P_3 - Axel

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Universidad Nacional Autónoma de México
Facultad de Ingeniería
Laboratorio de Termodinámica
Práctica 3: Calorimetría
Profesor: 
Ing. Eduardo Pérez Contreras
Integrantes:
Abad Retana Manuel Ramses
Sánchez Nazario Axel
Vega Callejas Fausto Alberto
Moreno Villanueva Ana Karen
Brigada #5
Grupo: 23
Fecha de realización: 20-02-2020
Fecha de Entrega: 27-02-2020
Semestre: 2020-2
CALORIMETRÍA
Objetivos
· A partir de la primera ley de la termodinámica (Q+W= ΔU), determinar la relación existente entre la variación de la temperatura ΔT y el calor Q así como la relación entre el calor Q y la masa m para el agua líquida. 
· Construir el modelo gráfico que relaciona las variables ΔT y ΔU durante el calentamiento del agua líquida. 
· Obtener el modelo matemático que relacione las variables ΔT y ΔU.
Introducción
La energía que puede fluir a través de las fronteras de un sistema debido a una
diferencia de temperaturas cae dentro de un análisis más profundo. Por ejemplo,
cuando una lata de una bebida refrescante helada se coloca en un cuarto caliente,
la experiencia ha mostrado que la bebida (el sistema) aumenta su temperatura hasta
aproximarse a la del cuarto. El estado termodinámico del sistema ha cambiado ya
que por sus fronteras cruza energía desde el ambiente a causa de la diferencia de
temperaturas entre el cuarto y la bebida. Esta transferencia de energía no es trabajo,
ya que no es posible imaginar un procedimiento en que el único efecto sea la
elevación de un peso. Por lo tanto, esta forma desorganizada de energía que cruza
las fronteras del sistema, debido a una diferencia de temperaturas entre el sistema
y sus alrededores, se define como transferencia de calor
De manera que, si en un sistema, térmicamente aislado, se efectúa un proceso en
el cual el sistema absorbe una cantidad de trabajo W (+) de sus alrededores, se
satisface la ecuación.
ΔU - Wadiabático = 0 
Sin embargo, el mismo proceso ocurre cuando el proceso no es adiabático, en general el miembro derecho es diferente de cero, porque puede intercambiarse energía en forma de calor. Entonces: 
ΔU - W = Q o bien ΔU = Q + W 
Si en el sistema no se presenta interacción energética como trabajo la ecuación resultante es: 
ΔU = Q Q = mc(Tf – Ti) = ΔU 
Donde: ΔU = Cambio en la energía interna 
Q = Calor 
c = Capacidad térmica específica 
Ti = Temperatura inicial 
Tf = Temperatura final 
Calorimetría y cambios de fase.
La calorimetría es la parte de la Física que se encarga de “cuantificar la transmisión de calor”. Hemos hablado de la transferencia de energía (calor) durante las variaciones de temperatura. El calor interviene también en los cambios de fase, como la fusión del hielo o la ebullición del agua. Una vez que entendamos otras relaciones de calor, podremos analizar diversos problemas sobre cantidades de calor. 
Hipótesis
Nuestra pequeña hipótesis es que el calor Q va estar relacionado con la cantidad de masa (agua) que le pongamos a nuestro sistema, en pocas palabras que mientras más masa tengamos más calor necesitaremos. Además que el calor va de la mano con el cambio de temperatura de un sistema.
Equipo y material
Contamos con los siguientes materiales:
Desarrollo
Actividad 1.
Para cumplir con el primer objetivo comenzamos con dar una masa de 75[g] de agua en cada uno de los tres vasos de precipitados con los que contábamos. Medimos la temperatura inicial de cada uno y procedimos a colocar uno por uno en la parrilla precalentada a su potencia correspondiente (por 2 minutos aproximadamente) para calcular la temperatura de cada una. Para el primer vaso fue a una potencia 2, para el segundo fue potencia 4 y para el tercero potencia 6. Con estos datos que hemos conseguido determinaremos la cantidad de calor que se le ha transmitido a cada uno, con la siguiente fórmula: 
Actividad 2.
En esta actividad utilizaremos los mismos tres vasos de precipitados, pero ahora cada uno tendrá distinta masa, para el vaso 1 utilizaremos 50[g], para el segundo 75[g] y al tercero le daremos 100[g] de agua. 
Con el agua de los tres vasos a la misma temperatura inicial, la temperatura final nos debería de dar un valor aproximado entre una y otra, igual si es posible. Para esto es necesario conocer el valor de Q al cual se debe manipular la parrilla.
