TRABAJO PRACTICO Nº 4: CALORIMETRIA

Objetivos:

I)Obtener el equivalente en agua de un calorímetro.

II)Determinar el calor específico de un sólido.

      Materiales: Calorímetro de mezclas, probeta graduada, recipiente, termómetro, cuerpo de masa conocida, soportes, agitador.

      Procedimiento: El calorímetro está compuesto de dos recipientes, uno dentro del otro, de manera de lograr una buena aislación térmica del medio.

      A)Determinación experimental del equivalente en agua del calorímetro (p):

      Esta determinación constituye un paso previo a la determinación del calor específico de un sólido. El equivalente en agua permite simplificar los cálculos cuando se utiliza el calorímetro, ya que procediendo de otro modo la operación se haría muy engorrosa. Dispusimos en el calorímetro de una masa mA1 de agua a una temperatura tA1. Agregamos una masa mA2 de agua caliente a temperatura tA2. Una vez logrado el equilibrio térmico tomamos la temperatura final tf. Debemos aclarar que cada temperatura fue medida con el termómetro adecuado. Como partimos del supuesto de que el calorímetro está térmicamente aislado, podemos escribir:

                                       Qi=0                siendo Qi la cantidad de calor intercambiado

                                   mA2. ca. (tf - tA2) + Qcal + mA1. ca. (tf - tA1) = 0

                                 con Qcal = cr. mr. (tf - tA1) + ct. mt. (tf - tA1) + .....

                                                  = (cr. mr + ct. mt + .....). (tf - tA1)

                                                  = (S ci. mi). (tf - tA1)

                                    => mA2. ca. (tf - tA2) + (mA1 + S mi. ci). ca. (tf - tA1) = 0

                                                                                              ca

               Qcal = cantidad de calor intercambiada por el calorímetro

                cr = calor específico del recipiente

                mr = masa del recipiente

                ct = calor específico del termómetro

                mt = masa del termómetro

                ca = calor específico del agua

      Llamamos    p  = S  mi. ci

                                       ca

      De la deducción anterior, se obtiene:       p  = mA2. (tA2 - tf) - mA1

                                                                                           (tf - tA1)

      El significado físico de p es ser la masa de agua con una capacidad calorífica  igual a la del calorímetro. Se expresa en gramos, y no puede ser negativo porque una masa negativa no tiene sentido físico; además, tanto la masa del calorímetro como su calor específico son positivos, al igual que ca. Su valor depende, como se desprende de lo dicho anteriormente, de la masa del calorímetro y de su calor específico.

      Con los datos obtenidos  completamos el siguiente cuadro: 

      La experiencia debía repetirse tres veces, para reducir las incertezas y obtener un valor promedio de p. Por razones ajenas a nuestra voluntad fue imposible obtener los otros dos valores. Repetimos el experimento varias veces bajo la coordinación directa del ayudante del práctico y obtuvimos siempre valores de p inferiores a 0. Estos resultados no pueden ser válido por razones antedichas. El ayudante nos permitió continuar con el trabajo tomando p = 1,18 gramos, el único resultado válido obtenido.

B) Determinación del calor específico de un sólido:

      1) Colocamos una masa conocida de agua a temperatura ambiente dentro del calorímetro. La cantidad de agua debía ser tal que al introducirse el cuerpo en el calorímetro quedara totalmente sumergido. Luego introducimos un termómetro con escala hasta 50ºC en el agua del calorímetro, sujetándolo con un soporte.

      2) En otro recipiente colocamos el cuerpo y la suficiente cantidad de agua como para cubrirlo. Dispusimos el termómetro sobre el cuerpo y colocamos el recipiente bajo la llama, teniendo la precaución de no colocar el recipiente antes de llenarlo.

      3) Medimos la temperatura del agua del calorímetro (ta) y la temperatura del cuerpo caliente (tc). Inmediatamente después de las mediciones pasamos el cuerpo al calorímetro, lo tapamos y movimos el agitador hasta que se logró la temperatura final de equilibrio (tf).

      4) Repetimos todos los pasos para distintas temperaturas iniciales del cuerpo y con distintas masas de agua.

      Debemos aclarar que después de cada experimento enjuagamos todos los componentes del calorímetro con agua fría. No tiramos el agua caliente del tercer recipiente  para acortar el  lapso de espera entre las distintas mediciones, puesto que al enfriarse ésta nos permitía obtener otras temperaturas iniciales para el cuerpo.

      Con los datos obtenidos confeccionamos el siguiente cuadro:

      La cantidad de calor ganada por el calorímetro junto con la masa de agua  que contiene resulta:

                      Q = (ma + p). ca. (tf - ta)

      Siendo: ma = masa del agua del calorímetro.

                    p = equivalente en agua del calorímetro.

                     ca = calor específico del agua.

      La cantidad de calor cedida por el cuerpo se  expresa:

                      Qc = mc. cc. (tf - tc)

       Siendo: mc = masa del cuerpo.

                     cc = calor específico del cuerpo.

       El calorímetro está térmicamente aislado, por lo que puede escribirse:     Q + Qc = 0

De esto se deduce:     cc = (ma + p), ca. (ta - tf)

                                                       mc. (tf - tc)

       El valor representativo del calor específico del cuerpo es 0,031 cal/ºCg. Su incerteza absoluta resulta ser 0,002 cal/ºCg y la incerteza porcentual es 6,45 %.

       En conclusión, tras realizar las experiencias correspondientes, hemos logrado calcular el equivalente en agua de un calorímetro y luego el calor específico de un cuerpo sólido. Como cada sustancia tiene un calor específico particular,  nos es posible determinar la composición del cuerpo utilizado.