Calor Especifico

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ACATLÁN

DIVISIÓN DE MATEMÁTICAS E INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

LABORATORIO DE FÍSICA GENERAL

DETERMINACIÓN DEL CALOR ESPECÍFICO DE DIVERSAS

SUSTANCIAS

1 Objetivos

1.1 Objetivo general

Mediante un balance de energía determinar el calor específico de diferentes muestras de líquidos y sólidos, empleando un calorímetro de doble pared (llamado también calorímetro simple de agua).

1.2 Objetivos específicos

1.2.1 Deducir a partir del concepto de capacidad calorífica la ecuación de calor absorbido o cedido por una sustancia líquida o sólida.

1.2.2 Describir las características de un calorímetro de doble pared.

1.3.3 Mediante un balance de energía aplicar la ecuación de calor para hallar el calor específico de diversas sustancias líquidas y sólidas.

2 Marco teórico

2.1 Termometría

En la antigüedad se tenía la creencia de que el calor era una sustancia y así lo señalaron los sabios de la Grecia antigua con los cuatro elementos aristotélicos: aire, agua, tierra y fuego, con los cuales consideraban constituidos todos los cuerpos; la dilatación de dichos cuerpos la explicaban por la adición de esta sustancia a la que llamaron “calórico”. Cuando se analiza el concepto de equilibrio térmico, se observa que si dos cuerpos con diferente temperatura se ponen en contacto, alcanzan luego de cierto tiempo, una misma temperatura. A principios del siglo XIX, los científicos explicaban este hecho suponiendo que todos los cuerpos contenían en su interior, una sustancia fluida, invisible y de masa nula, llamada calórico. Cuanto mayor fuese la temperatura de un cuerpo, tanto mayor sería la cantidad de calor en su interior. De acuerdo con este modelo, cuando dos cuerpos con distintas temperaturas se ponen en contacto, se produce una transmisión de calórico del cuerpo más caliente al más frío, ocasionando una disminución en la temperatura del primero y un incremento en la del segundo. Una vez que ambos cuerpos hubiesen alcanzado la misma temperatura, el flujo de calórico se interrumpiría y permanecería, a partir de ese momento, en equilibrio térmico.

La interpretación de calor bajo la hipótesis de la teoría del calórico, fue introducida por el alemán Wolf en 1721, y dio lugar a que en dicha época se le ponderara por el hecho de que los metales al ser calentados para convertirlos en cenizas, éstos resultaban aumentados de peso, ligando el hecho físico con la teoría del flogisto (principio que suponían los antiguos desprenderse de los cuerpos en la combustión) introducida en la Química en aquellos tiempos. La teoría del calórico se mantuvo durante algunos años, porque suministraba la explicación en forma sencilla de los fenómenos térmicos más comunes; pero no pudo explicar el fenómeno de la obtención del calor por medio del frotamiento, es decir, por el trabajo mecánico. Hacia fines del siglo XVIII, el conde de Rumford (Benjamín Thompson), basado en hechos experimentales, indicó que no encontraba una explicación en la teoría del calórico; pues notó en el arsenal militar de Munich, que en el barrenado de los tubos de los cañones, se calentaban éstos y las virutas, intensamente. Cuando el barrenado se efectuaba dentro del agua, ésta no se enfriaba sino al contrario, llegaba pronto a la ebullición, por lo que quedó descartado el suministro del calor por el medio que lo rodea. Rumford, de sus observaciones, consideró que el calor tenía su origen en el movimiento. A favor de esta apreciación concurre el experimento del químico H. Davy, quien por medio de un mecanismo de relojería, hizo frotar dos trozos de hielo en el vacío y a una temperatura de ambos se fundieron, suministrando agua a la temperatura de ; hecho inexplicable con la teoría del calórico. De los experimentos anteriores se concluyó que el calor es solamente movimiento; de la controversia entre estas dos teorías surgió la que en la actualidad se acepta y que supone que el calor tiene su origen en la energía cinética interna de las moléculas; el aumento de esta energía se manifiesta con la elevación de la temperatura del cuerpo.