Para esto nosotros elegiremos el valor con el cual nosotros queremos inicializar la parrilla para el primer vaso, en nuestro caso elegimos la 2. A partir de esta potencia elegida nos basaremos para determinar la de las demás.
 
Con base en los datos obtenidos calcularemos el valor del Calor (Q).
Actividad 3.
Para cumplir con el segundo objetivo realizamos esta actividad la cual consistía en utilizar el termo con la resistencia de inmersión. Para iniciar colocamos 600[g] de agua dentro del termo, y nos aseguramos de que la resistencia quedara completamente sumergida en el fluido, de no ser así esta podría explotar. 
Una vez lleno el termo, con la cantidad que indicamos, lo cerramos, colocamos el termómetro a través de un orificio en la tapa y registramos la temperatura inicial. 
A continuación conectamos la resistencia al watthorímetro, lo encendemos y por cada 3 vueltas de este registramos la temperatura que va tomando el agua, hasta llegar aproximadamente a los 85[℃].
Resultados
1. Para los cálculos de la tabla 1 utilizamos la fórmula ya mencionada: 
Donde
 Calor suministrado
 la masa de la sustancia con la que se trabaja
 Calor específico. Cantidad de calor que hay que proporcionar a un gramo de sustancia para que eleve su temperatura en un grado centígrado. Para el caso del agua 4.186[J]
 Temperatura final 
 Temperatura inicial
	Vaso No.
	Masa [g]
	Ti [℃]
	t [s]
	Tf [℃]
	Q [J]
	1
	75
	15
	120
	16
	313.95
	2
	75
	15
	120
	22
	2197.65
	3
	75
	15
	120
	38
	7220.85
Tabla 1
2. Para la segunda tabla utilizamos el mismo procedimiento, solo que ahora variamos la masa en cada vaso.
	Vaso No.
	Masa [g]
	Ti [℃]
	t [s]
	Tf [℃]
	Q [J]
	1
	50
	15
	120
	23
	1674.4
	2
	75
	15
	120
	30
	4709.25
	3
	100
	15
	120
	55
	16744
Tabla 2
3. En esta tercer tabla resulta necesario utilizar la fórmula: 
Y de acuerdo con la 1ª Ley de la Termodinámica aplicada a un sistema cerrado Q + W = ΔU, como no hay trabajo, se tiene Q = ΔU.
Donde:
Q = Calor
ΔU = Cambio en la energía interna del sistema
k = Constante del watthorímetro
N = Número de vueltas
En este caso nuestra masa será de 600[g].
	Evento
	No. de vueltas N
	T [°C]
	Q = ΔU = K N [J]
	ΔT [°C]
	1
	0
	18
	0
	0
	2
	3
	21
	8250
	3
	3
	2.5
	24
	6875
	6
	4
	3
	27
	8250
	9
	5
	2.5
	30
	6875
	12
	6
	3
	33
	8250
	15
	7
	2.5
	36
	6875
	18
	8
	3
	39
	8250
	21
	9
	2.5
	42
	6875
	24
	10
	3
	45
	8250
	27
	11
	2.5
	48
	6875
	30
	12
	3
	51
	8250
	33
	13
	2.5
	54
	6875
	36
	14
	3
	57
	8250
	39
	15
	2.5
	60
	6875
	42
	16
	3
	63
	8250
	45
	17
	2.5
	66
	6875
	48
	18
	3
	69
	8250
	51
	19
	3
	72
	8250
	54
	20
	3
	75
	8250
	57
	21
	3
	78
	8250
	60
	22
	2.5
	81
	6875
	63
	23
	3
	84
	8250
	66
	24
	3
	87
	8250
	69
Tabla 3
El modelo matemático se obtuvo con el método de regresión lineal. El modelo es el siguiente:
Donde la pendiente es: La capacidad Térmica
Y donde la ordenada al origen es: El rango error
Conclusiones
Los objetivos de la práctica fueron realizados de manera eficaz, logramos conocer la relación que hay entre el calor (Q) y la masa de la sustancia, logramos conocer el funcionamiento y uso del watthorímetro y el termo con la resistencia de inmersión, además de las precauciones que se deben tomar en cuenta para el uso adecuado del último al momento de ser utilizado.
Conocimos y analizamos la curva de calentamiento del agua para deducir dónde es que esta propiedad es dependiente e independiente. Lo cual nos servirá también para comprender más adelante lo que respecta al Postulado de estado. 
Bibliografía
· Çengel, Y., & Boles, M. (2019). Termodinámica (9ª ed.). México, México: Mc Graw Hill.
· Wark, K, 2001, Termodinámica, Madrid(España), McGraw-Hill Inc.