laboratorio termodinamica y fluidos

7/31/2019 laboratorio termodinamica y fluidos

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UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDASFACULTAD DE INGENIERA

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERA INDUSTRIALMANUAL DE LABORATORIO DE FSICA

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12.DENSIMETRAOBJETIVOS

Entender el significado de densidad y densidad relativa Determinar densidades de lquidos conocidos y de slidos de formas geomtricas

regulares Comparar diferentes mtodos para determinacin de densidades de varios

lquidos.

MARCO TERICO

La masa y el volumen de un fludo homogneo no son cantidades independientes sino quese relacionan por medio de una constante llamada densidad ().

La densidad de una sustancia homognea en cualquier fase (slido, lquido o gas) es unaPROPIEDAD INTENSIVA., caracterstica de la sustancia, la densidad se enuncia como larelacin de la masa (m) entre el volmen (v)

= m/v

Obviamente, las unidades de son de masa dividido unidades de volumen. En sistemainternacional las unidades son Kg / m3 .

La densidad relativa de una sustancia homognea se define como la relacin entre la

densidad de la sustancia y una sustancia de referencia. Generalmente la sustancia dereferencia es el agua a 4C para sustancias lquidas y slidas con densidad 1 g/cm3. Ladensidad relativa se escribe sin unidades.

El peso especfico es la relacin entre el peso de una sustancia y el volumen que ocupa, lasunidades del peso especfico en SI son N/m3.

La gravedad especfica de una sustancia est definida como la relacin entre el pesoespecfico de la sustancia con el peso especfico de una sustancia de referencia, debido aque el peso se define como mg, la constante g se cancela, quedando las mismas cifras yunidades de la gravedad especfica con las de densidad relativa.

APARATOS: La densidad y la densidad relativa de los lquidos se pueden determinar concualquier instrumento para medir volumen (picnmetro, probeta, vaso de precipitados, etc)y una balanza. El picnmetro es un instrumento de vidrio de capacidad definida elaboradoen vidrio con propiedades qumicas y trmicas especiales, debe estar exento de estras,burbujas y tensiones internas, consta de un cuerpo piriforme con cuello esmerilado y untapn esmerilado capilar.

Existen tambin los alcoholmetros y densmetros digitales. que son instrumentoscalibrados directamente para medir densidades, los alcoholmetros estn diseados


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aplicando el principio de Arqumedes y los densmetros digitales utilizan principios devibracin molecular.

Para medir densidades de slidos homogneos, se utiliza un calibrador y una balanza o unaprobeta y una balanza. Con la probeta y agua se puede medir el volumen del slidoaplicando el principio de Arqumedes, introduciendo el slido y midiendo el volumendesplazado. Para utilizar este mtodo de medir volmenes, se debe tener especial cuidadoen conocer la estabilidad del slido en agua. Si el slido es homogneo, pero no es estable(o sea que puede solubilizarse o reaccionar con el agua), es necesario elaborar una figurageomtrica regular con el slido y medir sus lados con el calibrador, para calcular luego elvolumen. Cuando el slido est presente como un polvo o una espuma es necesario disearuna prctica especfica o consultar normas estandarizadas como ISO, ASTM, ICONTEC,etc.

MATERIAL Y EQUIPO

1. Probeta 50 ml2. Picnmetro3. Termmetro4. Balanza5. Pipeta6. Lquido problema a analizar7. Vaso de precipitados (100 mL)8. Agua destilada

PROCEDIMIENTO

1. Densidad de lquidos Pesar los recipientes vacos, limpios y secos:- Medir la masa de la probeta limpia y seca- Medir la masa del picnmetro con tapa limpio y seco- Medir la masa del vaso de precipitados limpio y seco

medir en una pipeta 25 ml exactos del lquido a analizar y colocar en el vaso deprecipitados

medir la masa del vaso con el lquidomedir la temperatura del lquido problema

- calcular la densidad a dicha temperatura.

medir en la probeta 25 ml exactos del lquidomedir la masa de la probeta con el lquidomedir la temperatura del lquidocalcular la densidad a dicha temperatura.

Llenar picnmetro con el lquidoMedir la masa del picnmetro con el lquido


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calcular la densidad

lavar bien los materiales y repetir los pasos con agua destilada.calcular la densidad de agua destilada

calcular la densidad relativa del lquido problema con respecto al agua en cadamtodo.

Determinar el % error (respecto a datos tericos) y explicar causas de dichoserrores.


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(12). DENSIDAD

OBJETIVOS Determinar experimentalmente la densidad de lquidos.

Determinar la densidad relativa de lquidos respecto al agua.

Determinar la densidad de una mezcla de lquidos miscibles.

MATERIAL Y EQUIPO

1. 2 Pipetas (de 10 ml)

2. 2 Probetas (de 100 ml)

3. 2 Balanzas4. 2 Vasos de precipitados

5. 1 Picnmetro

6. Lquidos miscibles (200 ml de c/u), por ejemplo alcohol y acetona, gasolina y petrleo.

PROCEDIMIENTO

Densidad absoluta:

Nota: se solicitan dos pipetas, dos probetas y dos balanzas para que la mitad del equipotrabaje con una sustancia y la otra mitad del equipo con la otra, procediendo igual con

ambos.

1. Revise que la probeta est bien limpia y seca. Calibre cuidadosamente la balanza y pesela probeta vaca. Anote el resultado.

2. Vierta 10 ml de la sustancia, medidos con la pipeta, y pese nuevamente. Se recomiendarevisar la calibracin de la balanza antes de cada medicin.

3. Repite cada 10 ml, de sustancia para formar una tabla de masa contra volumen, hastaV= 100 ml. (1cm3 = 1 ml).

Tabla 1.1. Masa determinada por una adicin contina de lquido

Masa (g) Volumen ( cm

3

)m1 10.0

m2 20.0

m3 30.0

. .

m10 100.0


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La masa corresponde al lquido exclusivamente. Al peso de la probeta con el lquido deberestarse el de la probeta vaca en cada caso.

4. Con los datos de la tabla obtenida para cada sustancia, puede obtenerse la densidadabsoluta aplicando un ajuste estadstico de datos. Es recomendable nombrar a las

sustancias "1" y "2" para no confundirlas.Para los siguientes objetivos, todo el equipo trabajar junto.