2.2 Conceptos básicos de termodinámica

El estudio del calor, su transmisión y transformación en energía mecánica se denomina termodinámica, un término que procede de las raíces griegas que significan: “movimiento de calor”. La ciencia de la termodinámica se desarrolló a principios del siglo XVIII, antes de que se entendieran las teorías atómica y molecular de la materia. La termodinámica es una poderosa rama de la Física que prescinde del todo de los detalles moleculares de un sistema. Está basada en la conservación de la energía y en el hecho de que el calor fluye de lo caliente a lo frío y no en forma inversa. La termodinámica proporciona la teoría básica de las máquinas térmicas, desde las turbinas de vapor hasta los reactores de fusión y la teoría básica de los refrigeradores y bombas de calor.

La divulgación de estas ideas dio lugar a muchas discusiones entre los científicos del siglo XIX, algunos efectuaron experimentos que confirmaron las suposiciones de Rumford. Entre estos científicos debe destacarse a James P. Joule (1818-1889), cuyos famosos experimentos acabaron por establecer, definitivamente, que el calor es una forma de energía.

Actualmente se considera que cuando aumenta la temperatura de un cuerpo, la energía que posee en su interior, denominada energía interna, también aumenta. Si este cuerpo se pone en contacto con otro de más baja temperatura, habrá una transmisión o transferencia de energía del primero al segundo, energía que se denomina calor. Por lo tanto el concepto moderno del calor es el siguiente:

Calor es la energía que se transmite de un cuerpo a otro, en virtud únicamente de una diferencia de temperaturas entre ellos.

Debemos observar que el término calor sólo debe emplearse para designar a la energía en transición, es decir, la que se transfiere de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura. La transferencia de calor hacia un cuerpo origina un aumento en la energía de agitación de sus moléculas y átomos, o sea, que ocasiona un aumento en la energía interna del cuerpo, lo cual, generalmente, produce una elevación de su temperatura. Por lo tanto, no se puede decir que “un cuerpo tiene calor” o que “la temperatura es una medida del calor en un cuerpo”. En realidad, lo que un sistema material posee es energía interna, y cuanto mayor sea su temperatura, tanto mayor será también dicha energía interna. Naturalmente, si un cuerpo se encuentra a mayor temperatura que otro, puede transmitir parte de su energía interna a este último. Esta energía transferida es el calor que pasa de un cuerpo a otro.

Es importante observar, incluso, que la energía interna de un cuerpo puede aumentar sin que el cuerpo reciba calor, siempre que reciba alguna otra forma de energía. Cuando, por ejemplo, agitamos una botella con agua, su temperatura se eleva, a pesar de que el agua no haya recibido calor. El aumento de energía interna en este caso, se produjo debido a la energía mecánica transferida al agua cuando se efectúa el trabajo de agitar la botella.

2.3 Temperatura

Es difícil dar una definición formal de temperatura, ya que frecuentemente se confunde con el concepto de calor, que es energía; sin embargo podemos decir lo siguiente:

La intensidad de calor de una sustancia o de un cuerpo, o su tendencia para trasmitir calor, es medida por su temperatura. La temperatura no indica la cantidad de calor, sino que es una medida del calor sensible de un cuerpo o de su grado de enfriamiento.

Un cuerpo se encuentra frío o caliente, según la impresión relativa que nos produce al tocarlo; de dos cuerpos que tocamos el más caliente tiene mayor temperatura; pero estas condiciones de calor o de frío son muy relativas, pues dependen de anteriores sensaciones, por ejemplo: si metemos una mano en agua caliente y la otra en agua fría y las dejamos durante algunos minutos, al cabo de los cuales introducimos ambas manos en agua tibia; una mano percibirá el agua fría y la otra caliente, registrando el mismo individuo las dos sensaciones producidas por la misma temperatura del agua tibia. Esto nos explica las divergencias que se presentan cuando se quiere fijar la temperatura de un cuerpo recurriendo únicamente a las sensaciones percibidas; de ahí la necesidad de utilizar aparatos que indique las temperaturas de los cuerpos, esos aparatos reciben el nombre de termómetros.

2.4 Termómetros

Para determinar la temperatura de los cuerpos se emplean los termómetros, entre los más usados podemos mencionar los de mercurio, de alcohol, de gas y por medio de diferencia de potencial eléctrico los termopares. Los de mercurio son dispositivos que constan de un tubo de vidrio capilar, que en su parte inferior se le ha ensanchado con el fin de formar un depósito en donde se coloca dicho mercurio. Este elemento como otras sustancias, experimenta aumentos de volumen o disminuciones cuando su temperatura varía; si se calienta el mercurio su volumen aumenta, si se enfría su volumen se contrae. En esta propiedad de la variación del volumen con la temperatura se basan todos los termómetros,

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