Capacidad térmimca

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    25-Nov-2015

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Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química Laboratorio de Termodinámica Práctica 6: “Capacidad Térmica” Equipo 2: Bautista Hernández Amauri Deedabi González Ruiz Franco Lemus Enciso Aldo Lew Yee Juan Felipe Huan Grupo 35 Profesor: M. en C. Gerardo Omar Hernández Segura Fecha de entrega: Miércoles 26 de marzo de 2014 Objetivo Comprender los conceptos y la relación de la capacidad térmica y capacidad térmica especifica. Introducción Existe una propiedad característica de cada sustancia que relaciona la transferencia de energía (calor) y la variación de temperatura que experimentan los materiales. El calor es proporcional a la masa y a la variación de temperatura: Agregando una constante de proporcionalidad: Donde m es la masa de la sustancia, T la variación de temperatura y c es una constante de proporcionalidad característica de cada sustancia. En termodinámica, esta constante de proporcionalidad c recibe el nombre de capacidad térmica específica (también llamada capacidad calorífica específica o calor específico). Las unidades en las que se expresa la capacidad térmica específica son: Sistema Internacional: Sistema Inglés: Unidades de uso común: La capacidad térmica específica de una sustancia se define como la cantidad de calor necesaria para elevar 1 grado la temperatura de una masa unitaria de dicha sustancia. Como esta propiedad está definida para una masa fija de sustancia, quiere decir que es una propiedad intensiva. La capacidad térmica se define como la cantidad de energía en forma de calor que se necesita suministrar a un sistema para incrementar su temperatura en un grado. En virtud de que esta propiedad no está definida para una masa fija de sustancia, la identificamos como una propiedad extensiva. La capacidad térmica es característica de un cuerpo en particular, pero la capacidad térmica específica caracteriza a una sustancia. Entonces podemos hablar, en primer término, de la capacidad térmica de una moneda de cobre pero, por otra parte, de la capacidad térmica específica del cobre. Material, equipo y reactivos empleados · Cilindros de aluminio: Parte del sistema. · Termómetro de mercurio: Para medir la temperatura del baño. · Termómetro digital: Para la medición de la temperatura del sistema dentro del vaso de poliestireno. · Cronómetro: Para medir el tiempo para que el sistema llegue al equilibrio térmico. · Vaso de poliestireno de 250 mL con tapa: Contenedor para ser usado como calorímetro. · Vaso de precipitados de 250 mL: Para agregar agua al calorímetro. · Vaso de precipitado de 500 mL: Para contener un baño a temperatura de ebullición del agua. · Resistencia: Para calentar el baño a temperatura de ebullición del agua. · Probeta: Para medir el agua agregada al sistema. · Baño de temperatura constante: Para elevar la temperatura de los cilindros. Toxicidad de los reactivos empleados Agua: Puede ocasionar irritación en el tracto respiratorio.Ilustración 1: diamante de riesgo del agua. Peligro a la salud: No existe peligro. Peligro de inflamabilidad: No se quemará. Peligro de inestabilidad: Estable. Diagrama de flujo:Inicio Repetir el experimento 5 veces. Repetir el experimento 5 veces agregando en cada repetición un cilindro. Introducir los cilindros a baños a diferentes temperaturas (70°, 80° y punto de ebullición de agua, aprox.), durante aprox. 3 min o hasta que entren equilibrio termico. Trasferir los cilindros al vaso de poliestireno hasta que alcance el equilibrio térmico con el agua en el calorímetro y anotar la temperatura final. Fin Colocar 150 mL de agua en el vaso de poliestireno a temp. ambiente. Amarrar 4 Cilindros con hilo de nylon, dejando 15 cm para sostenerlo. Pesar las masas de cada uno de los cilindros. Trasferir el cilindro al vaso de poliestireno hasta que alcance el equilibrio térmico con el agua en el calorímetro y anotar la temperatura final. Introducir los cilindros en el baño a 60°C durante aprox. 