Densidad relativa:

1. Calibre la balanza y pese el picnmetro vaco, incluyendo su tapa. Anote el resultado,no olvide revisar que est bien limpio y seco.

2. Llene el picnmetro con agua (destilada de preferencia) hasta que rebose y tpelo. Tratede eliminar cualquier burbuja interna de aire inclinando ligeramente el picnmetro altapar. Seque por fuera el picnmetro. Pese y anote el resultado.

3. Vace el agua del picnmetro y seque bien, llnelo ahora con la sustancia "1" de la

misma manera que como se procedi con el agua y pese, anote el resultado.4. Vace el picnmetro y llnelo, finalmente, con la sustancia "2" pese y anote el

resultado.

5. Con las mediciones realizadas puede obtenerse fcilmente la densidad relativa respectoal agua, de cada sustancia mediante la frmula:

sustanciarelativa sustancia

agua

m

m =

donde las masas contenidas en el picnmetro, corresponde exclusivamente a lasustancia (debe restarse el peso del picnmetro y la tapa) y al agua con igual volumen(medido por supuesto con el mismo picnmetro y restando tambin el peso delpicnmetro). Compare los resultados con los dados en tablas.

Densidad de una mezcla:

1. Calibre una balanza y pese una probeta limpia y seca. Anote el resultado.

2. Vierta con cuidado 5 ml de sustancia "1" y 5 ml de la sustancia "2", medidos con lamisma pipeta (tenga cuidado al medir las cantidades, la mezcla es homognea). Pese los10 ml de mezcla obtenidos y anote.

3. Vuelva a adicionar 5 ml de cada sustancia y anote el peso de la mezcla. Repita elprocedimiento hasta un volumen final de la mezcla de 100 ml y forme la siguiente tabla

con los datos:

Tabla 1.2. Masa determinada para una mezcla de volmenes equivalentes de dos lquidos

Masa mezcla (g) Volumen ( cm3)

m1 10.0

m2 20.0

. .


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m10 100.0

4. Aplique un tratamiento estadstico de datos a la tabla anterior para obtener la densidadabsoluta de la mezcla.

En teora:1 2

mezcla 1 2mezcla mezcla

V V

V V = +

Como se verti exactamente la mitad de cada sustancia,

1 2mezcla 2

+=

Compare este resultado terico, con el valor obtenido experimentalmente en el paso 4.


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13.ECUACIN BSICA DE LA ESTTICA DE FLUIDOS

OBJETIVO Verificar la ecuacin fundamental de la esttica de los fluidos.

Analizar el comportamiento de dos fluidos en un tubo en U.

Determinar el comportamiento de un fluido en un sistema de vasos comunicantes.

MATERIAL Y EQUIPO

1. Tubo en U

2. 2 vasos de precipitados

3. Pipeta de 10 ml4. Regla de 30 cm

5. Hilo de nylon

6. 2 lquidos inmiscibles (agua y aceite)

PROCEDIMIENTO

Ecuacin fundamental de la esttica de fluidos:

Nota: Se supone que se conoce la densidad de los lquidos que se usan.

Figura 2.1. Montaje para el tubo en U

En la Figura 2.1 la presin en los puntos 1 y 2 tienen el mismo valor pues estn dentro dellquido manomtrico al mismo nivel. De la ecuacin fundamental de la esttica de fluidos:

1 0 1P P gH= +

2 0 2P P gh= +

1. El experimento consiste en medir h y H y obtener 1P y 2P para compararlas.

2. Realizar unas 10 mediciones con diferentes valores de H.

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hH


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Vasos comunicantes:

Analizar el nivel alcanzado por un fluido en un sistema de depsitos intercomunicados dediferente forma y tamao.

1. Ubicar el sistema de depsitos sobre una superficie plana.2. Adicionar un volumen conocido de lquido a cualquiera de los depsitos.

3. Determinar el nivel alcanzado por el lquido en cada depsito.

4. Estimar el volumen en cada depsito.

5. Obtener el volumen total del sistema de depsitos.

ACTIVIDADES ADICIONALES

1. Si inicialmente el tubo en U contiene solo agua, cmo es el nivel en cada una de lasramas? Cul es la presin en la superficie libre de cada una de las ramas?

2. Cul es la presin en el fondo del tubo en U, debido solo al agua?

3. Cul es la presin absoluta en el fondo del tubo en U?

4. Si se vierte aceite a una de las ramas. qu pasa con el nivel del agua? Explique.

5. Cul es la expresin para encontrar la presin que ejerce la columna de aceite en elagua, punto de interfase (punto 1)?

6. Cul es la expresin para encontrar la presin absoluta que ejerce la columna de aceiteen el agua, punto de interfase (punto 1)?

7. Cul es la expresin para encontrar la presin absoluta en el punto 2 de la rama de

agua al mismo nivel del punto de interfase?8. Si se comparan las presiones absolutas en los puntos 1 y 2 Cmo son? Justifique su

respuesta.

9. Con base en la informacin anterior, muestre mediante un procedimiento algebraicocmo encontrar la densidad del aceite

10.Si en lugar de aceite la presin fuera ejercida por gas, produciendo el mismo desnivelen la columna de agua cunto valdra la presin ejercida solo por el gas (presinmanomtrica)?


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14.PRINCIPIO DE ARQUMEDES

OBJETIVO Verificar experimentalmente la existencia del empuje o fuerza de flotacin que

sufre un cuerpo sumergido en un lquido.

Comparar el empuje que recibe un cuerpo al sumergirse en lquidos diferentes.

Determinar la densidad de slidos.

MATERIAL Y EQUIPO

1. Balanza

2. 2 Vasos de precipitados

3. 1 probeta graduada de 100 ml

4. Caja de masas

5. Calibrador

6. Hilo

7. Plastilina, agua y gasolina

PROCEDIMIENTO

Estudio de la fuerza de empuje.

En esta parte deben obtenerse dos tablas de datos similares a las siguientes para 5 trozos deplastilina de diferentes tamaos:

Tabla 3.1. Fuerzas de empuje para plastilina en agua

Trozo Volumen Masa Peso en aire Peso en agua Empuje del agua

1

2

3

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7. Podra determinarse con una balanza hidrosttica la densidad de un lquidodesconocido? En caso afirmativo, cul sera el procedimiento a seguir, utilizandonicamente los medios de que dispone para la realizacin de esta prctica? Seraimportante tener en cuenta la temperatura del lquido? Por qu?

