Parctica #5 termo

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES

PLANTEL ARAGÓN

INGENIERÍA MECÁNICA

LABORATORIO DE TERMODINÁMICA

Practica #5

“Calor Específico y Cambios de Fase”

NOMBRE DEL ALUMNO:

Paniagua campos José Daniel

Cartujano Vergara Jair Armando

NOMBRE DEL PROFESOR: ING. ALEJANDRO RODRÍGUEZ
LORENZANA

GRUPO: JUEVES 17:30 – 19:00

Practica #5 “Calor Específico y cambios de fase”

Fecha de realización: Jueves 13 del mes de Octubre

Fecha de entrega: Jueves 20 del mes de Octubre

Objetivo:

Comprender y aplicar el concepto de calor especifico, equivalente mecánico de calor y entalpia de
evaporización.

Actividades:

1. Determinar el calor específico de un metal.
2. Calcular el equivalente mecánico del calor.
3. Calcular la entalpia de vaporización.

Material y/o equipo:

 1 Parrilla eléctrica de 750W.
 1 Cronometro.
 1 Calorímetro
 2 Termómetros.
 1 Vaso de precipitado de 250ml.
 1 Vaso de precipitado de 500ml.
 1 Balanza granataria.
 1 Multimetro.
 1 Pesa de 1Kg.
 1 Pesa de ½ Kg.
 1 Guante de asbesto.
 1 Agitador de vidrio.
 1 Cubo de metal.
 Agua potable.
 1 Cafetera (opcional)
 1 Pinzas de sujeción.
 1 Resistencia de inmersión.

Ing. Mecánica – Laboratorio de Termodinámica – FES Aragón -UNAM


Aspectos Teóricos.

Antecedentes.- Las observaciones de los fenómenos en que intervenían la temperatura, como el
calentamiento y el enfriamiento de los cuerpos, se cuantificaron mediante la definición de calor.

En el siglo XVll Joseph Black, estableció que había fenómenos en la misma naturaleza de los
considerados como “calor", pero que no y se manifestaban en una variación en la temperatura del
sistema.

Por lo que a partir de estas observaciones se definen dos tipos de calor: el sensible y el latente.

A principios de siglo XIX se especula con la idea de que el calor no era sino una manifestación de
los fenómenos mecánicos. En aquellos días, muchos científicos consideraban que el calor y los
fenómenos mecánicos eran manifestaciones totalmente diferentes e independientes.

Joule realizo el experimento que arrojo resultados cuantitativos y objetivos para demostrar que
siempre que se realiza una cierta cantidad de trabajo se produce una cierta cantidad equivalente
de calor, el cual se demuestra por cada joule de trabajo se producen 0.24 calorías y que cuando
una caloría de energía térmica se transforma en trabajo se obtienen 4.2 Joules. Por tanto:

1 cal = 4.2 J

1 Joule = 0.24 Cal.

Y apoyado por William Thompson, publica sus resultados, los que condujeron eventualmente al
enunciado del postulado general de la conservación de la energía, conocido actualmente como la
Primera Ley de la Termodinámica.

Calor Específico (Ce).- De una sustancia es igual a la capacidad calorífica de dicha sustancia entre
su masa:

Como ya se dijo, el C9 cle una sustancia se define como la cantidad de calor necesaria para elevar
en un grado la temperatura de una masa unitaria de la sustancia.

El Ce es como una inercia térmica, ya que representa la resistencia que una sustancia opone a los
cambios de temperatura, por lo tanto esta en función de le temperatura y la presión.

Equivalente Mecánico del Calor.- Es le conversión de la energía mecánica en térmica, debido al
calentamiento causado por le fricción de las moléculas.



Cambio de Fase.- Un cambio de fase es cuando la materia pasa de un estado a otro, la fase de Ia
materia depende de su temperatura y de la presión que se ejerce sobre ella. En los cambios de
fase se produce normalmente una transferencia de energía.

a) Evaporación.- Cambio de fase de liquido a gas que se lleva a cabo en la superficie del liquido;
este cambio de fase sucede en un proceso de calentamiento.

b) Condensación. - Es la transformación de un gas a líquido; este cambio de fase sucede en un
proceso de enfriamiento.

c) Ebullición.- Es el cambio de fase que ocurre en cualquier región del liquido y se forman burbujas
de gas.

