LAB 3C + CARATULA INFORME UJCM - FISICA 2 TERM DILAT Y CALOR

INFORME DE LABORATORIO N ….Nombre del Curso: Título: Nota: Autores: Código: Realizado:....../......./.......... Mesa ............................... 1. Observaciones: . . . 2. Conclusiones. . . . . . . . . 3. Recomendaciones. . . . . . . SEA Termología / Cambio de volumen Guía del alumno K102 Calibración de un termómetro Ejercicio • Realizar una escala Celsius para un termómetro. Fundamentos La escala Celsius fue introducida en 1742 por Anders Celsius. Ésta se define de tal forma que 0°C corresponde a la temperatura de fusión del hielo y 100°C a la temperatura del agua hirviendo, con presión atmosférica normal. La distancia entre esos dos puntos se divide en cien partes iguales. A cada división se le llama ‘Grado’. Aparatos del SEA de Termología (U8502000) 1 Varilla soporte con roscas externa e interna 1 Nuez doble 1 Matraz Erlenmeyer 1 Vaso de precipitados 1 Recipiente capilar con llenado de alcohol rojo 1 Termómetro 1 Tubo de ensayos 1 Agitador 2 Anillos en O 1 Quemador de alcohol Se requiere adicionalmente 1 Placa base SEA (U8408035) Agua Cubos de hielo 1 Hoja de papel Montaje y realización 1) Inserta los dos anillos en O en el recipiente capilar con llenado de alcohol. 2) Llena de agua el vaso de precipitados y remuévelo con el agitador para obtener agua helada de hielo. 3) Introduce el recipiente capilar con llenado de alcohol en el agua con hielo y sostenlo así que no toque el fondo del vaso (observa la Fig. 1) 4) Observa el llenado de alcohol hasta que su altura no siga cambiando. Marca esa altura con Fig. 1 Recipiente capilar en agua de hielo un anillo en O. 1 Termología / K102 Guía del alumno SEA 5) Atornilla la varilla soporte con roscas externa e interna en la segunda rosca de la placa base. 6) Monta el soporte de tubos de ensayo en la nuez doble (observa la Fig. 2). 7) Llena 50 ml de agua en el matraz Erlenmeyer y sujétalo en el soporte de tubos de ensayo. 8) Coloca el quemador de alcohol sobre la placa base y desplaza la nuez doble así de que el matraz quede a unos 3 cm por encima del quemador de alcohol. 9) Enciende el quemador de alcohol y calienta el agua hasta que empiece a hervir. 10) Retira el recipiente capilar con llenado de alcohol del vaso de precipitados y sumérgelo en el agua hirviendo del matraz. 11) Sostén el recipiente capilar con llenado de alcohol así que no toque el fondo del matraz. Fig. 2 Recipiente capilar en agua hirviendo 12) Observa la dilatación del llenado de alcohol hasta que no cambia y marca esa posición con el anillo en O superior. °C 13) Apaga la llama colocando la tapa. 14) Coloca el recipiente capilar con llenado de 100 alcohol rojo sobre la hoja de papel y marca en 90 el papel las posiciones de los anillos en O. 80 Denomina la posición del anillo en O para el 70 agua de de hielo como 0°C y la posición del 60 agua hirviendo como 100°C (observa la Fig. 3). 50 15) Divide la distancia entre las dos marcas en 10 40 partes iguales y asígnale a cada una la 30 indicación de temperatura para que dé por 20 resultado una escala. 10 16) Amplía la escala con indicaciones para 0 temperaturas de -10°C y + 110°C. 17) Sumerge el recipiente capilar con llenado de alcohol en el agua tibia en el matraz y marca Fig. 3 Divisiones de la escala con un anillo en O la posición del extremo del llenado de alcohol. 18) Por medio de tu escala determina el valor de la Evaluación temperatura. 1) Nombra algunas causas para posibles 19) Sumerge el termómetro en el agua tibia y deviaciones. contrasta tu valor de temperatura. Errores en la determinación de los puntos fijos p.ej. por la fijación muy acelerada del punto de fusión, por no haber agitado suficientemente el agua, o debido a la presión atmosférica no se logre llegar a los 100° C. 2) ¿Porqué se enfría el agua? Le entrega calor al medio ambiente por ello la temperatura disminuye. 