8. Podra determinarse con esta balanza la densidad de un slido menos denso que elagua? Justifquese.


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15.VISCOSIMETRAOBJETIVOS

Determinar viscosidades de un lquido mediante mtodo de flujo laminar Determinar el efecto de la temperatura sobre la viscosidad de un lquido Determinar la viscosidad de un lquido mediante el mtodo de la esfera descendente

MARCO TERICO

En un fluido newtoniano, el gradiente de velocidad es proporcional al esfuerzo cortante. Laconstante de proporcionalidad se llama viscosidad y se define mediante la ecuacin:i = du/dydonde:

i = esfuerzo cortante = viscosidaddu/dy = gradiente de velocidad

o escrita como funcin de fuerza:

f = A v / af= fuerza requerida para que una capa de un fluido (con viscosidad ) de rea A se muevaa una velocidad v con respecto a otra capa de la misma rea separada por una distancia a

Un cuerpo sumergido en un fluido en movimiento experimenta dos fuerzas que son: fuerza

de resistencia al arrastre paralela al movimiento y la fuerza de sustentacin que esperpendicular a la direccin del flujo de fluido sin perturbar. Estas fuerzas dependen de laviscosidad del fluido.

La frmula dimensional de la viscosidad absoluta es la siguiente:[] = ML-1t-1

En sistema cgs, la unidad de viscosidad recibe el nombre de poise y se define:1 poise = 1 g/(cm * s)g = gramoscm = centmetross = segundos

En unidades inglesas, la viscosidad absoluta se expresa en lb / (pie * sg) mediante elsiguiente factor de conversin:1 poise (p) = 0.0672 lb/(ft * sg)

Para determinar la viscosidad podemos utilizar varios mtodos entre ellos: flujo laminar yesfera descendente. Las ecuaciones requeridas son:

1. Ecuacin poiselle (mtodo flujo laminar).


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= D4 (P1 P2)128 v L

= viscosidadD = Dimetro interno del tubov = flujo volumtrico (volumen V de fluido por unidad de tiempo, a travs de un capilar dedimetro D y longitud L)(P1 P2): diferencia de presin

2. Ecuacin para mtodo de esfera descendente. = 2 r2 ( 0) g

9 V

= viscosidadr = radio de la esfera

= densidad del cuerpo que cae (esfera)o = densidad del fluidog = aceleracin de la gravedadV = velocidad promedio de cada de la esfera (distancia recorrida en unidad de tiempo)

MATERIAL Y EQUIPO

1. 1 Bureta o pipeta de 25 ml2. 1 Probeta 50 o 100 ml3. 2 vasos de precipitados (100 y 400 ml)4. cronmetro5. esferas6. termmetro7. calibrador8. balanza9. estufa10.l lquidos/aceites11.agua12.jabn y toalla pequea.

PROCEDIMIENTO

METODO DE FLUJO LAMINAR:Este mtodo para determinar la viscosidad de un fluido, consiste en medir la velocidad delflujo de fluido a travs de un tubo cilndrico largo (pipeta o bureta).

1. Agregar la sustancia problema a una bureta2. Abrir completamente la llave de la bureta y medir el tiempo que tarda en pasar de

un volumen inicial igual al volumen de la bureta hasta un volumen finaldeterminado.

3. Repetir el procedimiento con la muestra a 40C4. Repetir el procedimiento con agua y las mismas condiciones (muestra de

referencia).


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Datos: H2O 20C = 1.005 cp H2O 40C = 0.656 cp (cp = centipoises)

METODO DE LA ESFERA DESCENDENTE.

1. Para la esfera medir la masa y el dimetro (con un calibrador) . (calcular ladensidad de la esfera)

2. Colocar el lquido en la probeta hasta un nivel tal que pueda dejar caer la esferadesde dicho nivel exactamente.

3. Dejar caer la esfera4. Medir el tiempo que tarda la esfera en caer desde la superficie del lquido hasta el

fondo del recipiente.5. Medir la altura del lquido para determinar la velocidad de la esfera en caer.6. Repetir con agua (si la esfera no es muy pesada y no se corre riesgo de romper el

fondo de la probeta).


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(15). VISCOSIDAD

OBJETIVO Determinar la velocidad terminal de sedimentacin de una partcula en un fluido.

Determinar el coeficiente de viscosidad de un fluido viscoso.

Determinar el efecto de la temperatura sobre la viscosidad de un lquido.

MATERIAL Y EQUIPO

1. Balanza

2. Bureta o pipeta de 25 ml

3. Probeta de 50 o 100 ml4. 2 vasos de precipitados (100 y 400 ml)

5. Termmetro

6. Cronmetro

7. Calibrador

8. Estufa

9. Metro

10.Esferas metlicas

11.Aceite y agua

PROCEDIMIENTO

La viscosidad puede considerarse como el rozamiento interno de un fluido. Debido a laviscosidad, es necesario ejercer una fuerza para hacer que una capa lquida se deslice sobreotra. Tanto los gases como los lquidos presentan viscosidad, aunque los lquidos sonmucho ms viscosos que los gases. Las viscosidades de todos los fluidos dependenfuertemente de la temperatura, aumentando en el caso de los gases y disminuyendo en el delos lquidos cuando aumenta la temperatura. Un aspecto importante de la fabricacin deaceites lubricantes para motores es la de reducir la variacin de la viscosidad con la

temperatura al mximo.

Las unidades de la viscosidad es el poise, donde:2

dina s1 poise 1

cm=


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Viscosidad (Flujo laminar)

Figura 8.1. Sistema de tubera empleado como viscosmetro

Cuando se considera que un fluido viscoso se desplaza en rgimen laminar totalmentedesarrollado en una tubera circular es posible utilizar la ecuacin de Hagen Poiselle en la

determinacin de la viscosidad. Para el viscosmetro propuesto la expresin que permiteestimar la viscosidad (despreciando la prdida de energa a la entrada la tubera) es:

4

128 8

d gH Q

LQ L

=

donde: Q es el caudal, es la densidad y es la viscosidad del fluido.

1. Mantenga cerrada la salida de la tubera mientras llena el recipiente con el aceite.

2. Mida las dimensiones H, L y d.

3. Determine el caudal Q recogiendo un volumen de fluido en un tiempo medido.

4. Repetir el procedimiento con la muestra a una temperatura de 40 C.

5. Repetir el procedimiento con agua (sustancia de referencia)

Nota: La relacin del rea de seccin transversal del tanque con la de la tubera debe sergrande de tal manera que la altura H no cambie apreciablemente durante el perodo detiempo para recoger el fluido.