Calor Latente de Vaporización.- Es la cantidad de calor que se requiere para cambiar 1 gr de
líquido en ebullición a 1 gr de vapor, manteniendo constante le temperatura.

Calor Sensible.- Es aquel que el ser suministrado a una sustancia, esta eleva su temperatura.

DESARROLLO

Actividad l: CALOR Específico DE UN Solido

1. Calibrar le balanza.

2. Medir le mesa del calorímetro, anotar su valor en la tabla 5.1A.

3. Verter en el calorímetro aproximadamente 1/3 de agua fría, determinar su masa y su
temperatura. Anotarlas en la tabla 5.1A.

4. Determinar la mesa del metal. Anotar su valor en la tabla 5.1A.

5. En un vaso de precipitado, verter aproximadamente 200 ml de agua.

6. introducir el metal en el vaso de precipitado.

7. Colocar el vaso en la parrilla. Conectar a la toma de corriente

8. introducir el termómetro en el vaso para medir la temperatura de ebullición. Anotar el valor en
la tabla 5.1A ( Esta es considerada como la temperatura inicial del metal "T1M").

9. Una vez que el agua este hirviendo, con las pinzas sacar el rozo del metal e introducirlo en el
calorímetro.

10. Medir la temperatura máxima que alcanza el agua en el calorímetro. (T2 H2O ) Anotar el valor
en la tabla 5.1A (Esta es considerada como la temperatura que se alcanza en el equilíbralo
termodinámico entre el metal y el agua)



El calor especifico se determina con un balance térmico:

Donde:

Um= la energía cedida por el metal (cal)

UH2O= La energía absorbida por el agua (cal)

UM =mM CeM(T2M – T1M)

UH2O = mH2O CeH2O (T2H2O – T1H2O)

Donde:

mM= mesa de! metal (gr)

mH2O= mesa del agua (gr) /

CeH2O= Calor especifico de agua (Cal/gr°C)

CeM= Calor especifico del metal (Cal/gr°C)

T2M= temperatura final del meterial (°C)

T1M= temperatura inicial de! metal (°C)

T2H2O= temperatura final del agua (°C)

T1H2O= temperatura inicial de! agua (°C)

Sustituyendo en la ecuación anterior:

mM CeM (TM2 – TM1) + mH2O CeH2O (T2H2O – T1H2O) = 0



NOTA: EL Ce ES POSITIVO, YA QUE TM,>T2H2O

Anotar el resultado en le tabla 5.1B

ACTIVBDAD ll: EQUIVALENTE MECANICO DE CALOR

Realizar los cálculos necesarios para obtener el equivalente mecánico de la cantidad de calor
utilizado en la practica. Anotar los resultados en la tabla 5.2B

ACTIVIDAD lll: ENTALPIA DE EVAPORACION

1. Medir le resistencia de le resistencia de inmersión y el volteje de línea. Anotar et vector en Ia
tabla 5.2A

2. Verter 2/3 de agua en et calorímetro.

3. Determinar la masa del agua, restándole Ia masa de Ia cafetera.

Anotar su valor en la Tabla 5.2A

4. Conectar la resistencia de inmersión a la toma de corriente.

5. Con el agitador de vidrio, mezclar continuamente para alcanzar una temperatura uniforme
dentro del calorímetro o Ia cafetera.

Para determinar el calor que se requiere para evaporar el agua, se usa el modelo.

Donde:

Qv= Calor de vaporización (joules)

Mv = masa de vaporización (gr)

Hv = Entalpia de vaporización (joule/gr)

La potencia eléctrica de la resistencia:

Potencia calorífica suministrada al agua



Donde:

P= Potencia de la resistencia (watts)

R= Resistencia de la parrilla (Ω)

V= Voltaje de línea (Volts)

t =Tiempo que tarda en evaporarse la masa de agua (seg)

Por lo tanto:

Y si:

Despejando:

Anotar el resultado en la tabla 5.3B



TABLAS DE LECTURAS:

