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Objetivos

a) Obtener el modelo gráfico del calor suministrado (Q) en función de la temperatura (T)

de una sustancia.

b) Obtener el modelo matemático de la gráfica del inciso anterior.

c) Determinar la capacidad térmica (C) y la capacidad térmica específica a presión

constante (cp) de la sustancia empleada.

d) Calcular el error de exactitud en la obtención de la capacidad térmica específica del

agua, en su fase líquida.

Equipo y materiales necesarios

● 1 calorímetro con tapa, agitador y resistencia de inmersión

● 1 vaso de precipitados de 600 [ml]

● 150 [g] de agua líquida

● 1 balanza de 0 a 610 [g]

● 1 fuente de poder con amperímetro y voltímetro

● 2 cables de conexión largos

● 1 termómetro de inmersión de – 20 a 150 [°C]

● 1 cronómetro digital

● 1 jeringa de 10 [ml]

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Desarrollo de actividades

Actividad 1

Para la primera actividad se tomaron 150 [g] de agua en estado líquido en una balanza

granataria con ayuda de un vaso de precipitados, la cual era masa suficiente para

cubrir la resistencia de inmersión dentro del calorímetro. Para este punto se tomó una

temperatura inicial del agua dentro del calorímetro, que fue de 12 [°C].

Ver resultados en el apéndice.

Actividad 2

Para la segunda parte del experimento se ensambló el calorímetro y se conectó a la

fuente de poder y agitando constantemente el líquido se elevó la temperatura [2 °C]

para cada medición para entonces poder documentar los datos obtenidos respecto del

tiempo que duró el experimento (ver tabla 2 en apéndice).

Actividad 3

Se dibujó el modelo gráfico del calor obtenido (Q) en [J] con respecto a la temperatura

(t) en [° C] de acuerdo a los datos obtenidos en la actividad anterior y con el método de

mínimos cuadrados se pudo así determinar un modelo matemático de dicha función,

(ver Gráfica 1 en apéndice).

Actividad 4

De acuerdo al modelo matemático obtenido en el ejercicio anterior se determinó la

capacidad térmica y la capacidad térmica específica de la sustancia.(ver Tabla 3 en

apéndice).

Actividad 5

Para este paso se calculó el porcentaje de exactitud en el valor de la capacidad térmica

específica del agua en estado líquido considerando que el valor patrón es cp=4 186

[J/(kg⋅ Δ°C)].(ver Cálculo del error porcentual en apéndice).

3

Cuestionario

1.Con base en la actividad 1, ¿cómo podría explicarse la ley cero de la termodinámica?

Cuando dos objetos se ponen en contacto, llegan a un equilibrio térmico (aumentan o

disminuyen su temperatura hasta que ambos tienen la misma temperatura), al

mezclarse, el agua y el recipiente, estos igualan su temperatura; cuando el termómetro

entra en contacto con el agua, también entra en un equilibrio térmico con el sistema,

esto se aprovecha, ya que el termómetro tiene una graduación que nos permite medir

la temperatura en función de la dilatación y contracción del mercurio que tiene, a causa

de la temperatura.

2. Exprese el resultado de la actividad 1 en la escala de temperatura absoluta del SI.

T= 21+273.15= 294.15 [K]

3. Haga la gráfica de calor suministrado (Q) en función de la temperatura de la

sustancia (T) de manera que ambas variables estén en el SI.

Ver gráfica 2

4. Compare la gráfica del punto anterior con la que obtuvo en la actividad 3, ¿qué

puede concluir?

Las pendientes de la regresión lineal son casi las mismas, esto quiere decir que el

intervalo de diferencia de calor en cada intervalo de temperatura es igual, es decir:

5. Clasifique las propiedades de la actividad 4 en intensivas o extensivas. Justifique su

respuesta.

4

La capacidad térmica se clasifica como una propiedad extensiva dado que su valor

depende de la masa de la sustancia con la que se esté trabajando ya que a mayor

masa se necesita aplicar mayor cantidad de energía en forma de calor, es decir, la

capacidad térmica se define como la cantidad de energía necesaria para elevar su

temperatura en un grado Celsius.

Por otro lado la capacidad térmica específica es una propiedad intensiva ya que no

depende de la cantidad de masa de la sustancia, esto se deduce a partir del hecho de

que la capacidad térmica específica es resultado de dividir la capacidad térmica entre la

masa, lo cual hace que este valor se vuelva independiente de la masa.Lacapacidad

térmica específica se define como la cantidad de energía necesaría para elevar en un

grado la temperatura de una masa unitaria.

6. ¿Es la temperatura una propiedad intensiva o extensiva? Explique.

