Laboratorio de Termodinámica
Práctica 6
'CAPACIDAD TÉRMICA ESPECÍFICA Y ENTALPIA DE VAPORIZACIÓN DEL AGUA'

Objetivos
Utilizando material de laboratorio, se intentara sacar el valor de la capacidad térmica específica promedio del agua, repitiendo no más 5 veces la primera parte para así obtener un resultado más preciso
Vamos a obtener la entalpia del agua por medio de la condensación, aplicando constantemente energía a la resistencia de inmersión, provocando una aplicación de calor constante
Introducción
Energía:
En la preparatoria nos referíamos a la energía como la capacidad de una fuerza para realizar un trabajo, el cual es un concepto incompleto, desde el punto de vista termodinámico la energía se define como la capacidad para producir un cambio.
Termodinámicamente la transferencia de energía de un sistema a otro, o en su defecto de un sistema con su entorno, se puede dar como transferencia de calor o de trabajo, se dice que “si la energía que cruza la frontera de un sistema cerrado no es calor, debe ser trabajo”, la transferencia de energía en forma de calor se traduce en una diferencia de temperatura mientras que la transferencia de energía en forma de trabaja se traduce en una o varias fuerzas macroscópicas que actúan delentorno al sistema o del sistema al entorno.

La energía total de un sistema se puede determinar como la suma de las diferentes formas de energía que se presentan en él.
Un tipo de energía “macroscópica” es la energía mecánica total del sistema la cual es la suma de la energía cinética mas la energía potencial del sistema en un momento dado, por ejemplo una roca que está a punto de caer de un precipicio, a esa altura la roca posee una cierta energía potencial y una energía cinética igual a cero, pero mientras va cayendo esta energía potencial se va convirtiendo en energía cinética, aquí también entra el concepto de conservación de la energía.
Al variar la temperatura de un sistema, con que varíe nada más, varia la energía interna de un sistema, osea cuando ocurre una transferencia de calor, ya sea que el sistema lo absorba o lo ceda, ocurre una variación en la energía interna de dicho sistema.

Equilibrio térmico:
Supongamos una situación en que en un recipiente cerrado (con paredes adiabáticas) haya dos sustancias diferentes separados por una pared también adiabática, esto significa que, en teoría, no habrá transferencia de calor entre ambos sistemas, ambos tendrán diferentes temperaturas, pero si esta pared intermedia se removiera entonces al mezclarse las sustancias ocurrirá una transferencia de calor, éste calor se transferirá de la sustancia de mayor temperatura al de menor temperatura hasta que llegue un punto en que ambas sustancias se encontrarán a la misma temperatura después de un cierto tiempo.
Como ya hemos visto anteriormente cuando a un sistema se le transfiereenergía en forma de calor la temperatura generalmente aumenta, en experimentos pasados hemos llegado a la conclusión de que:
ΔT≈Q/m
Esto es que la variación de la temperatura es directamente proporcional a la cantidad de energía en forma de calor suministrada e inversamente proporcional a la cantidad de masa del sistema
Q=mcΔT
Se agrego una constante de proporcionalidad llamada capacidad térmica específica, claro que esta no será una “verdadera” constante ya que varía dependiendo del material con el que se trabaje, a la cantidad de energía en forma de calor necesaria para aumentar la temperatura de un sistema se le llama calor sensible y se encuentra justamente con la ecuación arriba mencionada.
c=cal/(gΔ˚C)
Esta capacidad térmica específica de una sustancia puede cuantificarse calentando esta a una cierta temperatura, situándola en una cantidad de agua, de masa y temperatura conocidas, y midiendo su temperatura cuando llegue al equilibrio térmico, si el sistema está aislado térmicamente de su entorno, el calor que cede el sistema debe ser igual al calor que absorbe el agua y en el recipiente, a esto se le conoce como calorimetría y el recipiente aislado que contiene el agua se conoce como calorímetro.
Calorímetro:
Se le llama así al instrumento que sirve para medir las cantidades de calor “suministradas” o “recibidas” por los sistemas. Osea, para determinar la capacidad térmica específica del sistema, así como para medir las cantidades de calor que “liberan” o “absorben” los sistemas.
Estos calorímetros suelen incluir su equivalente, para facilitar los cálculos. Elequivalente en agua del calorímetro es la masa de agua que se comportaría igual que el calorímetro y que perdería igual calor en las mismas circunstancias. De esta forma solo hay que sumar al agua la cantidad de equivalentes.



Como se menciono antes se considera que cuando la temperatura de un sistema aumenta la energía interna de dicho sistema también aumenta, si este sistema de mayor temperatura se pone en contacto con uno de menor temperatura habrá una transmisión de energía del de mayor temperatura al de menor temperatura, a esta energía se le llama calor.
Unidades del calor:
Una de las unidades usadas es la caloría la cual se define como:
“La cantidad de calor que debe suministrarse a un gramo de agua para que su temperatura se eleve de 14.5˚C a 15.5˚C”
Mas arriba habíamos mencionado que la energía en forma de calor suministrada para aumentar la temperatura de un sistema se le conocía como calor sensible…pero hay otro tipo de calor:
Calor latente:
Habiendo visto anteriormente la curva de calentamiento del agua (por ejemplo) sabemos que al suministrar energía a un pedazo de hielo, de forma que se trate de un proceso casi estático, su temperatura aumenta gradualmente hasta el punto en el que la temperatura se mantiene constante, en ese momento se sabe que está ocurriendo un cambio de fase en el agua, “pasa” de estado sólido a estado líquido.
A la cantidad de energía en forma de calor que se suministra al sistema en este instante se le llama calor latente justamente y se expresa así
Q=λm

Donde λ es una constante llamada calor latente de cambio de fase, a esta λ tambiénse le conoce como entalpía.
Concepto de trabajo
Desde el punto de vista termodinámico el concepto de trabajo es uno mucho más extenso que el usado en la mecánica clásica.
Se define como
Es una energía en tránsito entre un sistema y su entorno, sin existir transferencia de masa y como consecuencia de la diferencia de una propiedad intensiva, que no sea temperatura ya que si no se trataría de calor, entre el sistema y su entorno.
Es la energía transferida a través de las fronteras de un sistema en forma organizada y cuyo uso exclusivo sea la elevación de un sistema (cuerpo).

