Capacidad trmimca

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    25-Nov-2015

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Universidad Nacional Autnoma de MxicoFacultad de QumicaLaboratorio de TermodinmicaPrctica 6:Capacidad TrmicaEquipo 2:Bautista Hernndez Amauri DeedabiGonzlez Ruiz FrancoLemus Enciso AldoLew Yee Juan Felipe HuanGrupo 35Profesor:M. en C. Gerardo Omar Hernndez SeguraFecha de entrega:Mircoles 26 de marzo de 2014ObjetivoComprender los conceptos y la relacin de la capacidad trmica y capacidad trmica especifica.IntroduccinExiste una propiedad caracterstica de cada sustancia que relaciona la transferencia de energa (calor) y la variacin de temperatura que experimentan los materiales.El calor es proporcional a la masa y a la variacin de temperatura:

Agregando una constante de proporcionalidad:

Donde m es la masa de la sustancia, T la variacin de temperatura y c es una constante de proporcionalidad caracterstica de cada sustancia. En termodinmica, esta constante de proporcionalidad c recibe el nombre de capacidad trmica especfica (tambin llamada capacidad calorfica especfica o calor especfico).

Las unidades en las que se expresa la capacidad trmica especfica son: Sistema Internacional: Sistema Ingls:Unidades de uso comn: La capacidad trmica especfica 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 est definida para una masa fija de sustancia, quiere decir que es una propiedad intensiva.La capacidad trmica se define como la cantidad de energa 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 est definida para una masa fija de sustancia, la identificamos como una propiedad extensiva.La capacidad trmica es caracterstica de un cuerpo en particular, pero la capacidad trmica especfica caracteriza a una sustancia. Entonces podemos hablar, en primer trmino, de la capacidad trmica de una moneda de cobre pero, por otra parte, de la capacidad trmica especfica del cobre.

Material, equipo y reactivos empleados Cilindros de aluminio: Parte del sistema. Termmetro de mercurio: Para medir la temperatura del bao. Termmetro digital: Para la medicin de la temperatura del sistema dentro del vaso de poliestireno. Cronmetro: Para medir el tiempo para que el sistema llegue al equilibrio trmico. Vaso de poliestireno de 250 mL con tapa: Contenedor para ser usado como calormetro. Vaso de precipitados de 250 mL: Para agregar agua al calormetro. Vaso de precipitado de 500 mL: Para contener un bao a temperatura de ebullicin del agua. Resistencia: Para calentar el bao a temperatura de ebullicin del agua. Probeta: Para medir el agua agregada al sistema. Bao de temperatura constante: Para elevar la temperatura de los cilindros.

Toxicidad de los reactivos empleadosAgua: Puede ocasionar irritacin en el tracto respiratorio.Ilustracin 1: diamante de riesgo del agua.

Peligro a la salud: No existe peligro.Peligro de inflamabilidad: No se quemar.Peligro de inestabilidad: Estable.

Diagrama de flujo:Inicio

Repetir el experimento 5 veces.Repetir el experimento 5 veces agregando en cada repeticin un cilindro.Introducir los cilindros a baos a diferentes temperaturas (70, 80 y punto de ebullicin 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 trmico con el agua en el calormetro 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 trmico con el agua en el calormetro y anotar la temperatura final.Introducir los cilindros en el bao a 60C durante aprox. 3 min o hasta que entren en equilibrio trmico.Colocar 150 mL de agua en el vaso de poliestireno a temp. ambiente.Amarrar 1 cilindro con hilo de nylon.

