Calor específico en sólidos

Termodinámica. Capacidad calorífica del calorímetro

  • Enviado por: Juanito Andante
  • Idioma: castellano
  • País: España España
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Introducción

El objetivo de esta práctica consiste en la determinación del calor específico de diferentes sólidos.

Fundamento teórico. Descripción del experimento

En la práctica calcularemos el calor específico de tres sólidos distintos. Para ello mediremos el calor cedido por cada uno de los sólidos a una masa conocida de agua fría, en un calorímetro adiabático. Pero como el mismo calorímetro también absorbe calor, primero se determinará la capacidad calorífica del calorímetro.

La capacidad calorífica del calorímetro se determinará mediante el método de mezclas, que es análogo al que luego aplicaremos para hallar el Cp de los distintos sólidos.

Primeramente, metemos una cantidad de agua fría (mF) con una temperatura conocida (TF) en el calorímetro. Es conveniente agitar para que la temperatura de la mezcla sea homogénea. Simultáneamente, fuimos calentando cierta masa de agua (mC), hasta una temperatura cercana a 80 ºC (TC).

Finalmente vertimos el agua caliente en el calorímetro, y medimos la temperatura de equilibrio de la mezcla final (TM). La capacidad calorífica del calorímetro obedece a la expresión siguiente:

(1)

A continuación, procedimos a la determinación del calor específico de los diferentes sólidos. Siguiendo un método análogo al anterior, introducimos una masa de agua (mf') a temperatura ambiente (TF'). Al mismo tiempo sumergimos en agua en ebullición uno de los sólidos de masa conocida (ms) hasta que se halla estabilizado la temperatura (Teb'). Entonces se introduce el sólido en el calorímetro lleno de agua a temperatura ambiente y se remueve la mezcla hasta que esta alcance una temperatura final homogénea (TM'). Finalmente obtenemos el calor específico de cada sólido sin más que aplicar la ecuación siguiente:

(2)

Este método se basa en el hecho de que en un recinto adiabático, considerando que el calorímetro lo sea, si dos cuerpos se encuentran a temperaturas diferentes el sistema evoluciona hasta que estas se igualan, de manera que el calor absorbido por uno de ellos es siempre igual al cedido por el otro.

Para calcular de que metales estaban compuestos cada uno de los sólidos utilizados, comparamos los resultados obtenidos con los tabulados.

Por último comprobamos la ley de Dulong y Petit, según la cual las capacidades caloríficas atómicas de la mayoría de los elementos sólidos, a presión atmosférica y temperatura ordinaria (20ºC), son similares.

(3)

Resultados experimentales

Cálculo de la capacidad calorífica del calorímetro

TC = ( 81,0 ± 0,5 ) ºC mF = ( 243,4 ± 0,1 ) gr.

TF = ( 23,0 ± 0,5 ) ºC mC = ( 196,7 ± 0,1 ) gr.

TM = ( 46,0 ± 0,5 ) ºC

Interpolación:

Cp(H2O, 40ºC) = 4,1785 J/g.K Cp(H2O, 46 ºC) = 4,1798 J/g.K = 1,0032 cal/gr.ºC

Cp(H2O, 50ºC) = 4,1806 J/g.K

C = 56,1051 cal/ºC

Cálculo del calor específico de los distintos sólidos

1) Pequeño dorado:

Cp(H2O)=1,00320 ± 8 ×10-5 cal/gr.ºC

mS = ( 90,7 ± 0,1) gr.

m'F = (236,8 ± 0,1 ) gr.

T'F = (22,5 ± 0,5 ) ºC

T'eb = ( 98,5 ± 0,5 ) ºC.

T'M = ( 25,0 ± 0,5 ) ºC.

Cp= 0,110127151 cal/g.ºC

2) Pequeño plateado:

Cp(H2O)=1,00320 ± 8 ×10-5 cal/gr.ºC

mS = ( 87,6 ± 0,1 ) gr.

m'F = ( 304,0 ± 0,1 ) gr.

T'F = ( 19,5 ± 0,5 ) ºC

T'eb = ( 99,0 ± 0,5 ) ºC

T'M = ( 21,5 ± 0,5 ) ºC

Cp= 0,1063714 cal/g.ºC

3) Grande:

Cp(H2O)=1,00320 ± 8 ×10-5 cal/gr.ºC

mS = (90,2 ± 0,1 ) gr.

m'F = (320,9 ± 0,1) gr.

T'F = ( 20,0 ± 0,5 ) ºC.

T'eb = ( 99,0 ± 0,5 ) ºC.

T'M = ( 24,0 ± 0,5 ) ºC.

Cp= 0,223522235 cal /g.ºC

Cálculo de errores para la capacidad calorífica del calorímetro

Finalmente:

Calor

Cálculo de errores para el calor específico de los distintos sólidos

La siguiente tabla muestra los resultados para cada uno de los valores calculados a lo largo del experimento junto con su error correspondiente.

Capacidad calorífica del calorímetro

C = 56 ± 3 cal/ºC

er = 5%

Calor específico de los sólidos

pequeño dorado

Cp = 0,110 ± 0,012 cal/gr.ºC

er = 10%

pequeño

plateado

Cp = 0,106 ± 0,009 cal/gr.ºC

er = 8%

grande

Cp = 0,224 ± 0,008 cal/gr.ºC

er = 3%

Tabla 1

Conclusión

Tal y como consta en el desarrollo experimental, en el laboratorio contamos con cierta bibliografía que nos da acceso a valores ya tabulados de las magnitudes que calculamos en las experiencias. En este caso la tabla muestra como nuestros resultados coinciden muy razonablemente con los tabulados.

Valores experimentales

variación

Valores tabulados

pequeño dorado

Cp = 0,110 ± 0,012 cal/gr.ºC

16%

Cp = 0,0924 cal/gr.ºC

Cobre

pequeño plateado

Cp = 0,106 ± 0,009 cal/gr.ºC

1%

Cp = 0,1078 cal/gr.ºC

Aleación del acero

grande

Cp = 0,224 ± 0,008 cal/gr.ºC

4%

Cp = 0,2150 cal/gr.ºC

Aluminio

Hay que tener en cuenta que fue en función de las propiedades físicas visibles a primera vista, como pudimos determinar de que material se trataba en cada caso. Luego comprobamos que salvo para el caso del cobre, los valores eran ciertamente próximos.

Vemos como el valor tabulado para cada un de los metales es siempre menor o igual que los resultados obtenidos por nosotros en el laboratorio. Ello nos hace sospechar, quizá, de la presencia, en algún momento de la práctica, de un error sistemático.

Demostración de la regla de Dulong y Petit

Una vez comprobados nuestros resultados con los valores teóricos, ya sabemos de que elementos estamos hablando. Entonces podemos comprobar la regla de Dulong y Petit sin más que hallando las capacidades caloríficas atómicas en cada caso.

Satisfactoriamente, los resultados obtenidos ratifican la mencionada regla, a excepción, en todo caso del acero que debido a que su composición exacta nos es desconocida, también lo es su peso atómica ( en la práctica ha sido sustituida por la masa atómica del hierro) exacto.

pequeño dorado.- CV = Cp · Ma = 6,99 cal/ºC

pequeño plateado.- CV = Cp · Ma* = 5,92 cal/ºC

grande.- CV = Cp · Ma = 6,04 cal/ºC

Referencias

Los valores tabulados a los que se hace referencia a lo largo del guión del experimento han sido obtenidos del siguiente libro:

HAND BOOK of CHEMISTRY and PHYSICHS

Daniel R. Lide

Editor-in-chief CRC.

73rd edition 1992-1993

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