Reporte de la práctica 4 de principios de termodinámica y electromagnetismo

1. 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
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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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2. 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).
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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.
3

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
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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
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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.
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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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8. 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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9. 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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10. Bibliografía
Apuntes de clase de Principios de Termodinámica y Electromagnetismo. Profesor
Gamez Leal Rigel, periodo 2014-1.
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