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1. OBJETIVO
1.1 Medir el calor específico de un sólido metálico.
1.2 Comprobar que el calor especifico es independiente de la masa.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO
El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor que se requiere para elevar
un grado Celsius la temperatura de un gramo de ella. De acuerdo a esta definición, la
cantidad de energía calorífica Q absorbida o cedida por un cuerpo de masa m al
calentarse o enfriarse es proporcional a la variación de temperatura (^) T f
masa del cuerpo según la fórmula:
T
i
y a la
Q = m c ΔT , (1)
donde c es el calor específico. Cuando no hay intercambio de energía (en forma de calor)
entre dos sistemas, decimos que están en equilibrio térmico. Las moléculas individuales
pueden intercambiar energía, pero en promedio, la misma cantidad de energía fluye en
ambas direcciones, no habiendo intercambio neto. Para que dos sistemas estén en
equilibrio térmico deben estar a la misma temperatura. El calor específico es una
propiedad física dependiente del material. Sin embargo, cuando se mide esta magnitud,
se encuentra que varía con la presión y volumen del sistema. Normalmente, para sólidos
y líquidos, estos dos valores se diferencian en sólo un pequeño porcentaje que es a
menudo despreciado. En la Tabla 1 se muestran los valores del calor específico de algunas
sustancias sólidas y líquidas a temperatura ambiente y presión atmosférica.
El calor específico es característico para cada sustancia y, en el Sistema Internacional, se
mide en julios por kilogramo y kelvin (J/(kg·K)). También se puede expresar en cal/g
o
C.
Utilizar la siguiente equivalencia para convertir de cal a J:
1 cal =4.186 J
CALOR ESPECÍFICO
TABLA 1. Valores del calor específico de algunas sustancias.
Sustancia
Calor específico, c
J / kg
k
cal / g º
C
Cuerpo Humano 3558 0,
Oro (Au) 129 0,
Plata (Ag) 234 0,
Aluminio (Al) 900 0,
Diamante (C) 333 0,
Cobre (Cu) 387 0,
Hierro (Fe) 448 0,
Alcohol (R-OH) 2512 0,
Glicerina 2428 0,
Agua (H 2 O a 15 ºC) 4186 1,
Mercurio (Hg) 138 0,
Vidrio 837 0,
Hielo (H 2 O a - 5 ºC) 2093 0,
grafito 710 0.
Aceite de oliva 2000 0.
aire 1010 0.
Conocer el valor del calor específico es fundamental en el estudio de las propiedades de
los materiales. A saber, las propiedades térmicas de los superconductores han sido
estudiadas en forma amplia en base a las mediciones del calor específico del material.
Debido a que la energía térmica afecta a sólo unos pocos electrones, éstos proporcionan
únicamente una pequeña contribución al calor específico de un metal. En consecuencia,
según se calienta un metal, la mayoría de la energía utilizada en elevar la temperatura de
éste va a incrementar la energía vibracional de los átomos y lo restante se utiliza para
incrementar la energía cinética de los electrones de conducción.
En otro aspecto, el calor específico está íntimamente relacionado con la inercia térmica de los
cuerpos, que indica la dificultad que éstos ofrecen para variar su temperatura. Si un edificio
tiene gran inercia térmica, no se producen diferencias drásticas de temperatura. Esto basado
en que su masa tiene la capacidad de almacenar energía en forma de calor, la que puede ser
liberada nuevamente al ambiente. La capacidad de acumulación térmica de los elementos
constituyentes de la edificación permite, en los mejores casos, obtener valores altos de
inercia térmica y por ende conseguir la estabilidad térmica en su interior, evitando las
oscilaciones de temperatura originadas por las fluctuaciones térmicas climáticas.