TABLA 5.1A

CONCEPTO SÍMBOLO UNIDAD LECTURA
Masa del calorímetro m calorímetro gr 155.5
Masa del agua mh20 gr 188.1
Temperatura inicial del agua T1h2o °C 21
Masa del metal mM1 gr 242
Temperatura inicial del metal TM1 °C 92
Temperatura final del agua T2h2o °C 92
Temperatura final del metal TM2 °C 25

TABLA 5.2A

CONCEPTO SÍMBOLO UNIDAD LECTURA
Resistencia de inmersión R Ω 27.6
Voltaje de línea V V 125.2
Masa inicial del agua m1 gr 1703.5
Masa final del agua m2 gr 1654.5
Masa de vapor mV gr 49
Tiempo de vaporización t s 300



MEMORIA DE CÁLCULO:
Para obtener el calor específico correspondiente al metal se ocupa la fórmula
siguiente:

mMCeM(TM2-TM1) + mh2oCeh2o(T2h2o-T1h2o)= 0

de donde:

CeM =

Por lo tanto:

CeM=

CeM= 0.82368 cal/g°C

Una vez obtenido esto podemos realizar las debidas conversiones:

1Kcal= 1000 cal

1g= 0.001 Kg

1°C= 274 Kelvin

Por lo cual:

CeM=0.82368 cal/g°C

CeM= 3.0061 x 10-3 Kcal/Kg °K

Luego si:

1 KJoule= 2400 Kcal

Entonces:



CeM= 3.0061 x 10-3 Kcal/Kg °K

CeM= 7.15x 10-7 KJoule/Kg °K

Por último:

1 Btu= 1.0550 KJoule

1°K= - 458.2 °F

0.4536 Kg= 1 lb

Por lo tanto:

CeM= 7.15x 10-7 KJoule/Kg °K

CeM= -6.7 x 10-10 Btu/lb °F

TABLA 5.1B

CONCEPTO SÍMBOLO UNIDADES
Calor especifico del KJoule/ Kg °K Cal/g °C Btu/ lb °F
metal CeM -7 -10
7.15x 10 0.82368 -6.7 x 10

Para calcular la Entalpia de evaporación se necesita efectuar lo siguiente:

mvh2o = m1h2o-m2h2o

mvh2o = 1703.5g – 1654.5g = 49g

se necesita conocer la potencia eléctrica:

P= = =568 watts

El calor de evaporación se obtiene de la formula:



Q V= = (568 watts)(300s)= 1.7 x 105 Joule

De la ecuación QV = mvhv, se tiene:

hv = = 3469.4 Joule/gr

TABLA 5.3B

CONCEPTO SÍMBOLO UNIDADES
Calor de Joule cal Btu
vaporización 5 711297.07 674.60
1.7 X 10
UNIDADES
Entalpía de Joule/gr cal/gr Btu/lb
vaporización 3649.4 828.81 1494.95

1Kcal= 4186.8 Joule

1 Btu= 0.252 Kcal

Entonces:

3469.4 Joule/gr =828.81 cal/gr

Y

0.8288cal/gr = 1494.95 Btu/lb



CUESTIONARIO

Explicar los estados de la materia y sus cambios, investigar qué tipo de
calor manejan.

Solido:
Manteniendo constante la presión, a baja temperatura, los cuerpos se
presentan en forma sólida y los átomos se encuentran entrelazados
formando generalmente estructuras cristalinas, lo que confiere al cuerpo la
capacidad de soportar fuerzas sin deformación aparente. Son, por tanto,
agregados generalmente como duros y resistentes. En el sólido hay que
destacar que las Fuerzas de Atracción son mayores que las Fuerzas de
Repulsión y que la presencia de pequeños espacios intermoleculares
caracteriza a los sólidos dando paso a la intervención de las fuerzas de
enlace que ubican a las celdillas en una forma geométrica.

Liquido: Si se incrementa la temperatura el sólido va "descomponiéndose"
hasta desaparecer la estructura cristalina, alcanzando el estado líquido.
Característica principal: la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del
recipiente que lo contiene. En este caso, aún existe cierta ligazón entre los
átomos del cuerpo, aunque mucho menos intensa que en los sólidos.

