocidad inicial de la bola: vA 0 m/s velocidad final de la bola: vB m/s

Tratamiento de los datos obtenidos; Obtenemos el valor de la velocidad final a partir del principio de conservación de la energía mecánica y lo comparamos con el valor obtenido experimentalmente en la práctica anterior.

B2BA

2A h g mv m

2

1 h g mv m

2

1 +=+

calcula vB Cuestiones: 1. Teniendo en cuenta que estamos despreciando el rozamiento, ¿Qué habría pasado si el carril hubiese tenido forma de U?

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CALOR ESPECÍFICO DEL ALCOHOL ETÍLICO Objetivo: Comprender la transferencia de calor y el equilibrio térmico Calcular el calor específico del etanol. Material : Etanol, agua, vaso de precipitados, termómetro, mechero de gas y calorímetro. Procedimiento: 1. Tara en la balanza un vaso de precipitados, añádele más o

menos 100g de etanol y anota la masa exacta de etanol que has tomado.

2. Introduce el termómetro en el etanol y anota su Tª inicial. 3. Tara en la balanza otro vaso de precipitados, añádele

aproximadamente 150−200g de agua y anota la masa de agua. 4. Calienta el agua con la ayuda del mechero de gas 5. Vierte el agua caliente en el calorímetro y anota la temperatura una vez que se alcance el

equilibrio. Esta será la Tª inicial del agua caliente. 6. Añade el etanol al calorímetro y vuelve a medir la temperatura (Temperatura de la mezcla) Recogida de datos:

Masa de etanol metanol Temperatura inicial del etanol Ti,etanol Masa de agua mH2O Temperatura inicial del agua Ti,H2O Temperatura final = Tª de la mezcla Tm

Datos: Calor específico del agua = 4180 J/Kg·ºK Tratamiento de los datos obtenidos; Al poner en contacto el agua caliente con el etanol, el agua cede calor al alcohol hasta que alcanzan la misma temperatura (Tm). Se dice que el conjunto ha alcanzado el equilibrio térmico. El principio de conservación de la energía exige que: 0QQ

frío cuerpoganado

caliente cuerpoPerdido =+ (Recuerda,

que según el criterio de signo el calor perdido es negativo y el ganado es positivo) m·ceagua·(Tm−Ti,H2O) + m·ceetanol·(Tm−Ti,etanol) = 0 ceetanol = Cuestiones: Recuerda: No confundas el calor con la temperatura porque son cosas diferentes. La temperatura es una medida de la energía cinética media de las partículas de un cuerpo, mientras que el calor es la energía que se transfiere espontáneamente del cuerpo que está a mayor temperatura al que está a menor temperatura hasta que ambos tienen la misma. Físicamente un cuerpo tiene temperatura, pero no tiene calor. 1. ¿Qué piensas que hemos pasado por alto y ha sido una causa añadida en el error cometido al calcular el calor específico del alcohol?