Introducción a la termodinámica
Calorimetría
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Bibliografía:
Serway- Faughn. ( 2001). Física.
Prentice Hall.
Cromer Alan. Física para la
ciencias de la vida.Reverté.
Wilson- Buffa-Lau. Física.
Pearson.
Confecciona un mapa conceptual:
Contenidos mínimos:
Temperatura: Escalas. Ley cero de la Termodinámica. Calor. calor específico. Capacidad calorífica. Calor latente. Equivalente mecánico del calor.Calorimetría. Transmisión del calor: conducción, convección y radiación. Sistemas termodinámicos. Propiedades. Procesos. Primer principio de la termodinámica.
Teoría desarrollada sobre calorimetría:
Práctica para la clase:
1) Una cacerola con agua se calienta de 25 ºC a 80 ºC. Expresa la variación de temperatura en Kelvin y en la escala Fahrenheit.
2) Un lingote metálico de 0,5 kg se calienta a 200 ºC y después se deja caer en un vaso de precipitados que contiene 0,4 kg de agua cuya temperatura inicial es de 20 ºC. Si la temperatura final de equilibrio del sistema mezclado es de 22,4 ºC, determine el calor específico del metal. Ce agua 4186 J/kg ºC. Rta: 453 J / kg ºC
3)a- Calcula el calor que se necesita para transformar un bloque de hielo de 1 kg a -30 ºC en vapor de agua a 120 ºC. b- Realiza el gráfico de la temperatura en función del calor. Datos: Ce del hielo = 2020 J/ kg ºC; Calor latente de fusión: 3,33 x 10 5 J/kg; Ce del agua: 4186 J/kg ºC; Calor latente de vaporización : 2,26 x 10 6 J/ kg; Ce del vapor de agua: 2,01 x 10 3 J/ kg ºC
Material para revisar conceptos:
¿Qué es la termodinámica? Recuperado de:
http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/introtermo1p.html
Sistemas termodinámicos:
Variables
Calor, calor específico y calor latente
Ejemplo de cómo calcular el calor total suministrado a 1 g
de hielo a -20 ºC a vapor de agua a 100ºC
Serie Schaum, capítulo 18, recuperado de:
https://higieneyseguridadlaboralcvs2.files.wordpress.com/2013/08/fc3adsica-general-10ma-edicic3b3n-schaum.pdf
Confecciona un mapa conceptual:
Contenidos mínimos:
Temperatura: Escalas. Ley cero de la Termodinámica. Calor. calor específico. Capacidad calorífica. Calor latente. Equivalente mecánico del calor.Calorimetría. Transmisión del calor: conducción, convección y radiación. Sistemas termodinámicos. Propiedades. Procesos. Primer principio de la termodinámica.
Teoría desarrollada sobre calorimetría:
Equilibrio térmico: Calorimetría.
Se denomina Calorimetría a la medición del calor. Los aparatos que
miden el calor que se intercambia en un proceso cualquiera se denominan calorímetros y se basan en el principio
de conservación de la energía, se utilizan para medir el calor específico de un
material cualquiera. Es un recipiente de masa conocida, aislado térmicamente del
medio ambiente, y con un termómetro que permite medir la variación de la
temperatura.
Para determinar el calor específico de un material cualquiera, se lo
caliente a una temperatura t1 conocida, y se lo introduce dentro de
del calorímetro que contiene agua a una temperatura t2, también
conocida. Habrá una transferencia de calor desde la sustancia más caliente a la
más fría, hasta que se llega a un estado de equilibrio térmico del conjunto a
una temperatura t3.
Los datos serán entonces:
t1: temperatura
inicial del cuerpo.
t2: temperatura
inicial del agua y del recipiente (calorímetro).
t3: temperatura final (del
conjunto.
mc: masa del
calorímetro.
Ce: calor específico del material
del calorímetro.
m agua: masa del agua en el
calorímetro.
Ce: calor específico del agua,
mx: masa del cuerpo
introducido.
Cex: calor específico del cuerpo
a determinar.
Una vez que se llega al estado de equilibrio ( a la temperatura t3) se
puede decir que el calor perdido por el que originalmente estaba caliente será
igual al ganado por el que estaba más frío.
Supongamos que:
El calor perdido por el cuerpo
será: Q perdido = mx
. Cex . (t1 - t3)
Mientras que el ganado por el
agua y al calorímetro será:
Q ganado = magua . Ce agua . (t3
– t2) + mc . Cec. (t3 –t2)
Como: Q
perdido = Q ganado
mx . Cex . (t1
- t3) = magua . Ce agua . (t3
– t2) + mc . Cec. (t3
–t2) despejando Cex
Cex = magua . Ce agua
. (t3 – t2) + mc . Cec. (t3
–t2)
mx . (t1 - t3)
Tabla de calores específicos de algunas sustancias
Tabla de calores específicos de algunas sustancias
Tabla de calores latentes:
Práctica para la clase:
1) Una cacerola con agua se calienta de 25 ºC a 80 ºC. Expresa la variación de temperatura en Kelvin y en la escala Fahrenheit.
