Reporte de la práctica 5 de principios de termodinámica y electromagnetismo

1. Objetivos
a) Identificar y clasificar un sistema termodinámico.
b) Determinar en forma experimental la capacidad térmica específica de un
material mediante la aplicación de las leyes cero y primera de la termodinámica
para sistemas cerrados.
c) Distinguir la diferencia entre calor sensible y calor latente.
d) Determinar el calor latente de fusión del agua y compararlo con el valor teórico.
e) Obtener experimentalmente la temperatura de ebullición de una sustancia y
comprobar que, a presión constante, la temperatura de la sustancia permanece
constante durante el cambio de fase.
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2. Equipo y material necesarios
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1 calorímetro de unicel con tapa
1 balanza de 0 a 610 [g]
1 vaso de precipitados de 600 [ml]
1 vaso de precipitados de 50 [ml]
1 parrilla eléctrica
1 muestra de un material sólido (monedas)
1 jeringa de 10 [ml]
agua líquida
1 termómetro de inmersión
1 cubo de hielo de aprox. 50 [g] (proporcionado por los alumnos)
1 par de toallas de papel absorbentes (proporcionado por los alumnos)
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3. Desarrollo de Actividades
Actividad 1
Se midió la masa de las monedas y se determinó su temperatura inicial. Se
sumergieron las monedas en un vaso de precipitados con agua y un minuto después
(esperando que entraran en equilibrio térmico) se midió la temperatura, registrada
como temperatura inicial (ver tabla 1 en apéndice). Posteriormente, se secó la muestra
y se depositó en el calorímetro.
Actividad 2
Se midió una masa de 80 [g] de agua líquida y con la ayuda de la parrilla se elevó su
temperatura hasta alcanzar 40 [°C], ésto se tomó como la temperatura inicial del agua.
Inmediatamente al alcanzar esta temperatura se retiró de la parrilla y se vertió esta
agua al calorímetro y tapó. Medimos la temperatura de equilibrio (Teq) de la mezcla
aproximadamente un minuto después de haberla hecho (Ver tabla 2 del apéndice):
Actividad 3
Con base en la actividad anterior y basados en la primera ley de la termodinámica, se
determinó la capacidad térmica específica del material empleado (monedas). Se
considerando que c agua líquida = 4 186 [J/(kg⋅ Δ°C)]. (Ver tabla 3 y desarrollo 1 en
apéndice)
Actividad 4
Se midió la masa del hielo que se proporcionó en el laboratorio(ver tabla 4 en
apéndice).
Actividad 5
Se tomó la muestra de hielo y se mezcló con una masa de agua líquida tomada
directamente de la llave, igual a la masa del hielo dentro del calorímetro. Una vez
tapado se esperó a que ocurriera el equilibrio térmico y nuevamente se midió la
temperatura de la mezcla la cual se considerará como temperatura inicial de la mezcla
(ver tabla 5 en apéndice).
Actividad 6
Se calculó el error sistemático que presentó el termómetro en la actividad anterior (ver
tabla 6 en apéndice) .
3

4. Actividad 7
Con ayuda de la parrilla, se elevó la temperatura de una masa de agua líquida, que era
cinco veces la del hielo hasta alcanzar 30 [°C]. Posteriormente se agregó esta agua al
calorímetro, se tapó y midió la temperatura de equilibrio alcanzada (ver tabla 7 en
apéndice).
Con base en la primera ley de la termodinámica para sistemas cerrados y el error
sistemático determinado en la actividad 6, se determinó el calor latente de fusión del
agua, considerando que c agua líquida = 4 186 [J/(kg⋅ Δ°C)] (ver desarrollo 2 y tabla 7
en apéndice).
Actividad 8
Finalmente se vertió la mezcla en un vaso de precipitados y se elevó su temperatura
con la parrilla hasta que se alcanzó la temperatura de ebullición. Se registró la
temperatura de ebullición del agua, en el D. F. (ver tabla 8 en apéndice).
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5. Cuestionario
1. Considerando que el sistema termodinámico es el contenido del calorímetro,
identifique el tipo de sistema en los dos experimentos. Justifique su respuesta.
El tipo de sistema en los dos experimentos es aislado, pues la masa permanece
constante además las paredes del calorímetro son adiabáticas, por lo que la energía de
las mezclas permanece constante.
2. Investigue el valor teórico de los calores latentes (entalpías de transformación) de
fusión y de ebullición del agua.
● Entalpía de fusión= 333 000 [J/kg]
● Entalpía de ebullición= 2 257 000 [J/kg]
3. Con base en la pregunta anterior, determine el porcentaje de error de exactitud para
el resultado de la actividad 7.
para
=
4. Dibuje la curva de calentamiento para el agua, a una presión como la del D.F,
indicando las temperatura de fusión y de ebullición.
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6. 5. Escriba la expresión dimensional, en el SI, de las cualidades físicas referidas en el
punto 2 de este cuestionario.
6

