CALORIMETRÍA 1. INTRODUCCIÓN

Transcripción

1 CALORIMETRÍA. INTRODUCCIÓN Los sistemas termodinámicos se caracterizan por una serie de variables macroscópicas (presión, volumen, temperatura, etc.) íntimamente relacionadas con el estado microscópico de las partículas que conforman dicho sistema. Un estado de equilibrio del sistema está definido por unos valores particulares del número mínimo de variables necesarias para determinar perfectamente las propiedades del sistema. Hay diversos procesos por los que un sistema puede pasar de un estado de equilibrio a otro diferente, también de equilibrio. Uno de ellos consiste en transferir calor (el calor no es más que una forma particular de energía). En esta práctica vamos a estudiar una serie de sistemas termodinámicos (sólidos y líquidos) que van a pasar de un estado de equilibrio a otro transfiriendo calor bajo condiciones tales que la única variable termodinámica que va a cambiar será la temperatura. Veremos cómo a partir de la medida de los cambios de temperatura podremos conocer el calor absorbido o cedido por cada sistema, así como calcular su calor específico.. CONCEPTOS TEÓRICOS. Definiciones Se define la capacidad calorífica C de un cuerpo como la cantidad de calor que dicho cuerpo absorbe cuando su temperatura aumenta un grado. Si al pasar de una temperatura T a otra T ha absorbido una cantidad de calor Q, tendremos que Q C =. () T T Las unidades de la capacidad calorífica son cal/grado (utilizaremos la caloría como unidad de calor). Consideraremos que, en el rango de temperaturas en el que vamos a trabajar en esta práctica, C es constante.

2 Se define el calor específico c de una sustancia como la capacidad calorífica por unidad de masa de dicha sustancia: Q c =, () m( T T ) donde m es la masa de la sustancia. Las unidades del calor específico son cal/(grado gr). Esto implica que el calor absorbido (o cedido) por una sustancia de masa m y calor específico c al variar su temperatura de T a T es Q= m c (T T ). (3). Medida del calor específico: Método de las mezclas Sean dos cuerpos de masas m y m, calores específicos c y c que se encuentran a diferentes temperaturas T y T. Si dichos cuerpos se ponen en contacto, intercambiarán calor hasta llegar a una temperatura común de equilibrio T 3, que será necesariamente un valor intermedio entre T y T. En este proceso el cuerpo más caliente cederá calor que será absorbido por el cuerpo más frío. Supongamos que T > T. En este caso, el calor cedido por el cuerpo será: Q = m c (T - T 3 ) (4) y el calor absorbido por el cuerpo Q = m c (T 3 - T ). (5) Si los cuerpos están aislados del exterior, todo el calor cedido por el cuerpo será absorbido por el cuerpo, con lo que Q = Q y m c (T -T 3 ) = m c (T 3 - T ). (6) La ecuación anterior muestra que si conocemos uno de los calores específicos, podemos conocer el otro mediante un experimento adecuado y las medidas de las temperaturas iniciales y final en equilibrio térmico. En esto se basa el método de las

3 mezclas que vamos a realizar en esta práctica. En este método uno de los cuerpos suele ser agua u otro líquido de calor específico conocido siendo el segundo de los cuerpos de calor específico desconocido. La mezcla se realiza en un calorímetro que consiste en un recipiente provisto de un termómetro que se encuentra aislado del exterior para evitar pérdidas de calor. El mismo calorímetro, así como el termómetro, absorben una determinada cantidad de calor al aumentar su temperatura. Para tener en cuenta este efecto se considera el calor que absorbe el calorímetro al aumentar un grado su temperatura, lo que se denomina equivalente en agua del calorímetro μ y tiene unidades de cal/grado. Dado que una masa de agua ma gr. necesitaría la misma cantidad de calor para experimentar la misma variación de temperatura (puesto que el calor específico del agua es cal/(grado gr)), numéricamente μ y ma son iguales aunque sus unidades difieran. METODO EXPERIMENTAL MATERIAL NECESARIO Calorímetro Termómetros Vaso PYREX de vidrio para calentar el agua Vaso medidor de líquidos de plástico. Resistencia para calentar el agua Guante Pinza PRECAUCIONES ELEMENTALES -Enchufar la resistencia sólo cuando esté sumergida en agua, desconectándola siempre que se saque de ella. -Para calentar el agua utilizar siempre el vaso PYREX, nunca el calorímetro ni el vaso medidor de plástico. -Hacer uso del guante o de las pinzas cuando se trate de coger objetos calientes. -No jugar; ojo con quemarse. 3

4 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA La práctica se realiza en dos fases. En la primera se calculará el equivalente en agua del calorímetro y en la segunda, utilizando este valor, se calculará el calor específico de una aleación metálica. -Equivalente en agua del calorímetro Llenar de agua el calorímetro y medir su temperatura. Llamaremos T a esta temperatura inicial del calorímetro. Entre tanto, calentar 50 gr. de agua en el vaso PYREX sumergiendo la resistencia en el agua hasta que alcance una temperatura alta, en torno a los 90ºC, evitando que entre en ebullición y removiendo un poco para que se caliente por igual. Apagar la resistencia y sacarla del agua. Vaciar bien el calorímetro, y después de remover, medir la temperatura del agua caliente; esta temperatura se llamará T. Rápidamente se vierte el agua caliente en el calorímetro, se tapa, se agita con cuidado y se espera hasta que se alcanza la temperatura de equilibrio a la que llamaremos T 3. El calor cedido por los 50 gr de agua es Q=50 x x (T - T 3 ), ya que el calor específico del agua es cal/(grado gr). Este calor habrá sido absorbido por el calorímetro, por lo que podremos escribir Q=maxx(T 3 - T ). Así pues: 50xx(T - T 3 ) = maxx(t 3 - T ), (7) de donde se despeja el valor de ma del que puede calcularse el equivalente en agua del calorímetro que, como ya hemos visto en la explicación teórica, es μ=ma (el módulo de ambas magnitudes es el mismo, aunque no sus unidades). Se repite el proceso cinco veces presentando en una tabla los valores de las variables T, T, T 3, ma y μ. Entre medida y medida pasar por agua el interior del calorímetro a fin de enfriarlo. Se calculará la media de los cinco valores del equivalente y éste será el valor que tomaremos como equivalente en agua del calorímetro. Se estimará el error cometido tomando la dispersión cuadrática de los valores experimentales. 4

5 -Calor específico de sólidos Δμ = N ( μ μ i ) i= N En esta segunda parte se procederá a la medición del calor específico de una aleación metálica. Su masa es M= 60 gr. Llenar el calorímetro de agua fría y sumergir la pieza metálica en agua fría en el recipiente de plástico. Llamaremos T a esta temperatura inicial de la pieza metálica y del calorímetro. Es importante que ambas temperaturas sean iguales. Si no es así, si la diferencia es superior a o, se vacían ambos y se vuelven a llenar con agua fría. Entre tanto, calentar 50 gr. de agua en el vaso PYREX sumergiendo la resistencia en el agua hasta que alcance una temperatura alta, en torno a los 90ºC, evitando que entre en ebullición y removiendo un poco para que se caliente por igual. Apagar la resistencia y sacarla del agua. Vaciar bien el calorímetro, sacar la pieza metálica del agua, sacudiendo un poco para eliminar el agua en lo posible e introducirla con cuidado en el calorímetro. Después de remover, medir la temperatura del agua caliente; esta temperatura se llamará T. Rápidamente se vierte el agua caliente en el calorímetro, se tapa, se agita con cuidado y se espera hasta que se alcanza la temperatura de equilibrio a la que llamaremos T 3. Evidentemente, se ha producido una transferencia de calor hacia la pieza metálica y el calorímetro, con lo que, conocidas las temperaturas iniciales y final, las masas del agua (m) y la pieza (M), así como el equivalente en agua del calorímetro (ma), podemos escribir: ( cm+m μ ) (T 3 T ) = 50 x x (T T 3 ) (8) y de ahí obtener el calor específico del metal. ATENCIÓN: Para sacar la pieza caliente del calorímetro, utilizar las pinzas y el guante para asirlas. Se repite el proceso cinco veces y se presentan los resultados en una tabla que incluya los valores T, T, T 3 y c, obteniéndose el valor medio del calor específico junto con el error correspondiente del mismo modo que en el caso del equivalente. Entre las medidas sucesivas enfríese tanto el calorímetro como la pieza metálica. 5

6 INFORME DE LA PRÁCTICA: CALORIMETRÍA Nombres: Grupo: Fecha:.- Enunciar de forma resumida los OBJETIVOS de la práctica..- RESULTADOS..-Equivalente en agua del calorímetro: Medida T T T 3 m a μ Valor del equivalente en agua del calorímetro, μ = Se estima el error tal como se explica en el guión. Error estimado: Δμ =..- Calor específico de sólidos: Medida T T T 3 c Valor medio del calor específico: c = Error experimental: Δc = 6