3 min o hasta que entren en equilibrio térmico. Colocar 150 mL de agua en el vaso de poliestireno a temp. ambiente. Amarrar 1 cilindro con hilo de nylon. Tabla de datos Tabla 1 Temperaturas experimentales Temperatura(ºC) Evento T inicial(ºC) agua T final(ºC) agua T inicial(ºC) metal T final(ºC) metal 80 1 24.4 26.4 78.3 26.4 80 2 26.4 28.4 78.3 28.4 70 3 29.9 31.1 70.9 31.1 70 4 31.1 31.8 70.3 31.8 100 5 31.2 32.7 90.0 32.7 100 6 32.5 33.8 89.7 33.8 Tabla 2 Capacidad calorífica Agua Metal Evento ∆T() Qganado (cal) ∆T () Qcedido (cal) Cmetal Cmetal 1 2 300 -51.9 -300 5.78 24.1 2 2 300 -49.9 -300 6.68 27.9 3 1.2 180 -39.8 -180 4.52 19.0 4 0.7 105 -38.5 -105 2.72 11.3 5 1.5 225 -57.5 -225 3.92 16.4 6 1.5 195 -55.9 -195 3.48 14.5 Tabla 3 Temperaturas experimentales Núm. De cilindros Masa de metal(g) Temp. Inicial del metal (ºC) Temp. Inicial del agua (ºC) Temp. final (ºC) 1 3.45 60.0 32.0 32.1 2 7.86 60.4 31.3 31.6 3 12.28 60.4 31.0 31.4 4 16.63 61.0 30.7 31.4 5 21.07 61.4 30.5 31.3 Tabla 4 Capacidad calorífica específica Núm. De cilindros Masa de metal (g) ∆T metal (ºC) ∆T agua (ºC) C metal Cesp metal Cesp metal 1 3.45 27.9 0.1 0.538 0.156 652.1 2 7.86 28.8 0.3 1.56 0.199 831.8 3 12.28 29 0.4 2.07 0.168 702.24 4 16.63 29.6 0.7 3.55 0.213 891.6 5 21.07 30.1 0.8 3.987 0.189 790.0 Análisis de Resultados Análisis de Resultados Se utilizó un vaso con 150 mL de agua como calorímetro, se despreció la variación de la densidad del agua con la temperatura y se consideró como 1 g/mL tal que la masa de agua en el calorímetro fue de 150 g de agua. La práctica se dividió en dos etapas, en la primera etapa se sometieron 5 cilindros a baño María a diferentes temperaturas hasta que alcanzaron el equilibrio térmico, posteriormente se usó el calorímetro para determinar su variación de temperatura en relación al calor cedido por los cilindros, es decir su capacidad térmica. La capacidad térmica del metal se puede escribir como: Donde Q cedido se determina con el calorímetro mediante la ecuación: El signo negativo en la ecuación (2) indica que los cilindros de aluminio ceden el calor que absorbe el agua, además la ecuación indica que el calor cedido por el metal es absorbido en su totalidad por el agua, esto puede afirmarse mediante la primera ley de la termodinámica ya que al ser el calorímetro un sistema aislado el cambio de energía interna debe ser cero. Cuando los cilindros de aluminio se introducen en el calorímetro estos tienen la temperatura más alta y el agua la temperatura más baja, es por ello que puede decirse que los cilindros de aluminio ceden calor y el agua absorbe el calor. De la ecuación (2) la masa se conoce por medio de su volumen y densidad, su capacidad térmica específica está definida como 1 cal/gºC y la diferencia de temperatura se midió experimentalmente. La ecuación (2) permite conocer el valor del numerador de la ecuación (1), el denominador se determina mediante mediciones con un termómetro. La temperatura inicial del metal es la del baño María para lo cual se hizo la consideración de que los cilindros de metal estuvieron el suficiente tiempo sumergidos en el baño como para alcanzar su equilibrio térmico con éste, mientras que la temperatura final del metal se consideró como la temperatura de equilibrio con el agua. Por último cabe decir que en la ecuación (1) el signo de Q es negativo puesto que el metal cede calor y el signo de ΔT es negativo porque la temperatura final es menor que la inicial, luego la capacidad térmica es positiva. De la ecuación (1) la pendiente de la gráfica de Q contra ΔT es la capacitad térmica de los cilindros, la cual mediante regresión lineal resulta de 5.397 Puede verse de manera general que los valores de la capacidad térmica disminuyen conforme transcurren los eventos del 1 al 6, esto puede explicarse ya que cada vez que se introducen y sacan los cilindros del calorímetro se pierde un poco de agua que queda en los cilindros, si la masa de agua disminuye, el valor de Q (ecuación 2) también disminuye y ya que Q esté en el numerador de la ecuación (1) entonces el valor de C también decrece. El valor de C en el evento 4 es más bajo que en el evento 5 y 6, esto puede atribuirse a un mal sellado del calorímetro tal que el agua y los cilindros de metal cedieran calor a los alrededores, lo cual provocaría que el calor absorbido por el agua fuera menor al cedido por el metal, subestimando así el valor de Q en el numerador de la ecuación (1) y llevando también a un valor de C más bajo que en los demás eventos. En la segunda etapa de la práctica se midió la masa de cada cilindro de aluminio y se introdujo un cilindro al baño María para después introducirlo al calorímetro, posteriormente se