Viscosidad (Ley de Stokes)

Cuando un fluido ideal de viscosidad nula se mueve alrededor de una esfera, o cuando unaesfera se mueve dentro de un fluido estacionario, las lneas de corriente forman un modeloperfectamente simtrico en torno a la esfera. La presin ejercida por el fluido en cada punto

de la superficie de la esfera es la misma, y la fuerza resultante es cero. Sin embargo, si elfluido es viscoso habr un arrastre viscoso sobre la esfera. La fuerza de viscosidad para elcaso particular de una esfera fue deducida por Sir George Stokes en 1845 y se denominaLey de Stokes; el equilibrio de fuerzas que se establece cuando la velocidad dedesplazamiento se hace constante hace que la ley de Stokes pueda representarse mediante lasiguiente expresin:

( )2

18P P

t

gD

u

=

d

H

D

L


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donde: tu es la velocidad de la esfera con respecto al fluido, PD es el dimetro y P la

densidad de la esfera.

1. Establezca una marca superior en la probeta para la cual supondr que la esfera haalcanzado la velocidad lmite constante. Establezca una marca inferior, y mida ladistancia entre las marcas.

2. Deposite la esfera en la columna de fluido y soltndola suavemente. Cuando la esferapase la marca superior se pone en funcionamiento el cronmetro y se detiene al alcanzarla marca inferior.

3. Experimentar con esferas de distinto dimetro.

4. Anotar para cada experiencia la distancia entre marcas, el tiempo, y los datos sobre elfluido y los referentes al material de la esfera. Complete la Tabla 5.1.

5. Hallar el valor medio de los datos obtenidos de la viscosidad.

6. Repetir el procedimiento con la muestra a una temperatura de 40 C.

7. Repetir el procedimiento con agua (Si la esfera no es muy pesada y no se corre el riesgode romper el fondo de la probeta).

La velocidad lmite corresponder a la velocidad terminal de sedimentacin de la esfera.

Tabla 8.1. Determinacin de la viscosidad

Esfera Dimetro(m)

Desplazamiento(m)

Tiempo (s) Velocidad lmite(m/s)

Viscosidad(Kg/m s)


1. A nivel molecular, a qu se deben las fuerzas de viscosidad?

2. Si el cuerpo esfrico es una burbuja de aire, esta asciende en lugar de descender, cmoqueda la primera ley de Newton en dicho caso?

3. Existe alguna relacin entre la unidad de viscosidad mencionada aqu (poise) con la

unidad manejada en los aceites para motores (Nmero SAE)?4. Cul es el error porcentual en el clculo de la velocidad terminal? Enumere todas las

posibles fuentes de error (instrumentales, accidentales, etc.)

5. Qu ocurre si el fluido no presenta flujo laminar?

6. Cul es la precisin de cada mtodo? A qu atribuye la diferencia?

7. De acuerdo con el tipo de fluido cul mtodo recomienda y por qu?


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16.CALIBRACIN DE UN TERMMETRO DE MERCURIO

OBJETIVOS Determinar el punto cero con su correspondiente incertidumbre.

Determinar el punto de ebullicin del agua con su incertidumbre.

Determinar el valor del valor del factor de escala.

Determinar la depresin del cero.

MATERIAL Y EQUIPO

1. Termmetro

2. 2 Tubos de ensayo3. Estufa (Incluyendo malla de asbesto)

4. 2 Pinzas

5. 2 Vasos de precipitados

6. Hielo, alcohol y parafina

PROCEDIMIENTO

Un termmetro de mercurio consta bsicamente de un depsito de vidrio que se prolongaen una varilla provista de un tubo capilar vaco (Figura 4.1), por el que asciende el mercurioal dilatarse, como consecuencia de la absorcin de calor. Sobre la varilla se graba unaescala graduada. La lectura X en la escala est relacionada con la temperatura T a la que seencuentra el termmetro.

Figura 4.1. Esquema general de un termmetro


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Calibrar un termmetro no es ms que encontrar la relacin matemtica entre X y T. Paraello, se utilizan dos temperaturas conocidas que en este caso sern la de fusin del hielo fT

y la de ebullicin del agua eT . La fusin y la ebullicin son transiciones de fase que, a

presin constante, ocurren a una temperatura determinada, que se conoce con muchaprecisin y se mantiene constante a lo largo del proceso de transicin.

Si la lectura del termmetro es, respectivamente, fX y eX y si se supone que la relacin

entre X y T es lineal, se tendr: ( ) ( )e ff f f fe f

T TT T X X T X X

X X

= + = +

Esta es la ecuacin de la recta que pasa por los puntos ( ),f fT X y ( ),e eT X . La pendientede la recta se llama factor de escala termomtrica.

La temperatura de fusin del agua apenas se ve afectada por los cambios de presin, de

modo que podemos tomar 0CfT=

. En este caso, la lectura fX se denomina punto cerodel termmetro.

Por el contrario, la temperatura de ebullicin eT es muy sensible a la presin. Por ello, para

calibrar el termmetro se necesita conocer con bastante precisin la presin atmosfrica enel laboratorio y, a partir de ella, la temperatura de ebullicin eT .

Determinacin del punto cero

En un vaso con hielo finamente picado se introduce el termmetro. Para estar seguros deque el sistema est en el punto de fusin, es preciso aadir una cierta cantidad de aguamezclndola bien con el hielo y esperar (unos 5 minutos) hasta que el nivel del mercurio en

el termmetro se estabilice; cuando esto ocurre, el nivel del mercurio marca el punto cerodel termmetro, fX . La lectura ha de realizarse con cuidado para evitar el error de

paralaje.

Determinacin del factor de escala

1. Se vierte agua en el calormetro hasta aproximadamente los 2/3 de su volumen. Acontinuacin se introduce el termmetro de manera que su bulbo quede fuera del agua.Se enciende la estufa y se espera a que hierva el agua durante unos minutos, al cabo delos cuales se hace la lectura fX .

2. Para determinar la temperatura de ebullicin del agua, es necesario conocer la presin

atmosfrica.Depresin del cero

1. Si inmediatamente despus de observar el punto de ebullicin, se introduce eltermmetro de nuevo en el hielo para volver a determinar el punto cero, se observa queel nivel del mercurio est por debajo de la lectura anterior fX . Ello se debe a la

histresis del vidrio, el cual no recupera instantneamente el volumen primitivo despusde haberse dilatado.


