Calor especifico

Medida del calor específico de sustancias sólidas mediante
un calorímetro de mezclas
(*)
Dentro de las propiedades físicas de los materiales, el calor específico ha jugado un rol
esencial en el desarrollo de la física atómica. La teoría clásica, basada en la mecánica de
Newton, predecía que el calor específico debía ser constante, independiente de la temperatura.
Este comportamiento severifica a altas temperaturas y se conoce con el nombre de ley de
Dulong-Petit
(1)
A bajas temperaturas, el calor específico disminuye y se anula en el cero .
absoluto. Este resultado fue explicado por Einstein usando la mecánica cuántica, consolidando
así esta nueva teoría.
La calorimetría es la rama de la termodinámica que tiene por objeto medir cantidades
de calor. El calorímetroes el instrumento esencial en esta disciplina. El calorímetro es un
sistema termodinámico aislado que no intercambia energía con el medio exterior (ni trabajo,
ni calor). Su pared es indeformable (trabajo nulo) y adiabática (transferencia de calor nula).
Sin embargo, hay transferencia de calor entre las diferentes partes del calorímetro: pared,
accesorios, material a estudiar. Como no hayintercambio de calor con el exterior, esto implica
que la suma de los calores intercambiados es nula (conservación de la energía).
El objetivo de este experimento es determinar el calor específico de sólidos cerca de la
temperatura ambiente usando un calorímetro de mezclas
(2)
.
Principios Básicos.
La cantidad de energía Q que absorbe o cede un cuerpo que se pone en contacto conotro a diferente temperatura es proporcional a la masa de aquel, m, y a la variación de la
temperatura que experimenta, ∆T
(1)
= ∆ Q c m T Joule ( ) [1]
siendo c una constante de proporcionalidad, denominada calor específico, que depende de la
naturaleza de dicho cuerpo.
El calor específico de un cuerpo queda definido entonces como la energía necesaria
para incrementar en ungrado la temperatura de un kilogramo del mismo. En general, c es una
función de la temperatura y se mide en Joule/ kg. K (sistema SI) o en la antigua unidad, aún
en uso, cal / g. ºC. Convencionalmente, para el agua se adopta el valor constante: c agua = 1
cal / g. ºC = 1/4186 Joule / kg. K
Un método práctico para determinar calores específicos de sólidos y líquidos hace uso
del calorímetrode mezclas. Este consiste en un recipiente, térmicamente aislado, dentro del
cual se coloca una masa M de agua. Se introduce en el calorímetro un objeto de masa m, cuyo
calor específico, c, se desea determinar, previamente llevado a una temperatura Tini
.El agua,
inicialmente a la temperatura Tagua , absorberá energía (calor) si Tini
> Tagua hasta que la
mezcla (agua/objeto) alcanceel equilibrio térmico, en el cual el agua y la sustancia tendrán
una misma temperatura final Tfin. Le ecuación que iguala la energía absorbida por el agua a la
energía entregada por el cuerpo es: Física Experimental II – Curso 2010
Departamento de Física, Facultad de Ciencias Exactas, UNLP
Termodinámica: Calor específico de sólidos - 2
( ) ( )
agua fin agua ini fin
c M T T c m T T − =− [2]
Según este análisis, el calor específico c quedaría determinado por las masas M, m y las
temperaturas Tagua, Tini
y Tfin.
Sin embargo, no sólo la masa M de agua absorbe energía. El calorímetro en sí, con
todos los elementos que lo componen (paredes (p), termómetro (t) y agitador (agit) ) absorbe
una cantidad de energía (calor) que influye, necesariamente, en el balance deenergía
precedente.
La ecuación de balance energético será entonces:
( ) ( )( ) ( )
agua fin agua p p t t agit agit fin agua ini fin
c M T T c m c m c m T T c m T T − + + + − = − [3]
Los tres términos adicionales en el primer miembro representan la energía absorbida por el
recipiente, el termómetro y el agitador, respectivamente. El cálculo del calor específico del
material requiere...