2 SEA Termología / Cambio de volumen Guía del alumno K105 Cambio de longitud de cuerpos sólidos por calentamiento Ejercicio • Estudia el cambio de longitud de tubos metálicos por calentamiento y determina el coeficiente de dilatación lineal α. 3) Fija la segunda nuez doble a una altura de unos Fundamentos 20 cm y de ella soporte de tubos de ensayo. 4) Inserta el tubo metálico corto en un orificio del El coeficiente de dilatación lineal α de una tapón de goma y en el otro orificio el sustancia indica la variación de la longitud Δs de un termómetro. cuerpo de longitud s0 de esa sustancia por cambio 1 Δs 5) Une un extremo de la manguera con el tubo de temperatura Δϑ: α = ⋅ . metálico corto y el otro extremo con al tubo de s 0 Δϑ aluminio. Aparatos 6) Llena 50 ml de agua en el matraz Erlenmeyer y fíjalo en el soporte para tubos de ensayo. del SEA de Termología (U8502000) 7) Tapa el matraz Erlenmeyer con el tubo de goma 1 Varilla soporte con roscas externa e interna dotado del tubo metálico corto y el 2 Nueces dobles termómetro. 1 Matraz Erlenmeyer 1 Soporte de tubos de ensayo 8) Desplaza el termómetro en su altura de tal 1 Vaso de precipitados forma que su punta quede inmersa en el agua 1 Termómetro del matraz Erlenmeyer pero si tocar el fondo. 1 Tapón de goma con 2 orificios 1 Tubo metálico corto 9) Coloca perpendicularmente la escala angular 1 Manguera sobre la placa base y ajusta el índice en la 1 Quemador de alcohol marca “0”. 1 Tubo de aluminio 10) Desplaza en la altura la nuez doble inferior que 1 Tubo de latón lleva el tubo de aluminio, para que éste último 1 Tubo de acero pueda rodar sobre el índice (observa la Fig. 1). 1 Escala angular 1 Índice 11) Coloca el vaso de precipitados por debajo del extremo del tubo, para recoger el agua que Se requiere adicionalmente salga. 1 Placa base SEA (U8408035) 1 Cinta métrica (U10073) Agua Montaje Observación: ¡Ten cuidado de que los tubos metálicos utilizados no estén obstruidos, de lo contrario existe el riesgo de una explosión! 1) Atornilla la varilla soporte con roscas externa e interna en la primera rosca de la placa base l0 (observa la Fig. 1). 0 2) Fija una nuez doble en la varilla soporte a una 60 30 altura de unos 10 cm y de ella el tubo de 0 aluminio, así que 2 cm de éste sobresalgan hacia la izquierda de la nuez. Fig. 1 1 Termología / K105 Guía del alumno SEA Realización 1) Coloca el quemador de alcohol por debajo del matraz Erlenmeyer. 2) Desplaza la nuez doble superior en su altura, de tal forma que la distancia entre el fondo del matraz Erlenmeyer y el quemador de alcohol sea aprox. de 2 a 3 cm. 3) Determina la temperatura ambiental y anota el valor como ϑ0 en la tabla 1. 4) Determina la distancia entre el tornillo de apriete de la nuez doble inferior y el punto de descanso del índice y anota el valor como “longitud del tubo” s0 en la tabla 1. 5) Enciende el quemador de alcohol y calienta el agua hasta que ebulla y hasta que la desviación del índice no cambie debido a la salida de vapor de agua través del tubo. 6) Lee la temperatura y anota el valor en la tabla 1 como a ϑ1. 7) Lee la desviación del índice en grados y anota el valor en la tabla 1. 8) Apaga la llama del quemador de alcohol y espera hasta que el matraz Erlenmeyer se haya enfriado. 9) Determina la diferencia de temperatura Δϑ y anota el valor en la tabla 1. 10) Calcula la diferencia de longitud Δs y anota el valor en la tabla 1. 11) Calcula el coeficiente de dilatación lineal α y anota el valor en la tabla 2. 12) Compara a continuación el valor calculado con el valor bibliográfico. 