7. Conclusiones
En esta práctica, se logró comprender la capacidad térmica específica de ciertos
materiales, sometidos a cambios de temperatura en un sistema cerrado, y se determinó
esta propiedad de acuerdo a las leyes cero y primera de la termodinámica, como se
muestra en los resultados en (ver tabla 3).
De manera experimental se logró determinar el valor del calor latente del agua,
obteniendo así, qué tanta energía (calor) es necesaria para lograr que dicha sustancia
presente un cambio de fase (en este caso para lograr llegar al punto de fusión del
agua) (ver tabla 7) para así, poder comprender la diferencia fundamental entre calor
latente (hay cambio de fase) y sensible (no hay cambio de fase) y comprarlas con el
valor teórico de ambas propiedades en la misma sustancia.
Se obtuvo la temperatura de ebullición del agua a presión constante.
7

8. Comentarios
Para esta práctica logramos determinar, mediante las leyes cero y primera de la
termodinámica la capacidad térmica específica experimental de un material, en este
caso monedas de ¢10, y agua a temperatura diferente en un sistema cerrado.
También para el segundo experimento, observamos la diferencia entre el calor sensible
y el calor latente y logramos comprobar que el calor sensible es la cantidad de calor
recibido o cedido por un cuerpo pero sin que ocurra un cambio de fase y se expresa
como: Q=m*c*ΔT.
Así como también logramos comprobar de forma experimental que el calor latente es la
energía necesaria para que el mismo cuerpo, en este caso un hielo cambie de fase, y
se puede expresar como: Q= mL.
Finalmente se logró obtener de manera experimental la temperatura de ebullición del
agua a presión constante a una altura de 2240 [m] sobre el nivel del mar (ver tabla 8).
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9. Apéndice
Tabla 1
Muestra
Masa [kg]
Temperatura Inicial [°C]
Moneda de 10 centavos
0.4771
22
Tabla con las mediciones de la actividad 1
Tabla 2
Sustancia
Masa [kg]
Temperatura de equilibrio [°C]
Agua
0.8
32
Medición de actividad 2
Tabla 3
Material
Capacidad
[J/(kg·Δ°C)]
Monedas de 10 centavos
térmica
específica
561.5258
Resultado obtenido de la actividad 3
Tabla 4
Sustancia
Masa [kg]
Hielo
0.01
Medición de actividad 4
9

10. Tabla 5
Sustancia
Masa [kg]
Temperatura inicial [°C]
Hielo con agua
0.02
2
Mediciones obtenidas en la actividad 5
Tabla 6
Error sistemático en [°C]
2
Error sistemático del termómetro de mercurio de acuerdo a la actividad 6
Tabla 7
Sustancia
Temperatura
equilibrio [°C]
Agua con hielo
20
de Calor latente de fusión
del agua [J/kg]
359 956
Resultados obtenidos en el ejercicio 7
Tabla 8
Lugar
Temperatura de ebullición [°C]
Distrito Federal
93
Medición obtenida en la actividad 8
10

11. Desarrollo 1:
Desarrollo 2:
11

12. Referencias
Notas de clase de Principios de Termodinámica y Electromagnetismo. Profesor Rigel
Gámez Leal.
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