Calorimetría
Resumen teórico
CALOR Y
TEMPERATURA
TEMPERATURA:
La temperatura es una medida de “la energía cinética media de las
moléculas” del sistema. Las moléculas de una sustancia no están quietas.
CALOR
El
calor es la transferencia de energía cuando ponemos en contacto dos cuerpos que
se encuentran a distinta temperatura. En estos casos hay un flujo espontáneo de
energía del cuerpo con mayor temperatura al de menor temperatura. A la cantidad
de energía que se transfiere se la denomina calor (Q). Esta transferencia de
energía cesa cuando se igualan las temperaturas de los cuerpos.
Cuando
un cuerpo recibe esta transferencia de energía decimos que el cuerpo absorbe
calor y por convención consideramos que el calor recibido es positivo
(+Q), mientras que cuando entrega esta energía decimos que libera
calor tomándolo como negativo (-Q). Cuando un cuerpo absorbe calor, esa
energía deja de ser calor para transformarse en energía. Este aumento de
energía se reparte entre las moléculas produciendo que se muevan más
rápidamente, es decir que las moléculas tengan en promedio mayor energía
cinética y por lo tanto mayor temperatura el cuerpo; o bien utiliza esa energía
para modificar las fuerzas entre las moléculas y producir un cambio de estado
(por ejemplo pasar del estado sólido al líquido).
Como
el calor es una forma de energía obviamente tienen las mismas unidades. Por una
razón histórica el calor comúnmente se lo mide en calorías.
CANTIDAD
DE CALOR
La
cantidad de calor (Q) necesaria para aumentar (o disminuir) la temperatura de
un cuerpo depende de la diferencia de temperatura, la masa del cuerpo y el
calor específico (ce), siendo esta magnitud una característica de cada
sustancia (y de su estado de agregación):
Q = m. ce. (Tf -To)
Que
el calor específico del agua sea de 1cal/g°C significa que para aumentar
en 1 °C, la temperatura de 1 gramo de agua líquida debemos
entregarle 1 caloría. Notemos que el calor específico del agua es alto
comparándolo con otras sustancias, es decir que para producir la misma
variación de temperatura necesito entregarle más calorías. Si le entregamos la
misma cantidad de calor a, por ejemplo, 100 gramos de agua y 100
gramos de cobre, en el cobre la variación de temperatura será 10 veces
mayor que la del agua. Este hecho tiene importantes consecuencias, como por
ejemplo, posibilitar que el agua intracelular actúe como regulador térmico.
Ejemplo 1:
Calcular la cantidad de calor necesaria para
llevar de 150°C a 500°C la temperatura de 20 gramos de
agua.
Actividad 1:
Hallar el calor necesario para calentar 50 mL de agua, desde
la temperatura ambiente a la 60°C.
1.
Coloca el agua en un recipiente (vaso de
precipitado, tubo de ensayo, bureta)
2.
Averiguar la masa de agua. Pesar al recipiente
vacío y luego con agua.
Masa del recipiente:
Masa de agua:
3.
Medir la temperatura del agua inicial con
termómetro, sin ser expuesta a una fuente de calor.
To =
4.
Calentar el agua hasta la temperatura deseada,
con mechero bunsen o malla calentadora. Medir la temperatura.
Tf =
a) ¿Cuántos segundos tarda en calentarse
esa masa de agua?
b) Completar la siguiente tabla (si es
necesario repetir la experiencia para poder registrar los valores)
Tiempo (seg)
|
Temperatura (°C)
|
0
|
|
5
|
|
10
|
|
5.
Calcular la cantidad de calor que se empleo.
Recordá que ce (agua) = 1 cal/kg°C. ¿el calor es positivo o negativo?¿por qué?
6.
Graficar temperatura (°C) vs tiempo (seg)
Actividad 2:
Hallar el calor necesario para calentar 50 mL de mercurio
(Hg), desde la temperatura ambiente a la 60°C.
1.
Coloca el agua en un recipiente (vaso de
precipitado, tubo de ensayo, bureta)
2.
Averiguar la masa de mercurio. Pesar al
recipiente vacío y luego con agua.
Masa del recipiente:
Masa de mercurio:
3.
Medir la temperatura del agua inicial con
termómetro, sin ser expuesta a una fuente de calor.
To =
7.
Calentar el agua hasta la temperatura deseada,
con mechero bunsen o malla calentadora. Medir la temperatura.
Tf =
¿Cuántos segundos tarda en calentarse esa masa
de mercurio?
Completar: El tiempo que tarda en calentarse el agua es
___________________ (mayor/ menor) que el del mercurio, entonces la capacidad
específica del agua es________________ (mayor/menor) que la del mercurio.
4.
Buscá en internet la capacidad calorífica del
mercurio y con dicho valor, calcular la cantidad de calor que se empleo.
Actividad 3:
Poseo dos recipientes: uno, con agua y el segundo, con
mercurio.
A ambos recipientes los expongo a una fuente de calor que
entrega 1000 cal, de manera que la temperatura del interior aumente de 25°C a 80°C. ¿Cuál es la
masa en cada recipiente?