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2. Si la nueva lectura es fX , a la diferencia f fX X , se la denomina depresin de cero.

Este valor no aparece en la relacin entre X y T. Sin embargo, brinda informacinvaliosa sobre la fiabilidad del termmetro, especialmente cuando se miden temperaturasque varan rpidamente.

Comprobacin de la escala

Con el termmetro calibrado mida la temperatura: ambiente en el laboratorio, de ebullicinde alcohol etlico y de fusin de parafina. Utilizando el siguiente mtodo:

1. Se introduce una pequea cantidad de sustancia en un tubo de ensayo.

2. Se sujeta el tubo de ensayo al termmetro.

3. El conjunto se coloca en un vaso de precipitados con agua de tal manera que el bulbodel termmetro y la sustancia queden por debajo del nivel del lquido.

4. Se calienta suavemente observando la sustancia.

5. En el momento en que esta cambie de fase, se anota la temperatura la cualcorresponder aproximadamente a la transicin de fase indicada.


1. Qu se entiende por calibracin de un instrumento?

2. A qu se denomina error de paralaje y como se evita al hacer la lectura en untermmetro?

3. Cul sera el procedimiento para calibrar un termmetro en grados Fahrenheit?Cules seran las frmulas que habra que cambiar y como deberan escribirse?

4. Podra obtenerse el punto cero del termmetro introduciendo ste en un bloque dehielo directamente? Por qu el hielo ha de estar finamente picado y mezclado con agualquida?

5. Cuando se mide la presin atmosfrica con un barmetro es necesario realizarcorrecciones por temperatura y gravedad. En qu consisten estas correcciones?

6. Qu porcentaje de incertidumbre se comete en la medida de la presin atmosfrica?, sino se tiene en cuenta:

a. La correccin por temperatura

b. La correccin por gravedad

c. Ninguna de las dos correcciones7. Tendr sentido hablar de temperatura de una molcula?

8. Dos cuerpos inicialmente a diferente temperatura, si estn en contacto trmico, despusde un cierto tiempo alcanzan una temperatura intermedia estable que denominamostemperatura de equilibrio. Pueden, sin embargo, estar en equilibrio trmico doscuerpos que no estn en contacto trmico? Cmo se llama este principio lgico?

9. En qu caso un sistema no est en equilibrio consigo mismo? De un ejemplo.


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10.Teniendo como base el modelo de los gases ideales enumere las variablestermodinmicas macroscpicas y microscpicas. Qu sentido tienen las variablesmicroscpicas y macroscpicas.


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17.EXPANSIN VOLUMTRICA DE LQUIDOS

OBJETIVO Estudiar experimentalmente la dilatacin volumtrica de lquidos.

Determinar experimentalmente el coeficiente de dilatacin volumtrica de lquidos.

Obtener una grfica de la densidad de lquidos con la temperatura.

MATERIAL Y EQUIPO

1. Balanza

2. 2 tubos de expansin

3. Termmetro4. Estufa

5. Un vaso de precipitado de 1000 ml

6. Soportes

7. Regla

8. 2 lquidos diferentes

PROCEDIMIENTO

El aumento de la temperatura ocasiona generalmente un aumento de volumen, tanto ensustancias slidas como en lquidas; se demuestra experimentalmente que, si la variacin dela temperatura no es demasiado grande, el aumento de volumen es aproximadamente,proporcional a la variacin de la temperatura. Igual que en el caso de la dilatacin lineal, estambin proporcional al volumen inicial.

Figura 5.1. Montaje para estimar la expansin volumtrica de un lquido

Tubo deexpansin

0

Termmetro


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1. Calentar suavemente el extremo de un tubo capilar, de dimetro conocido, girndolocontinuamente al fuego hasta que cierre completamente. Colocar en su interior unacantidad de lquido. Sellar el extremo superior del tubo dejando aire atrapado en esesector. Repetir el procedimiento para el otro lquido.

2. Fija los tubo en una regla de modo que su cero coincida con la parte sellada eintroducirla en un recipiente con agua fra junto a un termmetro (Figura 5.1), despusde dejar reposar un tiempo, anote la altura y la temperatura inicial de los lquidos.

3. Calienta el agua lentamente y revuelve, asegurando que los lquidos y el termmetro seencuentren a la misma temperatura. Lea simultneamente las alturas que ocupan loslquidos y las correspondientes temperaturas. Tome diez lecturas de estas, en lo posibleentre 25 y 90 C.

4. Convierta la altura de la columna en volumen utilizando el rea del capilar.

5. Grafique los datos experimentales con el volumen como funcin de la temperatura

0V V T= . Ajuste la grfica a una recta experimental.

6. La pendiente de esa recta ser el coeficiente de dilatacin volumtrica por el volumeninicial ( 0V ).

7. Con la balanza determine la masa de lquido contenida en cada tubo. Grafique ladensidad de cada lquido en funcin de la temperatura.


1. Discuta las posibles fuentes de error en el experimento.

2. En que consiste la dilatacin anmala del agua?

3. Cmo realizara este experimento con slidos? y con gases?

4. Si este experimento isobrico se realiza con un gas ideal cul ley permitira verificar?

5. Si se extrapola la lnea recta obtenida hacia el lado negativo de la escala de temperatura,qu significado tendr un valor de cero para el volumen?

6. En el experimento: El vidrio de los tubos se dilata? Afecta los resultados?

7. Cul es el efecto de la presin en el experimento?

8. Que opina de la prctica? Que sugiere para mejorarla?


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18.CALOR ESPECFICO

OBJETIVO Analizar el concepto de energa interna de un cuerpo, su origen y el modo en que se

manifiesta.

Determinar la masa equivalente en agua del calormetro.

Determinar experimentalmente el valor del calor especfico de algn material.

MATERIAL Y EQUIPO

1. Calormetro

2. Balanza

3. Termmetro

4. Estufa

5. Agitador de vidrio

6. Probeta de 250 ml

7. Vaso de precipitado

8. Tapones de corcho

9. Cubos de metal

PROCEDIMIENTO

El calor especfico o capacidad calorfica de una sustancia es el calor que debe transferirsea una unidad de masa para que esta aumente su temperatura en un grado Celsius.

QC

m T=

para determinarlo experimentalmente se utilizara un calormetro el cual consiste de dosvasos metlicos separados entre si por un material aislante y cubierto por una tapa tambinaislante provista de un orificio a travs del cual se introduce un termmetro.

En esta prctica el calormetro se considerar como una "caja negra" para efecto de losclculos necesarios, es decir, no se hay que preocuparse de sus caractersticas especficas,solo de su propiedad de absorber o ceder calor, y como esta es una propiedad de todas lassustancias, en particular del agua, resulta sugestivo considerar al calormetro como la masade agua necesaria para que con la cantidad de calor transferida por el calormetro seproduzca en ella la misma diferencia de temperaturas del calormetro.

calormetro calormetroA EQ C m T =

donde: Em = Masa equivalente en agua del calormetro.


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De esta forma se cuantificar el calor absorbido o cedido por el calormetro en los clculosnecesarios para la determinacin del calor especfico del metal.

Determinacin de la masa equivalente:

1.

Colocar una masa ( Am ) de agua a la temperatura ambiente ( 0T ) en el calormetro.2. Calentar agua ( Am ) hasta una temperatura ( 0T ).

3. Vaciar el agua caliente en el calormetro y esperar a que se alcance el equilibrio ( FT ).

Como: calormetro A AQ Q Q+ =

( ) ( ) ( )0 0 0E A F A A F A A Fm C T T m C T T m C T T + =

( ) ( )

( )0 0

0

A F A FE

F

m T T m T T m

T T

+ =

Determinacin del calor especfico del metal ( Cm ):

1. Colocar los tubos de masa Cm en el calormetro. Calentar una masa ( Am ) de agua,

vaciarla en el calormetro y tomar la temperatura ( 0T ) de equilibrio.

2. Vaciar en el calormetro una masa ( Am ) de agua a temperatura ambiente ( 0T ).

3. Esperar a que se alcance el equilibrio ( FT ).

Como: calormetro cubosA AQ Q Q Q+ + =

( ) ( ) ( ) ( )0 0 0 0E A F A A F C M F A A Fm C T T m C T T m C T T m C T T + + =

( ) ( ) ( )

( )0 0

0

A F E A FM A

C F

m T T m m T T C C

m T T

+ + =

Observaciones:

1. En esta prctica resulta muy importante hacer cuidadosamente las lecturas detemperatura en el momento apropiado.

2. Cudese de no vaciar agua en el aislante, ya que esta tomar parte en el intercambio decalor que se llevar a cabo en el calormetro.

3. La prctica resultar ms precisa si la masa de los cubos es grande (>100 g.)


1. Qu se entiende por energa interna de un gas encerrado en un recipiente aisladotrmicamente, un termo por ejemplo?

2. Corresponde la energa interna de un gas al calor? o a su temperatura?


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3. Qu relacin existe entre el calor cedido o absorbido (Q) y la variacin de energainterna (U) que experimenta un gas en un proceso termodinmico?

4. Puede un trozo de hielo poseer mayor energa interna que cierta cantidad de agua enestado lquido o de vapor?

5. Cuntas maneras hay de cambiar la energa interna de un sistema?


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(18). CAPACIDAD CALORFICA

OBJETIVO

Determinar la capacidad calorfica de un calormetro simple, y utilizarla paraobtener la capacidad calorfica de un metal.

MARCO TEORICO

Se define la capacidad calorfica (o calor especfico) (C) como la cantidad de calor (q), paraelevar la temperatura desde T1 hasta T2 de una masa (m) de un material las unidadesrespectivas usuales son:Cal /(mole*K), y Cal/(gr*K). La ecuacin general que define la capacidad calorfica es:

C = dq

mdTdq y dT representan el cambio infinitesimal de calor y temperatura respectivamente.

Esta prctica se desarrolla con lquidos a temperaturas tales que la transmisin de calor seade carcter sensible nicamente, para que se cumpla que el calor ganado expresado como(m Cp dT) debe ser igual al calor perdido (m Cp dT); por esta razn se debe conocer lacapacidad calorfica del recipiente donde se efecta la medida, puesto que tambinconsume calor.

MATERIAL Y EQUIPO

1. Termo de 250 ml2. Termmetro3. Agitador de vidrio4. Tapn de corcho bihoradado.5. Probeta de 250 ml6. Vaso de poliestireno termo expansible (icopor)7. Tubo de ensayo de 29 x 200mm8. Vaso de precipitado de 400 ml9. Estao metlico en granalla.

PROCEDIMIENTO

CAPACIDAD CALORFICA DE UN TERMO

Coloque dentro del termo o un calormetro m1 = 50 g de agua a 25C, tpelo colocando enel orificio del corcho o de la tapa, un termmetro de escala de precisin; agite hastaobtener en el termmetro una lectura constante de temperatura y regstrela como Tl,mantenga tapado el recipiente. Mientras tanto, coloque 60 gramos de agua en un vaso deprecipitados previamente pesado y caliente hasta 50C, cuando se encuentre a 50C mida


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la masa exactamente de agua y registre este valor como m2, mida nuevamente latemperatura y registre como T2.Agrgue el agua caliente lo ms rpidamente posible al termo, con agua a 25C y taperpidamente, coloque el termmetro dentro del vaso de precipitados y agite hasta obtener

una temperatura constante (T3).Suponiendo la masa de transferencia de calor del calormetro como despreciable, seprocede a calcular la capacidad calorfica C del calormetro (termo), aplicando la ecuacinsiguiente y considerando que el calor especfico del agua (Cpa) es igual al cal/(g*K).

m2 * C pa (T2 T3 ) = (C + C pa * m1 ) * (T3 - Tl )Una vez determinado C se seca muy bien el termo y se realiza la prueba para el metal.

CAPACIDAD CALORFICA DE UN METAL

Mida la masa de la esfera metlica a la cual va a medir la capacidad calorfica y regstrelacomo m3.

Coloque durante 15 minutos la esfera metlica en un vaso de precipitados que contengaagua en ebullicin, anote exactamente la temperatura del agua en ebullicin (T4)

Coloque dentro del termo o un calormetro m1 = 50 g de agua a 25C, tpelo colocando enel orificio del corcho o de la tapa, un termmetro de escala de precisin; agite hastaobtener en el termmetro una lectura constante de temperatura y regstrela como Tl,mantenga tapado el recipiente.