* Gaseoso: Incrementando aún más la temperatura se alcanza el estado
gaseoso. Los átomos o moléculas del gas se encuentran virtualmente libres
de modo que son capaces de ocupar todo el espacio del recipiente que lo
contiene, aunque con mayor propiedad debería decirse que se distribuye
por todo el espacio disponible.

- Cambios: Solidificación (de liquido a solido), sublimación (de solido a
gaseoso), evaporación (de liquido a gaseoso), condensación (de gaseoso a
liquido) y fusión (de solido a liquido).
Las sustancias sólidas son a temperaturas bajas, líquidas a temperaturas
medias y gaseosas a temperaturas altas.
Demostrar mediante la Primera Ley de la termodinámica la relación
existente entre los Calores Específicos y la constante particular de los
gases.

El calor específico medio ( ) correspondiente a un cierto intervalo de
temperaturas se define en la forma:



Mientras la constante particular de los gases es igual a:
Donde, siendo su relación la Temperatura, podríamos tener:
ĉ= Q/(m∆(PV/nR))
¿Por qué causa más daño una quemadura con vapor de agua que una
quemadura con agua hirviendo?

Lo que ocurre es que el traspaso energético para equilibrar la temperatura
de agua caliente requiere de muchas menos calorías que el traspaso
energético necesario para condensar vapor de agua, es decir, como nos
dice la primera ley de la termodinámica todo sistema tiende al equilibrio
termodinámico, en el caso del agua caliente necesita de máximo 100 Kcal
para alcanzar el equilibrio térmico (si se pasa de 100 ºC a 0ºC un litro de
agua), en cambio el vapor de agua necesita de 540 Kcal/Kg para llegar al
equilibrio térmico (calor latente de vaporización), por eso duele tanto una
quemadura de vapor.

¿Qué significa afirmar que un material tiene más capacidad calorífica
grande o pequeña?
La capacidad calorífica o el calor especifico de una sustancia es la cantidad
de calor (energía) que hay que comunicarle a la unidad de masa (un
kilogramo por ej ), para que su temperatura aumente en un grado
centígrado el agua es una sustancia de calor especifico grande ,hay que
darle mucho calor para que su temperatura aumente 1Cº en comparación
a la arena por ejemplo (5 veces más ), o sea que si es grande necesitará
mucho calor para elevar un grado su temperatura, si es pequeño lo
contrario
¿Por qué los lagos y estanques se congelan de arriba hacia abajo y no de
abajo hacia arriba?

Se congelan de arriba hacia abajo, porque el calor especifico del agua es
muy grande. Quiere decir que para calentar 1 l de agua hay que entregarle
mucho más calor que a cualquier otra, por ejemplo, los metales tienen
calor específico muy bajo, con lo cual se calientan rápido. El agua no, para
poder calentarla tiene que entregarle mucho calor, y de la misma forma
para enfriarla, cuesta muchísimo tiempo... Una gran masa de agua
necesitaría una gran cantidad de calor para hacerla hervir o calentarla... o
enfriarla completamente... por eso, las zonas donde se congelan los lagos y
lagunas, es en la superficie, porque es la zona en donde se pierde más
calor rápidamente, porque es la que está en contacto con el aire frío
atmosférico en forma directa.

Investigar tres formas de transmisión de calor.
CONDUCCIÓN. En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es
la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma
que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más
frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto
de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte,
al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando



existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los
buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores
del calor.
CONVECCIÓN. Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un
líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido.
Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un
proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o
forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad
de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo
gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que
el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido
exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se
denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo
el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento
de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.
RADIACIÓN. La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a
la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no
tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un
vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase
de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos
fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas,
pero la única explicación general satisfactoria de la radiación
electromagnética es la teoría cuántica. En 1905, Albert Einstein sugirió
que la radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el
efecto fotoeléctrico, la radiación se comporta como minúsculos proyectiles
llamados fotones y no como ondas.

¿Qué tipo de errores se cometieron al efectuar la práctica, y como podrías
evitarlos?
El tipo de errores fue mínimo pues se siguieron las instrucciones que se
daban para la práctica tanto del cuadernillo como del profesor, se utilizo el
material adecuado para realizar la práctica, se realizaron lo mejor posible,
aunque no se conto con el lugar adecuado por causas externas al
laboratorio la practica fue realizada con éxito.


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