Masa agua =
Masa mercurio =
Que una sustancia posea mayor capacidad específica significa
que, puedo obtener la misma variación de temperatura calentando a una cantidad
de materia ________________ (mayor/menor).
Actividad 4:
Indicá si la siguiente frase es verdadera o falsa. Justificá
tu respuesta. (Tomá en cuenta lo visto en clase, el ejercicio 14 de la guía de
problemas y el resumen teórico para responder)
“Si una sustancia posee mayor ce quiere decir que absorbe más calor, es decir, que poseerá una
variación de temperatura mayor.”
Transferencia de calor
Resumen teórico
Primer Principio de la Calorimetría
Cuando 2 o más cuerpos con
temperaturas diferentes son puestos en contacto, ellos intercambian calor entre sí hasta alcanzar el
equilibrio térmico.
Luego, considerando un sistema térmicamente aislado del entorno,
"La cantidad de calor recibida por uno de los cuerpos es igual a la
cantidad de calor cedida por el otro cuerpo".
Ejemplo 2:
En un recipiente aislado, colocamos 1 kg de agua a 20 °C y un
cuerpo de cobre a 100°C, siendo su masa de 500 g. ¿Cuál será la temperatura del
sistema al alcanzar el equilibrio?
Al ponerse en contacto el cuerpo
de mayor temperatura cede calor disminuyendo su temperatura y el de menor
temperatura absorbe calor aumentando su temperatura, hasta alcanzar ambos
cuerpos una misma temperatura:
Remplazamos los datos
Multiplicamos los datos que podemos
Aplicamos distributiva de ambos lados (ojo
con los signos)
Calculamos los valores que podemos
Colocamos las incognitas de un lado y los
valores del otro
Calculamos
Notemos
que la temperatura de equilibrio estará siempre entre las temperaturas
iniciales de ambos cuerpos (20°C y 100°C). Como el agua pasa de 20°C a 23,81°C
siempre permanece en estado líquido (recordemos que la temperatura de
ebullición del agua es de 100°C), y el cobre se mantiene en estado sólido, en
este problema no hay ningún cambio de estado.
Actividad 1: Agua – Agua
Contestar sólo los ítems 1, 2 y 3 con el simulador.
1.
Recipiente A: Colocar en un recipiente 50 cm3
de agua, medir la temperatura y la masa.
To = m=
2.
Recipiente B: Colocar en otro recipiente 100 cm3
de agua, medir la masa. Calentar el agua hasta los 80°C.
m =
3.
Verter el contenido del recipiente A en el
Recipiente B.
4.
Después de un tiempo, ¿cuál será la temperatura
final del sistema?
5.
¿cuál es el calor absorbido por los 50cm3
de agua y cuál el calor entregado por los 100cm3?
Q absorbido =
Q entregado =
Actividad 2: Agua- mercurio
Contestar sólo los ítems 1, 2 y 3 con el simulador.
1.
Recipiente A: Colocar en un recipiente 50 cm3 de
agua, medir la temperatura y la masa.
To = m=
2.
Recipiente B: Colocar en otro recipiente 100 cm3
de mercurio, medir la masa. Calentar el agua hasta los 80°C.
m =
3.
Verter el contenido del recipiente A en el
Recipiente B.
4.
Después de un tiempo, ¿cuál será la temperatura
final del sistema?
5.
¿cuál es el calor absorbido por los 50cm3
de agua y cuál el calor entregado por los 100cm3?
Q absorbido =
Q entregado =
Actividad 3: Graficar Temperatura vs tiempo.
Actividad 4: De tarea resolver los ejercicios.
Problemas calorimetría- Transferencia de calor
1-Se tienen 150 g de agua a 12 °C
y se mezclan con 50 g de agua a 80 °C. Calcula la temperatura equilibrio.
2- Se coloca sobre un bloque de
100g de plomo a 200°c una trozo de 10 gramos a 30°C ¿Cuál es la temperatura de
equilibrio del sistema? C plomo = 0,03 cal/g.°C
3- Una esfera de acero de 400 g a
una temperatura de 200 °C es sumergida en 3 L de agua a una temperatura de 15
°C. ¿Cuál es la temperatura final del sistema?
Datos: C agua = 1 cal/g.°C; C acero = 11 cal/g.°C.
Datos: C agua = 1 cal/g.°C; C acero = 11 cal/g.°C.
4- Se colocan 200 g de hierro a
120 °C en un recipiente conteniendo 500 g de agua a 20 °C. Siendo el calor
específico del hierro igual a 0,114 cal /g °C y considerando despreciable el
calor absorbido por el recipiente. Determine la temperatura de equilibrio
térmico.
5- Se colocan 400 g de cobre a 80
°C en un recipiente conteniendo 600 g de agua a 22 °C. Determine la temperatura
de equilibrio térmico sabiendo que el calor específico del cobre es de 0,092
cal /g °C.
6- Se desea enfriar 2 kg de agua a
50 ºC con agua que está a 20 ºC. Para que la mezcla tenga una temperatura de 32
ºC, ¿qué cantidad de agua hay que añadir?
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