lunes, 6 de abril de 2015

Capacidad calorífica

 OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

·         Determinar la capacidad calorífica mediante un calorímetro sencillo

OBJETIVOS PARTICULARES
·         Usar el principio de la conservación de la energía para calibrar un calorímetro.
·         Determinar la capacidad calorífica del agua y de la leche.



INTRODUCCIÓN

Se designa con el nombre de calor (Q) a la energía en tránsito que fluye desde una parte de un sistema a otra o de un sistema a otro, en virtud únicamente de una diferencia de temperatura. Por convención se considera que Q es positivo cuando es absorbido por el sistema y negativo en caso contrario.

Se denomina capacidad calorífica específica o calor específico de un sistema a su capacidad calorífica por unidad de masa o mol.  La capacidad calorífica en un proceso durante el cual el sistema se somete a una presión hidrostática externa constante, se denomina capacidad calorífica a presión constante y se representa por Cp. El valor de Cp para un sistema determinado depende de la presión y de la temperatura. Si el sistema se mantiene a volumen constante mientras se le suministra calor, la capacidad calorífica correspondiente se denomina capacidad calorífica a volumen constante y se representa por Cv.

Cuando se calienta un material, este experimenta un cambio de temperatura, indicando con ello un que absorbe energía. La capacidad calorífica es una propiedad que indica la capacidad de un material de absorber calor de su entorno. En términos matemáticos, la capacidad calorífica C puede expresarse como:

Donde dQ es la energía necesaria para producir un cambio  en la temperatura. Normalmente la capacidad calorífica  se expresa por mol de material (por ejemplo, J/mol-K; cal/mol-K). A veces se utiliza el calor específico (C)  (J/Kg-K; cal/g-K).
Dentro de un intervalo de temperaturas en el cual C puede considerarse constante:


Existen dos métodos para medir esta propiedad, según las cuales sean las condiciones del medio en que se realiza la transferencia de calor. Uno es medir la capacidad calorífica mientras se mantiene la muestra a volumen  constante, en este caso se representa ; el otro método es bajo presión constante y se representa por . La magnitud de  es siempre mayor que .



DESARROLLO  EXPERIMENTAL

Experimento 1.Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro.

Figura 1. Arreglo experimental de la determinación de capacidad calorífica

Experimento 2.Determinación de la capacidad calorífica del líquido problema.

Experimento 3. Determinación de la densidad del líquido problema.


RESULTADOS

Tabla 1. Datos obtenidos en la determinación de la capacidad calorífica del calorímetro.
Experimento
M1 (g)
m2 (g)
T1 (°C)
T2 (°C)
T3 (°C)
1a
50
50
22
40
25
1b
50
50
23
40
26
1c
50
50
23
40
25.5
Promedio
50
50
22.66
40
25.5


Tabla 2. Datos obtenidos en la determinación de la capacidad calorífica del líquido problema (leche).
Experimento
m1 (g)
m3 (g)
T1 (°C)
T4 (°C)
T5 (°C)
50
50.2123
23
40
26
2b
50
50.2123
21.5
40
25
2c
50
50.2123
21
40
25
Promedio
50
50.2123
21.83
40
25.33


Tabla 3. Resultados obtenidos
Capacidad calorífica del líquido problema
Cp= 2.1614 J/ g K
Capacidad calorífica del producto biológico (investigado)
Cp teórico= 3.8928 J/ g K
 Error
44.47%



MEMORIA DE CÁLCULO

Tabla 4. Datos obtenidos en la determinación de la densidad del líquido problema (leche)
Peso de leche
10.0813 g
3b
10.1067 g
3c
9.9394 g
Promedio
10.042 g


Calor cedido por el agua adicionada = calor ganado por el calorímetro y el agua contenida en él.

Calor cedido por el líquido problema = calor ganado por el calorímetro y el agua contenida en él


Despejando Cp del líquido problema


NOMENCLATURA

T1 = temperatura del agua fría, ºC
T2 = temperatura del agua caliente, ºC
T3 = temperatura más alta de la mezcla de agua fría y caliente, ºC
T4 = temperatura del líquido problema caliente, ºC
T5 = temperatura más alta de la mezcla de agua fría y líquido problema caliente, ºC
m1 = masa del agua fría, g
m2 = masa del agua caliente, g
m3 = masa del líquido problema caliente, g
C = calor específico del calorímetro J/g K
CpH2O = capacidad calorífica del agua, J/ g °C
Cp = capacidad calorífica del líquido problema, J/g °C



ANÁLISIS DE RESULTADOS

Las capacidades caloríficas del líquido teórico de 3.8928 J/ g K y práctico de 2.1614 J/ g K varían; esto se debe a que no se manejaron ni se controlaron las mismas condiciones para la determinación de la capacidad calorífica en este caso el de la leche.  Se debe tomar en cuenta que la naturaleza del producto también influye en los cálculos obtenidos; otro factor importante es el calorímetro donde también afecta en la transferencia de calor hacia el liquido problema; ya que este tiene como fundamento no alterar las condiciones para la realización del análisis; sin embargo nuestro calorímetro era un termo y este no pertenece a un sistema adiabático, el cual  incluye agitadores para asegurar temperatura constante en todo el sistema, termómetros de alta precisión (0.1°), material aislante térmico altamente efectivo y un contenedor.

La temperatura es un factor importante debido a que de esta medida depende el análisis, para su medida depende de la persona que lo esté midiendo ya que cada quien tiene una percepción diferente al observar.

La capacidad calorífica del agua que usamos para hacer nuestros cálculos está es tomada a temperatura y a una presión de 1 atm, así que esto afecta nuestros resultados ya que no se realizaron a las mismas condiciones, como para haber implementado ese parámetro lo ideal hubiese sido que determináramos nuestra propia capacidad calorífica de agua para que el error disminuyera.

Las ecuaciones utilizadas en la práctica nos permitieron calcular tanto la constante del calorímetro como la capacidad calorífica de la leche utilizando como fundamento que el calor cedido era igual al calor ganado.

La determinación  del porcentaje de error nos permite conocer que tan lejanos estamos de un valor estándar que se ha determinado en óptimas condiciones y es de referencia. El valor obtenido del porciento de error es de 44.47% y nos indica que estamos muy alejados al valor estándar; esto se debe a que las condiciones y la instrumentación que no se controlaron de manera adecuada y las cuales fueron mencionadas anteriormente.

En el caso de que quisiéramos determinar la capacidad calorífica de sólidos se haría lo siguiente: Se mide la temperatura y masa del sólido, posteriormente se sumerge en un volumen y temperatura conocidos de agua y se determina el cambio de temperatura del sistema y de la misma manera aplicaríamos las ecuaciones utilizadas en los experimentos anteriores solo que de adecuándola a el nuevo sistema.

CONCLUSIÓN
Ò  Al añadir energía calorífica a una sustancia la temperatura suele aumentar hasta llegar a un equilibrio como en el caso de la leche.
Ò  La capacidad calorífica de la leche obtenida experimentalmente es de 2.1614 J/ g K lo que indica que comparada con el agua esta necesita más calor para que exista un cambio de temperatura.

BIBLIOGRAFÍA
Callister, William. 1996. Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales, vol.2. Editorial Reverte, Barcelona España. pp. 668

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