Levante el tapn del calormetro y vierta, lo ms rpidamente posible, el metal a la T 4,teniendo cuidado de que no entre ninguna cantidad adicional de agua. Tape el calormetro,agite y anote la temperatura mxima leda en el termmetro (T5).

Calcule el calor especfico del metal (Cp) conociendo la capacidad calorfica (C) del termoy los datos experimentales obtenidos; considere el calor especfico del agua igual a lcal/(g*oK).

m3 * Cp (T4 T5) = (C + Cpa *m1 ) * (T5 Tl)

Cpa: Calor especfico del aguaCp: Calor especfico del metal


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19.PROPIEDADES DE SUSTANCIAS PURAS (PRESIN DE VAPOR)OBJETIVO

Determinar experimentalmente la presin de vapor de una sustancia.

MARCO TERICO

La presin de vapor es la presin que ejercen en un lquido las molculas que se encuentranen fase vapor a una temperatura determinada, debido a la velocidad de las partculas en sumovimiento interno. Para entender mejor esto supongamos que colocamos una cantidadmuy pequea de agua en un recipiente y la dejamos abierta al ambiente a una temperaturapromedio de 15C, despus de un tiempo prudencial observamos que el agua se haevaporado completamente y nunca lleg a la temperatura de ebullicin, esto es debido a

que internamente las partculas de agua se evaporan y condensan constantemente, laspartculas que se encuentran en fase vapor ejercern presin sobre el sistema y lograrnescapar hasta evaporarse completamente la cantidad inicial de agua.

La presin de vapor cambia proporcionalmente con la temperatura, hasta llegar a unatemperatura en la cual la presin de vapor es igual a la presin atmosfrica, esta esdenominada la temperatura de ebullicin o punto de ebullicin de la sustancia.

La temperatura de ebullicin es la temperatura a la cual la presin de vapor del lquido esigual a la presin atmosfrica. En un lquido puro, la temperatura se mantiene constantedurante el proceso de ebullicin. Si el lquido no es puro, la temperatura aumenta

gradualmente durante la ebullicin.

MATERIAL Y EQUIPO

Para presin de vapor: (PRECAUCION: SOLVENTES MUY VOLATILES NOACERCAR DIRECTAMENTE A LA LLAMA)

1. Amoniaco (para calentar usar agua a 40C)2. Acetona (usar agua a 50C)3. Etanol (usar agua a 85C)4. Agua

5. Baln fondo plano 250 mL con tapa corcho para conexin a tubo en U6. Pinza mohor o similar7. manmetro (tubo en U)8. Pipeta9. vaso de precipitados 500 mL10.Estufa11.Bao de mara


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PROCEDIMIENTO

Hacer el montaje de la figura, colocar agua en el manmetro e igualar los niveles con elsistema cerrado; colocar el baln dentro de un bao de agua a la temperatura que se desea

hacer la determinacin; esperar 2 minutos, igualar los niveles nuevamente abriendo la pinzade mohor. Aadir al baln mediante la pipeta entre 2 y 3 mL del lquido. Cerrar la pinza ytomar tiempo, despus de 10 minutos leer el desnivel producido que ser la presin devapor del lquido medida en cm o mm de agua Expresarlo en mmHg (Si no hay desnivel,se debe desconectar el baln, lavar, secar y empezar nuevamente).

pinza

pipeta

manmetr


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20.CALOR LATENTE Y CALOR SENSIBLEOBJETIVO

Determinar y analizar la curva tiempo-Temperatura para el cambio de fases del aguacuando se suministra calor.

MARCO TERICO

Las sustancias puras pueden cambiar de fase cuando se suministra o retira calor, estoscambios se pueden analizar midiendo el tiempo y la temperatura.

Cuando a una sustancia pura en fase slida se le suministra calor, se observar que existeun aumento de temperatura hasta el punto de fusin que es la temperatura a la que la

sustancia pasa del estado slido al lquido. Si la sustancia es pura, la temperatura semantiene constante durante la fusin, y slo empieza a subir si se ha fundido todo elslido. El punto de fusin de un slido impuro es muy diferente. Generalmente, el slidocomienza a fundir a una temperatura inferior al punto de fusin de la sustancia pura.Adems, la temperatura aumenta progresivamente durante la fusin, lo que es una muestrade impurezas en el slido.

Cuando el slido se ha fundido completamente, tenemos el sistema en fase lquida y latemperatura comienza a aumentar nuevamente hasta que el lquido alcanza la temperaturade ebullicin, o sea la temperatura a la que la presin de vapor del lquido es igual a lapresin atmosfrica. En un lquido puro, la temperatura se mantiene constante durante el

proceso de ebullicin. Si el lquido no es puro, la temperatura aumenta gradualmentedurante la ebullicin.

En las etapas de cambio de fase (fusin, ebullicin) existe transferencia de calor sinaumento de temperatura, esta transferencia se denomina calor latente, en las etapas de unasola fase, s se observa el cambio de temperatura y hablamos de calor sensible.

En esta prctica no vamos a calcular la cantidad de calor, sino el tiempo que se requiere encada etapa.

MATERIAL Y EQUIPO

1. Vaso de precipitados2. agitador3. Hielo4. agua5. Termmetro6. Cronmetro7. estufa


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PROCEDIMIENTO

Colocar 150 gr de agua slida (hielo triturado) en un vaso de precipitados, medir latemperatura inicial, calentar lentamente (estufa en medio) y medir la temperatura cada dos

minutos, continuar con la agitacin hasta que el agua se ha evaporado completamente(OJO: el termmetro no es un agitador y generalmente se rompe). Elaborar una curvaTiempo-Temperatura, anotando los cambios de fase.


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21.ENTALPA DE FUSIN DEL HIELO

OBJETIVOS Determinar la entalpa de fusin del hielo utilizando el mtodo de las mezclas.

Determinar el equivalente en agua del calormetro.

MATERIAL Y EQUIPO

1. Calormetro

2. Balanza

3. Termmetro

4. Estufa5. Agitador de vidrio

6. Probeta de 250 ml

7. Vaso de precipitado

8. Hielo y agua

PROCEDIMIENTO

La entalpa de fusin del hielo, fH , (tambin denominada calor latente de fusin), se

define como la cantidad de calor necesaria para pasar la unidad de masa de hielo del estadoslido al lquido a la temperatura de fusin del mismo. Si la presin bajo la cual se produceel cambio de fase se mantiene constante e igual a 1 atmsfera, la temperatura de fusintambin se mantiene constante y es igual a 0C.