13) Repite las mediciones con los tubos de latón y de acero. Evaluación d ⋅π Para la variación de la longitud Δs se tiene: Δs = ⋅β 180° β: Desviación del índice en grados, d: Espesor del alambre del índice Tabla 1: d = 1 mm s0 en mm ϑ0 en °C ϑ1 en °C β en ° Δϑ en °C Δs en mm Tubo de aluminio 280 23 94 27 71 0,47 Tubo de latón 280 23 94 21 71 0,37 Tubo de acero 280 23 94 15 71 0,27 Tabla 2: Coeficiente de dilatación lineal α α calculado Valor bibliográfico Tubo de aluminio 24 ⋅ 10-6 ⋅ K -1 24 ⋅ 10-6 ⋅ K -1 Tubo de latón 19 ⋅ 10-6 ⋅ K -1 18 ⋅ 10-6 ⋅ K -1 Tubo de acero 14 ⋅ 10-6 ⋅ K -1 13 ⋅ 10-6 ⋅ K -1 Los valores calculados concuerdan con los valores bibliográficos, dentro del marco de la exactitud de medición. 2 SEA Termología / Calor Guía del alumno K302 Temperatura de una mezcla Ejercicio • Mezcla dos masas de agua iguales de temperaturas diferentes y determina la temperatura de la mezcla. Fundamentos La temperatura de una mezcla ϑm es la temperatura que se ajusta cuando se juntan dos cuerpos de temperaturas diferentes. Aparatos 1) Llena 50 ml de agua en la probeta graduada, mide la temperatura del agua ϑ1, anota el valor del SEA de Termología (U8502000) en la tabla. 1 Varilla soporte con roscas externa e interna 2) Extrae el vaso metálico del calorímetro, coloca 1 Nuez doble en el calorímetro el vaso de precipitados y en 1 Quemador de alcohol este último el agitador y el termómetro 1 Soporte de tubo de ensayos (observa la Fig. 1). 1 Matraz Erlenmeyer 2 Termómetros 3) Atornilla la varilla con roscas externa e interna 1 Agitador en la placa base (observa l Fig. 1). 1 Calorímetro 4) Fija la nuez doble a una altura de unos 20 cm y 1 Probeta graduada de ella el soporte de tubos de ensayos. 1 Vaso de precipitados 5) Llena 50 ml de agua en el matraz Erlenmeyer, Se requiere adicionalmente fíjalo en el soporte de tubos de ensayos y coloca 1 Placa base SEA (U8408035) en él el segundo termómetro. Agua 6) Coloca el quemador de alcohol sobre la placa base y desplaza la nuez doble así que el matraz Erlenmeyer quede a unos 3 cm por encima del quemador de alcohol (observa la Fig. 1). Montaje y realización 7) Enciende el quemador de alcohol y calienta el agua en el matraz Erlenmeyer hasta 60°C. 8) Apaga la llama del quemador de alcohol reduciendo la mecha y colocando la tapa sobre ella. 9) Lee después de 1 minuto la temperatura ϑ2 del agua calentada y anota el valor en la tabla. 10) Vierte en el vaso de precipitados del calorímetro al mismo tiempo el agua en la probeta graduada y en el matraz Erlenmeyer y agita bien la mezcla. 11) Lee la temperatura de la mezcla ϑm y anota el valor en la tabla. Fig. 1 1 Termología / K302 Guía del alumno SEA Evaluación Evaluación adicional: J 1) Calcula la temperatura de la mezcla ϑ’m por m = 50 ml; c = 4,186 ϑ1 + ϑ2 g ⋅K medio de la fórmula: ϑ ' m = 2 Tabla: Se tiene:. 2) Compara la temperatura de la mezcla calculada Temperatura Temperatura Temperatura ϑ’m con el valor determinado en el experimento ϑ1 del agua ϑ2 del agua de la mezcla fría en °C caliente en °C ϑm en °C ϑm. Justifica algunas desviaciones posibles. El valor calculado ϑ'm para la 18 54 34 temperatura de la mezcla es mayor que el valor determinado en el experimento ϑm, porque se ha entregado calor al Observacón previa: medio ambiente. En el intercambio de calor entre el agua fría y el agua caliente se tiene para el calor absorbido 3) Calcula el calor entregado al medio ambiente Q1 = m1 ⋅ c 1 ⋅ ( ϑm − ϑ1) y para el calor entregado Q 3 por medio de la fórmula: Q 2 = m2 ⋅ c 2 ⋅ ( ϑ2 − ϑm) : Q1 = Q2 . De ello se deduce Q 3 = m ⋅ c ⋅ ( ϑ ' m - ϑm ) . que: m1 ⋅ c 1 ⋅ ( ϑm − ϑ1) = m2 ⋅ c 2 ⋅ ( ϑ2 − ϑm) . En nuestro Se tiene: experimento son: m1 = m2 y c1 = c2. Por lo tanto se tiene para la temperatura de la mezcla: ϑ1 + ϑ2 ϑm = . 4) Compara con el valor determinado en el 2 experimento Q 2 − Q1 . El valor calculado concuerda con el valor Completa: determinado en el experimento. 1) El agua caliente entrega el calor Q 2 = m ⋅ c ⋅ ( ϑ2 − ϑm ) = . 2) El agua fría absorbe el calor Q1 = m ⋅ c ⋅ ( ϑm − ϑ1) = . 