Es una propiedad intensiva ya que la temperatura de un cuerpo no varía

independientemente de la cantidad de sustancia que tengamos.

7. ¿Es el calor una propiedad de las sustancias? ¿Por qué?

No, porque el calor es clasificado como energía en tránsito, por lo tanto no pertenece a

ningún sistema y ya que no pertenece a algún sistema no puede ser una propiedad.

8. Elabore una tabla donde se indiquen las cantidades físicas involucradas en esta

práctica, sus unidades y su expresión dimensional (ambas en el SI).

Cantidad Física Unidades [SI]

Temperatura K=Kelvin

Masa kg=kilogramo

Calor J=Joule

Capacidad térmica

5

Capacidad térmica específica

Tiempo s= segundo

Diferencia de potencial eléctrico V=Volt

Intensidad de corriente A=Ampere

Potencia eléctrica w=Watt

Volumen =metro cúbico

6

Conclusiones

Para poder comprender el comportamiento de la transferencia de energía en forma de

calor, se realizaron los experimentos, esto permitió ver la relación entre calor y

temperatura, a partir de los datos se realizaron las gráficas, mostrando el calor

suministrado en función de la temperatura (ver gráfica 1). También se realizó el modelo

matemático (ver gráfica 1), usando el método de cuadrados mínimos, para obtener un

modelo lineal.

Con los datos que se obtuvieron de manera experimental se determinó la capacidad

térmica (C) y la capacidad térmica específica a presión constante (cp) del agua (ver

resultados en apéndice). Estas capacidades térmicas estuvieron alejadas a la cantidad

de referencia que se ha establecido, esto debido a errores al tomar las mediciones.

Como se puede observar en las gráficas 1 y 2 (ver gráficas 1 y 2 en apéndice) los

puntos obtenidos experimentalmente se encuentran muy lejos de formar una línea

recta, esto es debido a que en el proceso de recopilación de datos no se realizó la

agitación del agua de manera correcta provocando que la temperatura no fuera

uniforme en el líquido lo que finalmente ocasionó que al momento de realizar el ajuste

por cuadrados mínimos se obtuviera un valor diferente al esperado en la capacidad

térmica (pendiente de la recta). Finalmente al momento de obtener el valor de la

capacidad térmica específica del agua, esto es dividiendo el valor de la pendiente

obtenida entre el valor de la masa, se obtuvo un valor considerablemente diferente al

valor de referencia.

7

Comentarios

Para poder transferir calor a un líquido, que en este caso fue el agua, se podría pensar

que basta solo con aumentar la temperatura dentro del recipiente en el que está

contenido el líquido, pero se debe notar que también puede aumentar ligeramente al

mover el líquido. Sin embargo, no es el único motivo por el cual hay que agitar el

líquido, también se debe considerar que para tener una lectura óptima es necesario

que el líquido tenga una temperatura uniforme, ya que puede que el termómetro

registre solo la temperatura que esté lejana al calentador eléctrico, lo cual provocará

que el aumento de temperatura sea muy lento, mientras que si el aumento de

temperatura se da de manera uniforme, ésta será la misma en todas partes, lo cual se

traducirá en una mejor lectura de datos.

En caso de que se deje pasar el tiempo sin agitar el agua mientras haya un aumento de

temperatura, cuando se empiece a agitar, la temperatura registrada por el termómetro

empezará a subir de manera abrupta, lo cual se traduce en errores al realizar la

comparación del tiempo transcurrido entre cada aumento de temperatura. Esta

consideración es importante ya que es un error meramente humano, los instrumentos

de medición no tienen que ver en este aspecto. Es por eso que al realizar el modelo

matemático puedan surgir algunas variaciones incorrectas, además de que el valor

obtenido de la capacidad térmica del agua puede verse afectado a la hora de obtenerlo.

Es por eso que se deben tomar todas las consideraciones y posibles errores que se

puedan cometer a la hora de operar los instrumentos, ya que estos pueden provocar

que se lleguen a resultados extraños o que no podrían corresponder a la lógica del

experimento.

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Apéndice

Masa Temperatura

[°C]

Temperatura

[K]

150 [ g] 21 294.15

Tabla 1.de resultados actividad 1

Tabla 2. Resultados de actividad 2

Gráfica 1. Gráfica de Actividad 3. Calor suministrado en función de la temperatura.

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Tabla 3. de resultados actividad 4.

Gráfica 2. Gráfica de Conclusión 3. Calor suministrado en función de la temperatura.

Cálculo del valor de la capacidad térmica específica:

Cálculo del error porcentual:

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Bibliografía

Apuntes de clase de Principios de Termodinámica y Electromagnetismo. Profesor

Gamez Leal Rigel, periodo 2014-1.