introdujeron dos, tres, cuatro y cinco cilindros. La capacidad térmica específica se puede escribir como: Es por ello que la pendiente de la gráfica de la masa de los cilindros en el eje X contra la capacidad térmica del sistema en el eje Y proporciona el valor de la capacidad térmica específica del material. Según una regresión lineal a la gráfica # el valor de la capacidad térmica específica del aluminio es 0.2018 De la gráfica 2 puede verse que la capacidad térmica (eje Y) es diferente con cada masa de los cilindros de aluminio (eje X), por lo tanto la capacidad térmica es una propiedad extensiva, por otra parte al tomarse la relación entre la capacidad térmica y la masa de los cilindros como la pendiente de una recta, la capacidad térmica específica des independiente de la masa del sistema y es una propiedad intensiva. En general los valores obtenidos para la capacidad térmica específica son menores a los teóricos, esto se explica al ver que la consideración de que el calorímetro es completamente aislante no es cierta. Primero el calorímetro tiene un agujero por donde se introduce el vástago del termómetro y que no se sella con el vástago, luego el vástago es de metal y también entra en equilibrio térmico con el agua del calorímetro y el metal. Los factores anteriores causan que la temperatura final del agua del calorímetro sea menor a la esperada y por la ecuación 2 se subestime la cantidad de calor cedido por el metal, por la ecuación 1 se obtenga una capacidad térmica menor a la debida y por la ecuación 3 se obtengan capacidades térmicas específicas menores a la teórica. De la segunda etapa en especial los evento 1 y 3 muestran valores de capacidad térmica específica menores que el resto de los eventos, lo cual se puede atribuir a que no se alcanzara el equilibrio térmico entre los cilindros y el baño térmico, de ser así se utilizaría un valor de temperatura inicial del metal sobreestimado y la diferencia de temperatura considerada sería mayor a la real, luego al ir en el denominador de la ecuación (1) la capacidad térmica sería menor a la real y por la ecuación (3) la capacidad térmica específica seria también menor. Tratamiento de residuos El único residuo es el agua que se almacena para su reutilización. Lenguaje Termodinámico Sistema. Agua (compuesta únicamente de H2O y diversas sales al no ser destilada) Tubos de Aluminio (compuesto de aleaciones de diversos metales en pequeñas cantidades y aluminio). Clasificación de paredes: · Tangibilidad: reales, siendo estas el calorímetro. · Interacción mecánica: Flexibles por el material del vaso en este caso unicel pues se modifica el volumen fácilmente, Rígidas al considerar al termómetro como parte del calorímetro. · Paso de materia: impermeables ya que deben evitarse fugas para que se alcance únicamente un equilibrio térmico entre el agua, el termómetro y los tubos a estudiar. · Paso de energía en forma de calor: Diatérmicas pues el unicel si deja pasar la energía aunque en mínimas cantidades y progresivamente, el vidrio del termómetro al igual permite el paso de energía en forma de calor. Clasificación de sistema: · Interacción con el ambiente: cerrado ya que no permite intercambio de materia pero si de energía en forma de calor. Pues consideramos al calorímetro sellado. · Por número de fases: heterogénea por la mezcla visiblemente apreciable del agua en estado líquido así como los tubos de aluminio en fase sólida. · Las Interfases del sistema se dan entre el agua y el termómetro, el agua y los tubos, el termómetro y los tubos; así como del agua con las paredes de unicel, sin olvidar finalmente la interacción entre el termómetro y el unicel, este último parte del calorímetro. Conclusiones La capacidad térmica depende del material y es distinta para materiales de igual naturaleza química puesto que depende de la masa del material, es decir, es una propiedad intensiva. Por otra parte la capacidad térmica específica no depende de la masa del material y sólo depende de su naturaleza química, por lo tanto es una propiedad intensiva y tiene el mismo valor para un mismo material. Bibliografía ·  Chang, R., (2002). Química., 3ª ed., Colombia: Editorial McGraw-Hill. Pp. 154-167. · Atkins, P., (2002), Principios de química: los caminos del descubrimiento, 3ª ed., Argentina: Medica Panamericana, Pp. 134-135. 10

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