El trabajo no es una propiedad, es una energía en tránsito.
Potencia mecánica
Se define como:
La cantidad de trabajo que entrega o recibe un sistema por unidad de tiempo y sus unidades son[J/s]=watts o su equivalente mecánico en caballo de fuerza (HP).






Potencia eléctrica
Se define como:
Si por un aparato eléctrico, al ser sometido a una diferencia de potencial Vab, circulara una corriente i, la potencia desarrollada por el aparato estará dada por:
W=V_ab i
W=potencia eléctrica
Vab=diferencia de potencial
I=intensidad de corriente

Efecto Joule:
Este efecto consiste en la transformación de energía eléctrica en energía térmica (calor) en una resistencia recorrida por una corriente. Siendo R el valor de la resistencia, Vab la tensión aplicada a ella, e i la corriente que circula, la potencia desarrollada por efecto Joule en dicha resistencia, se puede calcular por las expresiones:

W=V_ab (A)=Ri^2
Donde:
W= potencia eléctrica
R= resistencia eléctrica
I= intensidad decorriente





Material
CANTIDAD MATERIAL
1 Termo de plástico con tapa
1 Resistencia de inmersión
1 Balanza granataria de triple brazo
1 Termómetro de bulbo (mercurio)
1 Watthorímetro

Desarrollo
1.-Llenamos el termo de agua procurando que la resistencia de inmersión quede completamente cubierta, nosotros la llenamos casi llegando al borde del termo, se le pone la tapa y el termómetro de mercurio. Se tomara la temperatura inicial procurando cerrarlo bien, por último se conecta al Watthorímetro
2.- Al encender el Watthorímetro se debe de contar las vueltas que da hasta que la temperatura del agua llegue a 80sC, después de esto, se toman los datos y se tira el agua. Se llenara de nuevo el termo y esto se repite 5 veces, tomando la temperatura inicial cada ocasión que se repita el experimento
3.-En la 5ta. Prueba, la dejaremos tal cual esta, en vez de tirar el agua, lo que procede es poner el termo junto con la resistencia de inmersión sobre la balanza. Ya para esta parte de la práctica ya no es necesario tapar el termo, por lo que se debe de tener cuidado por el agua caliente que pueda brincar
4.-Pondremos equilibrada la balanza con el peso del termo, la del agua y la resistencia. Ya que todo este equilibrado, se le restara 10g. Por reacción a esto, la balanza se desproporcionara en cuestión de peso.
5.-Se observara que la resistencia de inmersión este completamente cubierta por el agua y se encenderá, debemos de contar el número de vueltas que de el Watthorímetro, desde el punto en que empiece a ebullir hasta que la balanza se nivele nuevamente, este proceso seráposible gracias a la condensación
6.-El paso 5 se repetirá 5 veces utilizando el mismo termo y agua, cada vez que la balanza se equilibre, se apagara el Watthorímetro, se les restara otros 10g y nuevamente se observara el número de vueltas hasta que la balanza vuelva a quedar balanceada


Resultados
Tabla 1: Determinación de la capacidad térmica específica del agua.

Evento No. de vueltas Magua
(kg) Tinicial
(°C) Tfinal
(°C) aˆ†Tl
(°C) Q
(J) C (J/Kgaˆ†°C)
1 48 0.43 20 80 60 132000 5116.2790
2 46 0.43 22 80 58 126500 5072.1732
3 45 0.43 22 80 58 123750 4961.90
4 46 0.43 21 80 59 123750 4877.80
5 46 0.43 21 80 59 123750 4877.80


Obtener la capacidad térmica específica promedio
Cprom=4981.18 (J/(Kgaˆ†°C))
Obtener los errores absoluto y porcentual
Error absoluto=|Valor teórico - Valor práctico|
Error absoluto= 795.18

Error porcentual
%Error= (Valor práctico - Valor teórico)/(Valor teórico) x 100
%Error= 795.18/4186 x 100
%Error= 0.1899 x 100
%Error= 18.99 %
Evento No. de vueltas Magua
(kg) Q (J) hfg (J/Kg)
1 8 0.01 22000 2 200 000
2 6 0.01 16500 1 650 000
3 6 0.01 16500 1 650 000
4 7 0.01 19250 1 925 000
5 8 0.01 22000 2 200 000
Promedio hfg= 1 925 000

Obtener el cambio de entalpia durante la evaporación del agua
Obtener los errores absoluto y porcentual

Error absoluto = | Valor teórico - Valor práctico|
Error absoluto = 332 000

Error porcentual
%Error= (Valor práctico - Valor teórico)/(Valor teórico) x 100
%Error= (332 000)/(2 257 000) x 100
%Error= 0.14709 x 100
%Error= 14.7097%

Análisis de resultados
Conclusiones