Estudio de la transferencia de energía en forma de calor

Objetivos

Estudio de la transferencia de energía en forma de calor.

Medición de calor específico.

Introducción

Cuando dos sistemas a diferentes temperaturas se ponen en contacto térmico, se establece un flujo de energía en forma de calor del sistema más caliente al más frío. Este flujo cesa cuando los dos sistemas llegan a equilibrio térmico, que se da cuando ambos están a igual temperatura. Si estos dos sistemas conforman un sistema aislado, todo el calor que pierde uno de ellos lo gana el otro, por lo que:

Q1 = Q2

El calor requerido para cambiar la temperatura de una masa m es:

Q = m c ΔT

Donde c es una cantidad, diferente para cada material, llamada calor específico.El calor específico del agua es 4,190 kJ / kg . K

En los siguientes experimentos haremos uso de un calorímetro. Un calorímetro es un recipiente con un buen aislamiento térmico, lo que permite mantener su interior inhibido de intercambiar calor con el medio donde se encuentra. Un material de baja conductividad térmica es capaz de soportar un gran gradiente de temperatura (en el caso de un calorímetro, en las paredes del recipiente) con un flujo de calor poco significativo, lo que hace que la temperatura interior se mantenga casi constante por tiempos prolongados.

Experimento 1: Conservación de la Energía

En esta primera experiencia, primero medimos la masa y temperatura del agua fría. Luego calentamos agua, la colocamos en un calorímetro y también medimos su masa y temperatura. Posteriormente agregamos el agua fría dentro del calorímetro.

Medimos constantemente la temperatura del sistema, en un principio tiene una pendiente abrupta y luego se espera hasta que llega a un equilibrio tras oscilar (este fenómeno se genera porque el agua tiene que homogeneizar o bien se da porque se puso en contacto el agua fría con el calorímetro), finalmente tomamos su temperatura final.

Esta experiencia la realizamos dos veces.

Imagen 1. Pava eléctrica con la que se calentó el agua

Imagen 2. Calorímetro con un agujero en la tapa para introducir el calorímetro

Imagen 3. Termómetro eléctrico utilizado para medir la temperatura del agua

Imagen 4. Balanza para medir las masas (con recipiente tarado previamente)

Imagen 5. Introduciendo la masa de agua fría dentro del calorímetro que contiene agua caliente.

Análisis

Experimento 1.A:

Masa del agua fría = 0,895 kg

Temperatura del agua fría = 12,5 °C

Masa del agua caliente = 0,245 kg

Tempera del agua caliente = 80,5 °C

Temperatura final del sistema = 25,9°C

Calculamos ΔQ del agua fría (ΔQf):

ΔQf= 0,895 kg * 4,19 kJ / kg . K * (25,9 - 12,5) K

ΔQf= 50,25 kJ

Calculamos ΔQ del agua fría (ΔQc):

ΔQc= 0,245 kg * 4,19 kJ / kg . K * (25,9 - 80,5) K

ΔQc= -56,05 kJ

ΔQf ΔQc

Experimento 1.B:

Masa del agua fría = 0,497 kg

Temperatura del agua fría = 13,8 °C

Masa del agua caliente = 0,362 kg

Tempera del agua caliente = 70,1 °C

Temperatura final del sistema = 36,4°C

Calculamos ΔQ del agua fría (ΔQf):

ΔQf= 0,497 kg * 4,19 kJ / kg . K * (36.4 - 13.8) K

ΔQf= 47.06 kJ

Calculamos ΔQ del agua fría (ΔQc):

ΔQc= 0,362 kg * 4,19 kJ / kg . K * (36.4 - 70.1) K

ΔQc= -51,12 kJ

...