MEDIDA DEL CALOR ESPECÍFICO. CALORIMETRÍA
La calorimetría es una técnica de análisis térmico que permite medir los cambios
energéticos de una sustancia en presencia de un material de referencia. La medición del
calor específico de una sustancia consta en calentar la sustancia hasta cierta temperatura,
colocarla después en un recinto adiabático con una determinada masa de agua a
temperatura conocida, para finalmente medir la temperatura de equilibrio del sistema
sustancia-agua. El dispositivo en el cual ocurre esta transferencia de calor recibe el
de calorímetro , el cual también experimenta ganancia de calor, la cual puede ser
despreciada si la masa del calorímetro no es significativa respecto de la masa de agua.
Sea ms la masa del sólido con calor específico cs desconocido, con una temperatura inicial
alta Ts; y análogamente, sean ma, ca y Ta los correspondientes valores para el agua. Si T es
la temperatura de equilibrio del sistema, a partir de la ecuación (1) se encuentra que,
i) el calor ganado por el agua:
ii) y el calor perdido por el sólido.
Q
a
m
a
c
a
(T T
a
Q
s
m
s
c
s
(T T
s
La cantidad de trabajo mecánico realizado durante el proceso es pequeña y, en
consecuencia, despreciable. La ley de conservación de energía requiere que el calor que
cede la sustancia más caliente (de calor específico desconocido) sea igual al calor que
recibe el agua. Por lo tanto,
m
a
c
a
(T T
a
)
m
s
c
s
(T T
s
)
(2)
Despejando cs de la expresión anterior se tiene:
C
S
m a
C
a (
T − T
a )
m s
( T^
s
− T )
Con unidades de cal / g º C o J / kg K , estas últimas de acuerdo al Sistema Internacional
CALOR ESPECIFICO DE SOLIDOS
2.- RESUMEN ( )
En esta práctica pude determinar los valores específicos para el aluminio y cobre, también
observé cómo cambian la temperatura tras ser sometidos al calor que recibían del agua
hirviendo, también pude observar cómo varía la temperatura del agua tras ser expuesta a los
sólidos provenientes del recipiente con el agua Se hizo uso de la técnica de la calorimetría, el
cual se basa en su principio de conservación de la energía. Para esto se va a usar agua,
cocina eléctrica, vasos de precipitados y las piezas metálicas. Se colocó la pieza metálica en el
agua hirviendo y luego de un rato, se sacó y se colocó en el agua fría. Después de adquirir el
equilibrio se tomó el valor temperatura de equilibrio.
Los datos recaudados en la experimentación fueron más que suficientes para que con apoyo
de las ecuaciones brindadas en clase pudiéramos hallar el calor específico de los diferentes
cuerpos usados y a su vez con los resultados obtenidos comprobamos que el calor específico
es independiente de la masa.
3.- MATERIALES E INSTRUMENTOS ( )
Material
es
Instrumentos
Precisión
Simulador virtual (equipo para calor especifico) Balanza digital 5 g
Masas solidas de aluminio y cobre Termómetro digital 0.1°C
Dos vasos de precipitados (virtual) Cronometro 1 s
Agua caliente y fría
Cocina eléctrica (virtual)
Calculadora
INFORME N° 07
TABLA 2. Datos experimentales correspondientes a muestras de Aluminio.
N m a
(g) T a
(ºC) m s
(g) T s
(ºC) T (ºC)
200 20
25
100
30 22.
35 22.
40 23.
45 23.
TABLA 3. Datos experimentales correspondientes a muestras de Cobre.
N m a
(g) T a
(ºC) m s
(g) T s
(ºC) T (ºC)
200 20
25
100
30 21.
35 21.
40 21-
45 21.
5.- PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS ( )
5.1 Use la ecuación 3 para calcular el calor específico de los sólidos en estudio. Con los
datos de la Tabla 2 y 3 halle: Las variaciones de temperatura del agua T a T^ Ta y
del sólido T s
T
s
T. Los resultados colóquelos en las Tablas 4 y 5 respectivamente.
TABLA 4. Valores del calor específico.
N
Alumin
io
T
a
(ºC) T
s
(ºC) (^) c (cal/g.ºC) c (J/kg.°C)
2.1 77.9 0.216 904.
2.5 77.5 0.215 899.
2.9 77.1 0.214 895.
3.3 76.7 0.215 899.