3) La diferencia Q 2 − Q1 = 837 corresponde al calor absorbido por el medio, es decir, por el vaso de precipitados, el termómetro, el agitador, el aire. 2 SEA Termología / Calor Guía del alumno K304 Capacidad calorífica específica de metales Ejercicio • Determina las capacidades caloríficas c de dos cuerpos sólidos metálicos, de acero y de plomo. Aparatos Erlenmeyer quede a unos 3 cm por encima del quemador de alcohol (observa la Fig. 1). del SEA de Termología (U8502000) 10) Enciende el quemador de alcohol y calienta el 1 Varilla soporte con roscas externa e interna agua hasta que hierve. 2 Nueces dobles 1 Quemador de alcohol 11) Apaga la llama del quemador de alcohol 1 Soporte de tubos de ensayos reduciendo la mecha y colocando la tapa sobre 1 Matraz Erlenmeyer ella. 2 Termómetros 1 Calorímetro 12) Mide después de unos 3 minutos la 1 Cuerpo de acero y 1 cuerpo de plomo temperatura ϑ2 del agua caliente y anota el 1 Tubo de acero valor en la tabla 1 como la temperatura el Se requiere adicionalmente cuerpo de acero. 1 Placa base SEA (U8408035) 13) Saca del agua el cuerpo de acero, sacude el Agua agua adherida en él y sumérgelo en el vado metálico en el calorímetro. 14) Cierra la tapa del calorímetro y agitando Montaje y realización constantemente determina la temperatura de la mezcla ϑm y anota el valor en la tabla 1. 1) Vierte 50 ml de agua en el vaso metálico del calorímetro y coloca la tapa encima. 15) Repite la medición con el cuerpo de plomo, 2) Inserta un termómetro en el tapón de goma de utilizando agua fresca y anota el valor en la la tapa del calorímetro de tal forma que la tabla 1. punta del mismo quede sumergida en el agua sin tocar el fondo. 3) Mide la temperatura ϑ1 del agua en el calorímetro y anota el valor en la tabla 1. 4) Atornilla la varilla soporte con roscas externa e interna en la placa base (observa la Fig. 1). 5) Fija la nuez doble a una altura de unos 20 cm y de ella el soporte de tubos de ensayos. 6) Fija la segunda nuez doble arriba en la varilla soporte y de ella el tubo de acero (observa la Fig. 1). 7) Llena 75 ml de agua en el matraz Erlenmeyer, fíjalo en el soporte de tubos de ensayos y sumerge en él el segundo termómetro. 8) Pasa el hilo con los cuerpos de acero y plomo por encima del tubo de acero de tal forma que Fig. 1 el cuerpo de acero quede sumergido en el agua sin tocar el matraz Erlenmeyer. 9) Coloca el quemador de alcohol sobre la placa base y desplaza la nuez doble así que el matraz 1 Termología / K304 Guía del alumno SEA Evaluación J m1 = 50 g; m2= 50 g; c1 = 4,186 g ⋅K Tabla 1: Observación: El agua caliente y el cuerpo sumergido tienen la misma temperatura. Cuerpo de acero Cuerpo de plomo ϑ1 en °C ϑ2 en °C ϑm en °C ϑ1 en °C ϑ2 en °C ϑm en °C 18,5 94,0 25,0 18,5 94,0 20,5 J J En caso de que no hayas realizado el experimento K303 trabaja con CKal = 45 , de lo contrario con CKal = 44 K K (observa el K303). Completa: 1) ¿Cómo se expresa el balance energético para el calor entregado por el cuerpo sólido Q2 y el calor absorbido por el agua y por el calorímetro Q1? Q2 = Q1 = Se tiene Q1 = Q2, es decir que se deduce para la capacidad calorífica c2 del cuerpo sólido: c2 = Cuerpo de acero: 2) El cuerpo de acero tiene la capacidad calorífica específica c2: Cuerpo de plomo: 3) El cuerpo de plomo tiene la capacidad calorífica específica c2: Comparación con valor bibliográfico: J J 4) Capacidad calorífica específica c del acero: 0,47 ; capacidad calorífica específica c del plomo: 0,13 . g ⋅K g ⋅K Los valores de medida son un poco mayores que los valores bibliográficos, es decir, ha sido más calor absorbido que el calor entregado por el cuerpo metálico. Las razones pueden ser que el agua adherida al cuerpo ha entregado calor adicional o que el valor determinado para la capacidad calorífica del calorímetro sea muy alta. 2