Se puede determinar el calor latente de fusin midiendo cmo vara la temperatura de unamezcla de agua y hielo cuando ste se funde. Para evitar intercambios de calor con elmedio, se debe hacer la mezcla dentro de un calormetro, el cual es, simplemente, unrecipiente cerrado y trmicamente aislado.

Determinacin del equivalente en agua del calormetro

Cuando en un calormetro se coloca un lquido a temperatura distinta de la suya, el

calormetro absorbe (o cede) algo de calor. A la hora de hacer el balance calorimtrico esposible imaginar que el calormetro se comporta como una cantidad de agua adicional quehubiera que calentar o enfriar al hacer cualquier mezcla. Se define por tanto el equivalenteen agua del calormetro como la masa de agua que absorbera (o cedera) la misma cantidadde calor que el calormetro, para modificar su temperatura desde la inicial del calormetro ala final del mismo.

1. Para determinar el equivalente en agua del calormetro, comience por pesar elcalormetro vaco y seco, y anote el valor de la masa obtenido Calm .


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2. Tome una cantidad de agua (unos 200 cm3) y, utilizando la estufa, calintela hasta unos10 C por encima de la temperatura ambiente. Una vez caliente, vierta esta agua en elcalormetro y cirrelo. Determine ahora la masa del calormetro con el agua

( )Cal + agua ,1m . La masa de agua aadida, Am se obtendr por diferencia entre las dos

pesadas anteriores.3. Observe cmo evoluciona el nivel del mercurio en el termmetro del calormetro;

cuando este nivel se estabilice, anote el valor de la temperatura del sistema (agua +calormetro), 1T .

NOTA: El calormetro debe mantenerse continuamente tapado durante todos losexperimentos. Slo se destapar cuando haya que poner algo dentro de l.

4. Mientras se estabiliza la temperatura en el calormetro, tome unos 200 cm3 de agua yenfrelos aadiendo un poco de hielo picado (hasta unos 10C por debajo de latemperatura ambiente).

5. Cuando se ha enfriado el agua y en la mezcla no queda nada de hielo, se toma nota de latemperatura de esta agua fra, 2T , se vierte en el calormetro y se tapa. Note que ha

medido la temperatura del agua fra antes de ponerla en calormetro.

6. La masa de agua fra aadida, Bm se obtiene pesando de nuevo el calormetro con el

agua caliente y fra. Si la masa total es ahora ( )Cal + agua ,2m , la masa de agua fra es:

( ) ( )Cal + agua ,2 Cal + agua ,1Bm m m=

7. Agite suavemente la mezcla en el calormetro, e introduzca el termmetro. Anote latemperatura de equilibrio de la mezcla finalT . En este proceso el calormetro y el agua

caliente ceden calor y bajan su temperatura, mientras que el agua fra recibe dicho calory aumenta su temperatura. Por consiguiente, la ecuacin de balance calorimtrico, en elequilibrio, tiene la siguiente forma:

( ) ( ) ( )1 final final 2A Bc m K T T cm T T + =

siendo c el calor especfico del agua, c = 4169 J/(kg K).

8. Por tanto, el equivalente en agua del calormetro K se calcula mediante la ecuacin:

( )

( )final 2

1 final

BA

m T TK m

T T

=

El procedimiento utilizado de mezclar distintas masas a distintas temperaturas y medir latemperatura final de equilibrio se denomina mtodo de las mezclas y se va a utilizarlotambin para la determinacin de la entalpa de fusin del hielo.

Determinacin la entalpa de fusin del hielo

1. Para determinar la entalpa de fusin del hielo, tome aproximadamente unos 40 g (lamedida precisa de esta masa le realizaremos ms tarde, por diferencia de pesadas) dehielo granizado y squelo lo ms posible sin tocarlo directamente con los dedos. En elcalormetro se tiene el agua que queda de la primera parte de la prctica.


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2. Justo antes de adicionar el hielo en el calormetro, lea y anote nuevamente latemperatura del calormetro con el agua, 3T (esta temperatura deber coincidir

prcticamente con la ltima que hizo, 2T , pero puede diferir ligeramente).

3. Tape el calormetro y siga atentamente la evolucin de la temperatura del sistema(calormetro, agua y hielo), durante unos minutos, hasta que todo el hielo se hayafundido. Para comprobar que el hielo se ha fundido, no necesita estar destapandocontinuamente el calormetro; lo sabr porque la temperatura deja de bajar y seestaciona en un cierto valor durante unos minutos. Esta temperatura se anota y sedenomina finalT .

4. En este ensayo, el calor cedido por el agua caliente y el calormetro deber igualar alcalor que ha tomado el hielo para fundirse (calor de fusin) ms el necesario para elevarsu temperatura desde la de fusin fusin 0 CT = hasta la temperatura de equilibrio finalT .

Si la masa de hielo es Cm , este balance se expresa como:

( ) ( )final fusin 3 final( )C f C Bm H cm T T c m K T T + = +

y por tanto, la entalpa de cambio de fase vendr dada por:

( )( )3 final final fusin

( )Bf

C

m K T T H c T T

m

+ =

Para medir la masa de hielo Cm , se pesa una vez ms el calormetro con todo lo que

contiene, y se le resta la masa anterior ( )Cal + agua ,2m


1. Cuales son las incertidumbres en la determinacin del: equivalente en agua delcalormetro, entalpa de fusin del hielo.

2. Por qu es preciso no tener hielo cuando se determina el equivalente en agua delcalormetro?

3. Si el equivalente en agua del calormetro es 50 g, significa esto que la masa delcalormetro es igual a 50 gramos?.

4. Cmo debera escribirse la ecuacin de balance energtico para incluir la posiblecircunstancia de que el trozo de hielo tenga una temperatura inferior a la de fusin?

5. Por qu el hielo aadido ha de estar seco cuando se trata de determinar su entalpa defusin?

6. Cuando se hace la determinacin del equivalente en agua del calormetro, se sugieretomar aproximadamente las mismas cantidades de agua y ajustar las temperaturas, demodo que el agua caliente est unos 10C por encima de la temperatura ambiente y lafra 10C por debajo. Cmo justifica esta sugerencia?

laboratorio termodinamica y fluidos

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