2) Un lingote metálico de 0,5 kg se calienta a 200 ºC y después se deja caer en un vaso de precipitados que contiene 0,4 kg de agua cuya temperatura inicial es de 20 ºC. Si la temperatura final de equilibrio del sistema mezclado es de 22,4 ºC, determine el calor específico del metal. Ce agua 4186 J/kg ºC. Rta: 453 J / kg ºC
3)a- Calcula el calor que se necesita para transformar un bloque de hielo de 1 kg a -30 ºC en vapor de agua a 120 ºC. b- Realiza el gráfico de la temperatura en función del calor. Datos: Ce del hielo = 2020 J/ kg ºC; Calor latente de fusión: 3,33 x 10 5 J/kg; Ce del agua: 4186 J/kg ºC; Calor latente de vaporización : 2,26 x 10 6 J/ kg; Ce del vapor de agua: 2,01 x 10 3 J/ kg ºC
Práctica de Calorimetría
Guía 9
Calorimetría
1-Calcular la temperatura final
de una mezcla de 10 L y 80 L de agua cuyas temperaturas respectivas son 70ºC y
20 ºC: Rta: 25,6 ºC
2-En un calorímetro, que contiene
440 g de agua a 9 ºC se introduce un trozo de hierro de masa 50 g a la temperatura
de 90 ºC, la temperatura del equilibrio es 10 ºC. Calcular el calor específico
del hierro. Ce del agua 4180 J/kg °C. Rta: 459,8 J/kg ºC
3-En un vaso calorimétrico de
cobre, cuya masa es de 40 g, se ponen 380 g de alcohol, el conjunto está a una temperatura
de 8 ºC. Se introduce en el alcohol un trozo de cobre de 122 g a la temperatura
de 50 ºC, la temperatura de equilibrio es 10 ºC. Calcular el calor específico
del alcohol, suponiendo que no hay pérdida de calor. Ce del cobre 0,095 cal/g
ºC. Rta: 0,6 cal/g ºC
4-Una pieza de cadmio de 50 g
está a 20 ºC, si se agregan 400 cal al cadmio. ¿Cuál es la temperatura final?
Ce cadmio 0,055 cal/g ºC. Rta: 165,45 ºC
5-Cuántas calorías son necesarias
para convertir 15 g de hielo a 0ºC en vapor de agua a 100 ºC? Calor latente de
fusión del hielo 80 cal/g, Ce del agua 1 cal/ g ºC, Lv del agua 540
cal/g.
6-Determinar la temperatura de
equilibrio si mezclamos 10 g de hielo a 0ºC con 50 g de agua a 70 ºC. Lf del
hielo 80 cal/g, Ce agua 1 cal/g ºC.
7- Cien gramos de una aleación de
oro y cobre a la temperatura de 75, 5 ºC, se introducen en un calorímetro, con
502 g de agua a 25 ºC, la temperatura del equilibrio térmico es de 25,5 ºC.
Calcular la composición de la aleación. Ce oro 0,031 cal/g ºC; Ce cobre 0,095
cal/g ºC, Ce del agua 1 cal/ g K. Rta: 30 g cobre; 70 g Au.
8- Para enfriar 100
L de agua de 90ºC a 10 ºC, contenidos en un depósito, se hace pasar
a través de un tubo en serpentín agua a 0 ºC. Después de su recorrido, el agua
del tubo sale a 10 ºC, pasando 2 litros de agua por segundo. ¿Cuánto
tiempo pasará para que toda el agua del depósito esté a 10 ºC? Ce del
agua 4186 J/Kg ºC. Rta: 6 min 40 s
9- Mezclamos 1 kg de agua a 95 ºC
con 1 kg de hielo a – 5 ºC. ¿Dispondremos de suficiente calor para fundir todo
el hielo? Si es así, ¿ a qué temperatura queda la mezcla? Ce hielo 0,5 cal/g
ºC, Lf del hielo 80 cal/g, Ce agua 1 cal/g ºC. Rta: a cargo del alumno, 6,25 ºC
10- El agua en la parte superior
de las cataratas del Niágara tiene una temperatura de 10 ºC. Si ésta cae una
distancia total de 50 m y toda su energía potencial se emplea para calentar el
agua, calcule la temperatura de la misma en el fondo de las cataratas. Rta:
10,117 ºC
11-Si 100 g de agua a 100 ºC se
vierten dentro de una taza de aluminio de 20 g que contiene 50 g de agua a 20
ºC, ¿Cuál es la temperatura de equilibrio del sistema? Ce Al 0,215 cal / g ºC.
Rta 71,8 ºC
12-¿Cuánto calor debe agregarse a
20 g de aluminio a 20 ºC para fundirlo completamente? Ce Al 0,9 J/g ºC; Lf Al
397 J/g . T de fusión del Al 660ºC. Rta: 19460 J
13- Con un litro de agua a 30 ºC
se prepara té helado. ¿Cuánto hielo a 0ºC debe agregarse para reducir la
temperatura del té a 10 ºC? Lf del hielo 80000 cal/kg. Rta: 0,222 kg
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