Tabla de datosTabla 1 Temperaturas experimentales Temperatura(C)EventoT inicial(C) aguaT final(C) aguaT inicial(C) metalT final(C) metal

80124.426.478.326.4

80226.428.478.328.4

70329.931.170.931.1

70431.131.870.331.8

100531.232.790.032.7

100632.533.889.733.8

Tabla 2 Capacidad calorficaAguaMetal

EventoT()Qganado(cal)T()Qcedido(cal)Cmetal

Cmetal

12300-51.9-3005.7824.1

22300-49.9-3006.6827.9

31.2180-39.8-1804.5219.0

40.7105-38.5-1052.7211.3

51.5225-57.5-2253.9216.4

61.5195-55.9-1953.4814.5

Tabla 3 Temperaturas experimentales Nm. De cilindrosMasa de metal(g)Temp. Inicial del metal (C)Temp. Inicial del agua (C)Temp. final (C)

13.4560.032.032.1

27.8660.431.331.6

312.2860.431.031.4

416.6361.030.731.4

521.0761.430.531.3

Tabla 4 Capacidad calorfica especficaNm. De cilindrosMasa de metal(g)T metal(C)T agua(C)C metal

Cesp metal

Cesp metal

13.4527.90.10.5380.156652.1

27.8628.80.31.560.199831.8

312.28290.42.070.168702.24

416.6329.60.73.550.213891.6

521.0730.10.83.9870.189790.0

Anlisis de ResultadosAnlisis de ResultadosSe utiliz un vaso con 150 mL de agua como calormetro, se despreci la variacin de la densidad del agua con la temperatura y se consider como 1 g/mL tal que la masa de agua en el calormetro fue de 150 g de agua.

La prctica se dividi en dos etapas, en la primera etapa se sometieron 5 cilindros a bao Mara a diferentes temperaturas hasta que alcanzaron el equilibrio trmico, posteriormente se us el calormetro para determinar su variacin de temperatura en relacin al calor cedido por los cilindros, es decir su capacidad trmica.La capacidad trmica del metal se puede escribir como:

Donde Q cedido se determina con el calormetro mediante la ecuacin:

El signo negativo en la ecuacin (2) indica que los cilindros de aluminio ceden el calor que absorbe el agua, adems la ecuacin 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 termodinmica ya que al ser el calormetro un sistema aislado el cambio de energa interna debe ser cero. Cuando los cilindros de aluminio se introducen en el calormetro estos tienen la temperatura ms alta y el agua la temperatura ms baja, es por ello que puede decirse que los cilindros de aluminio ceden calor y el agua absorbe el calor. De la ecuacin (2) la masa se conoce por medio de su volumen y densidad, su capacidad trmica especfica est definida como 1 cal/gC y la diferencia de temperatura se midi experimentalmente.La ecuacin (2) permite conocer el valor del numerador de la ecuacin (1), el denominador se determina mediante mediciones con un termmetro. La temperatura inicial del metal es la del bao Mara para lo cual se hizo la consideracin de que los cilindros de metal estuvieron el suficiente tiempo sumergidos en el bao como para alcanzar su equilibrio trmico con ste, mientras que la temperatura final del metal se consider como la temperatura de equilibrio con el agua. Por ltimo cabe decir que en la ecuacin (1) el signo de Q es negativo puesto que el metal cede calor y el signo de T es negativo porque la temperatura final es menor que la inicial, luego la capacidad trmica es positiva.De la ecuacin (1) la pendiente de la grfica de Q contra T es la capacitad trmica de los cilindros, la cual mediante regresin lineal resulta de 5.397 Puede verse de manera general que los valores de la capacidad trmica disminuyen conforme transcurren los eventos del 1 al 6, esto puede explicarse ya que cada vez que se introducen y sacan los cilindros del calormetro se pierde un poco de agua que queda en los cilindros, si la masa de agua disminuye, el valor de Q (ecuacin 2) tambin disminuye y ya que Q est en el numerador de la ecuacin (1) entonces el valor de C tambin decrece. El valor de C en el evento 4 es ms bajo que en el evento 5 y 6, esto puede atribuirse a un mal sellado del calormetro tal que el agua y los cilindros de metal cedieran calor a los alrededores, lo cual provocara que el calor absorbido por el agua fuera menor al cedido por el metal, subestimando as el valor de Q en el numerador de la ecuacin (1) y llevando tambin a un valor de C ms bajo que en los dems eventos.En la segunda etapa de la prctica se midi la masa de cada cilindro de aluminio y se introdujo un cilindro al bao Mara para despus introducirlo al calormetro, posteriormente se introdujeron dos, tres, cuatro y cinco cilindros.La capacidad trmica especfica se puede escribir como:

Es por ello que la pendiente de la grfica de la masa de los cilindros en el eje X contra la capacidad trmica del sistema en el eje Y proporciona el valor de la capacidad trmica especfica del material. Segn una regresin lineal a la grfica # el valor de la capacidad trmica especfica del aluminio es 0.2018 De la grfica 2 puede verse que la capacidad trmica (eje Y) es diferente con cada masa de los cilindros de aluminio (eje X), por lo tanto la capacidad trmica es una propiedad extensiva, por otra parte al tomarse la relacin entre la capacidad trmica y la masa de los cilindros como la pendiente de una recta, la capacidad trmica especfica des independiente de la masa del sistema y es una propiedad intensiva.En general los valores obtenidos para la capacidad trmica especfica son menores a los tericos, esto se explica al ver que la consideracin de que el calormetro es completamente aislante no es cierta. Primero el calormetro tiene un agujero por donde se introduce el vstago del termmetro y que no se sella con el vstago, luego el vstago es de metal y tambin entra en equilibrio trmico con el agua del calormetro y el metal. Los factores anteriores causan que la temperatura final del agua del calormetro sea menor a la esperada y por la ecuacin 2 se subestime la cantidad de calor cedido por el metal, por la ecuacin 1 se obtenga una capacidad trmica menor a la debida y por la ecuacin 3 se obtengan capacidades trmicas especficas menores a la terica.De la segunda etapa en especial los evento 1 y 3 muestran valores de capacidad trmica especfica menores que el resto de los eventos, lo cual se puede atribuir a que no se alcanzara el equilibrio trmico entre los cilindros y el bao trmico, de ser as se utilizara un valor de temperatura inicial del metal sobreestimado y la diferencia de temperatura considerada sera mayor a la real, luego al ir en el denominador de la ecuacin (1) la capacidad trmica sera menor a la real y por la ecuacin (3) la capacidad trmica especfica seria tambin menor.Tratamiento de residuosEl nico residuo es el agua que se almacena para su reutilizacin.Lenguaje TermodinmicoSistema.Agua (compuesta nicamente de H2O y diversas sales al no ser destilada) Tubos de Aluminio (compuesto de aleaciones de diversos metales en pequeas cantidades y aluminio).Clasificacin de paredes: Tangibilidad: reales, siendo estas el calormetro. Interaccin mecnica: Flexibles por el material del vaso en este caso unicel pues se modifica el volumen fcilmente, Rgidas al considerar al termmetro como parte del calormetro. Paso de materia: impermeables ya que deben evitarse fugas para que se alcance nicamente un equilibrio trmico entre el agua, el termmetro y los tubos a estudiar. Paso de energa en forma de calor: Diatrmicas pues el unicel si deja pasar la energa aunque en mnimas cantidades y progresivamente, el vidrio del termmetro al igual permite el paso de energa en forma de calor.Clasificacin de sistema: Interaccin con el ambiente: cerrado ya que no permite intercambio de materia pero si de energa en forma de calor. Pues consideramos al calormetro sellado. Por nmero de fases: heterognea por la mezcla visiblemente apreciable del agua en estado lquido as como los tubos de aluminio en fase slida. Las Interfases del sistema se dan entre el agua y el termmetro, el agua y los tubos, el termmetro y los tubos; as como del agua con las paredes de unicel, sin olvidar finalmente la interaccin entre el termmetro y el unicel, este ltimo parte del calormetro.ConclusionesLa capacidad trmica depende del material y es distinta para materiales de igual naturaleza qumica puesto que depende de la masa del material, es decir, es una propiedad intensiva. Por otra parte la capacidad trmica especfica no depende de la masa del material y slo depende de su naturaleza qumica, por lo tanto es una propiedad intensiva y tiene el mismo valor para un mismo material.Bibliografa Chang, R., (2002). Qumica., 3 ed., Colombia: Editorial McGraw-Hill. Pp. 154-167. Atkins, P., (2002), Principios de qumica: los caminos del descubrimiento, 3 ed., Argentina: Medica Panamericana, Pp. 134-135.10

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