3.7 76.3 0.215 899.
PROMEDIO
0.215 899.
cT cE
cT
TABLA 5. Valores del calor específico.
N
Cobre
T
a
(ºC) T
s
(ºC)
c (cal/g.ºC) c (J/kg.°C)
0.9 79.1 0.091 380.
1.1 78.9 0.092 385.
1.3 78.7 0.094 393.
1.4 78.6 0.089 372.
1.6 78.4 0.090 376.
PROMEDIO
0.0912 381.
5,2 ¿Cómo se sabe que un cuerpo ha recibido o cedido calor?
Se sabe midiendo y comparando sus temperaturas, si la temperatura del cuerpo aumentó es
que ha recibido calor, si la temperatura disminuyó es porque ha cedido calor. Cuando un
cuerpo cambia su temperatura de manera positiva entendemos que ha recibido calor de otro
cuerpo de una temperatura mayor, el otro caso es en el que un cuerpo disminuye su
temperatura debido a que está cediendo calor a otro cuerpo de temperatura menor (el cual
debido a este fenómeno empieza a aumentar su temperatura).
5,3 Determinar la discrepancia relativa porcentual entre los valores promedio del calor
específico (cE), hallados en el ítem 5.1, y los valores dados en la Tabla 1 (cT).
Aluminio:
i) 100 ......................................................................................................
DESARROLLO EN FOTO
ii)
Cobre:
DESARROLLO EN FOTO
6.- RESULTADOS
Magnit
ud Material
C (J/kg.°C)
Discrepancia
relativa
cT cE
cT
7.- CONCLUSIONES ( )
7.1 Explique ¿Por qué se pueden cocinar, más rápido papas cuando han sido
atravesadas por un alambre, que cuando no lo han sido?
Esto se debe a que la papa recibe calor de afuera hacia adentro por medio de 2 conductores,
eso quiere decir que el calor tardara muchos más en llegar al centro, uno es el agua hirviendo
que le cede calor alrededor de la papa hacia dentro, lo normal es que para que el calor llegue
hasta el interior de la papa toma su tiempo, el cual es reducido al atravesar la papa con un
alambre, ya que este viene a ser un conductor de energía, en este caso conduce el calor del
agua hirviendo hacia el interior de la papa directamente, entonces la papa recibe más fácil y
rápidamente el calor por fuera y por dentro gracias al alambre que la atraviesa.
7.2 Usando el valor del calor especifico del COBRE de la Tabla de resultados, con los
5tos datos de la Tabla 3 y haciendo uso de ecuación (2) ¿Determine el Calor
especifico del agua (Ca) en unidades Cal/g °C?
7.3 ¿En qué se diferencia el calor y la temperatura? Explique
La temperatura mide la energía térmica de los cuerpos. El calor, mide la transferencia de
energía térmica, de un cuerpo a otro. De forma más específica, la temperatura es la energía
cinética de las partículas. Y existen varias unidades de medición, siendo la más importante el
"Grado Kelvin" (K).
La diferencia está en que el calor es la energía que se produce por la vibración de moléculas, y
la temperatura es la magnitud con la que se mide esa vibración o agitación de las moléculas
de un cuerpo.
Calor=energía
Temperatura = Magnitud
7.4 En el proceso de calentamiento del agua una parte (la del fondo) puede estar
más caliente que la parte superficial. En tal situación: ¿cuál es la temperatura del
agua?
¿es razonable hablar de la temperatura del agua? Explique
a) La temperatura del agua es : Si el calor se reparte de manera dispareja, donde el calor
afecta más la parte del fondo* se puede decir que su temperatura será diferente a la de
la superior en un determinado momento, ya que sus moléculas están más agitadas que
la parte superficial, en ese determinado momento. (Si el agua estuviera hirviendo y en
proceso de ebullición su temperatura sería de entre 100 y 110 °C aprox.)
b) En todo caso depende de que se quiera hallar o saber, en caso de cambio de fase del
agua sería mejor hablar del calor que recibe el agua en determinado tiempo.
