Equivalente térmico del calorímetro – Temperatura de equilibrio

1. INFORMACIÓN GENERAL

ASIGNATURA

Termodinámica

NIVEL

Quinto A

Unidad de organización Curricular

Formación Básica

CICLO ACADEMICO

Febrero – Marzo 2020

DOCENTE

Santiago Casado

1. INFORMACIÓN SOBRE LAS ACTIVIDADES PRÁCTICAS

Tema:

Equivalente térmico del calorímetro – Temperatura de equilibrio

Objetivos:

Encontrar el equivalente térmico de un calorímetro mediante un experimento con mezcla de agua a diferentes temperaturas y con diferentes volúmenes.

Modalidad: 

Presencial

Tiempo de Duración:

Dos horas por grupo de trabajo (cuatro horas en total)

Instrucciones:

Parte 1

El calorímetro es un recipiente construido de tal forma que impide la conducción de calor a través suyo (es adiabático). Cuando añadimos un material a una temperatura distinta de la que se encuentra el calorímetro, éste absorbe parte de su energía, hasta que se llega a un equilibrio. Cuánta energía absorbe depende de su masa y de una característica propia del material: su calor específico (su capacidad calorífica por unidad de masa). Lo que vamos a hacer en esta práctica es calcular el calor especìfico del sistema termodinámico formado por los compuestos o elementos que conforman el calorímetro, el termómetro y el agitador.

Para ello vamos a seguir todos estos pasos:

- Llenar un Erlenmeyer con 100 ml de agua potable a temperatura ambiente.

- Medir la temperatura y apuntarlo. Será nuestra .[pic 1]

- Pesarlo y apuntar el valor. Será nuestra .[pic 2]

- Verter toda el agua en el calorímetro.

- Llenar de nuevo el Erlenmeyer con 100 ml de agua potable a temperatura ambiente.

- Pesarlo y apuntar el valor. Serán nuestra .[pic 3]

- Calentarlo hasta la temperatura de 80 °C.

- Volverlo a pesarlo y apuntar el valor. Será nuestra . ¿Es distinto al valor de ? [pic 4][pic 5]

- Verter el agua a 80 °C en el calorímetro con agua a temperatura ambiente, agitarlo con el agitador y tomar la temperatura de la mezcla de agua cada 30 segundos. Apuntar los valores en una tabla. Cuando haya al menos 10 mediciones similares, hallar la media de esos valores similares (, con  el número de mediciones que se han realizado a temperatura similar). Esa va a ser nuestra temperatura de equilibrio .[pic 6][pic 7][pic 8]

- Repetir una vez más el proceso entero con un volumen de 50mL, y escribir los resultados en otra tabla.

Ahora, pensemos qué ha ocurrido: si dentro del calorímetro tenemos una masa de agua  a la temperatura , y la mezclamos con otra masa de agua  a la temperatura , una vez alcanzado el equilibrio térmico el conjunto se encontrará a la temperatura de equilibrio , tal que . Visto de otro modo, lo que ha ocurrido es que el agua añadida al calorímetro ha perdido parte de su energía, que ha sido transferida al calorímetro y al agua que éste contenía. Si esta energía es , entonces tiene que darse la igualdad: , donde  es la capacidad calorífica del sistema termodinámico formado por los compuestos o elementos que conforman el calorímetro, el agitador y el termómetro.[pic 9][pic 10][pic 11][pic 12][pic 13][pic 14][pic 15][pic 16][pic 17]

- Con los datos obtenidos, calcular para los dos volúmenes (100 ml y 50 ml) la capacidad calorífica media del sistema termodinámico formado por los compuestos o elementos que conforman el calorímetro, el agitador y el termómetro.

Parte 2

Otra forma de pensar en esa capacidad calorífica es averiguar cuánta masa de agua sería necesaria para absorber la misma cantidad de calor aumentando la misma temperatura. Se denomina equivalente térmico. Teniendo en cuenta que la capacidad calorífica es igual al calor específico multiplicado por la masa, y que el calor específico del agua es , lo que estamos buscando es  tal que .[pic 18][pic 19][pic 20]

- Calcular el equivalente térmico del sistema termodinámico formado por el calorímetro, el agitador y el termómetro, en cada uno de los volúmenes (100 ml y 50 ml).

Parte 3

Ahora vamos a calcular el volumen que ocuparían esos equivalentes térmicos del sistema termodinámico. Para ello tenemos que calcular primero la densidad del agua:

- Calcular, para los dos volúmenes utilizados, la densidad del agua  en los casos del agua a temperatura ambiente y del agua a unos 80 °C.[pic 21]

- Suponiendo que la dependencia de la densidad con la temperatura es lineal (aunque realmente no lo es), obtener el volumen del equivalente térmico a la temperatura de equilibrio .[pic 22]

Parte 4

¿Cuál es el error que se cometería si no se tiene en cuenta la capacidad calorífica del calorímetro? Si suponemos que el calor del agua a mayor temperatura se transfiere únicamente al agua a temperatura ambiente, la ecuación de transferencia de energía sería , de donde puede obtenerse  con los datos que hemos medido, que sería la temperatura de equilibrio si no existiera el calorímetro.[pic 23][pic 24]

- Calcular el error cometido en % a partir de la expresión  .[pic 25]

Parte 5

Responda a las siguientes preguntas:

• ¿Tiene sentido hablar de la capacidad calorífica de una sustancia?
• ¿Por qué puede expresarse la capacidad calorífica de un calorímetro en “gramos de agua”?
• Describa como utilizaría un calorímetro de agua para determinar el calor específico de una sustancia sólida.

Listado de equipo, materiales y recursos por grupo:

• Materiales

• Agua potable.
• 1 Erlenmeyer.
• 1 calorímetro.
• 1 termómetro.
• 1 balanza.
• 1 mechero Bunsen o equivalente.

Actividades por desarrollar:

• En dos tablas, presentar de forma ordenada las mediciones efectuadas a los volúmenes de 100 ml y de 50 ml, del siguiente modo:

… (añadir las filas y las columnas que se consideren necesarias)

• Realizar los cálculos solicitados y mostrarlos de forma limpia y ordenada, indicando claramente todos los pasos efectuados.
• Responder a las preguntas realizadas, y escribir todos los comentarios que se consideren interesantes.

Resultado de Aprendizaje:

• Comprender el concepto de transferencia de calor al mezclar dos líquidos.
• Entender los conceptos de capacidad calorífica, calor específico y equivalente térmico.
• Aprender la diferencia entre capacidad calorífica y calor específico al variar la masa.
• Ser consciente de la necesidad de tener en cuenta el entorno en todo cálculo termodinámico (si no se hubiera tenido en cuenta el calorímetro, se cometería un error en el cálculo).
• Comprobar la dependencia de la densidad con la temperatura.

Conclusiones:

Se dota al alumno de los mecanismos necesarios para poder desarrollar de forma práctica experimentos termodinámicos, y a la vez se clarifican conceptos imprescindibles en la asignatura de termodinámica.

Recomendaciones:

Tener mucho cuidado de no quemarse al coger el Erlenmeyer a 80 °C. Usar un trapo o un papel.

Ser muy meticuloso en las observaciones, y limpio y claro en las anotaciones.

Bibliografía:

• Levine, Ira N        2014        Principios de Fisicoquímica

Notas: