Calorimetría

 

CALORIMETRIA

 

1.1 Contenidos Teóricos

 

1.1.1  Calorimetría significa “medida de cantidades de calor”.

1.1.2  Es importante caracterizar cuál será nuestro “sistema de estudio” y cuál el medio exterior al mismo

1.1.3  Un calorímetro es un instrumento calibrado destinado a calificar y     cuantificar las cantidades de calor” intercambiadas “entre las sustancias introducidas en el mismo y que constituyen nuestro “sistema de estudio”. Dicho calorímetro es un recipiente “rígido”, que no intercambia trabajo con el medio exterior al mismo, y “adiabático” porque no intercambia calor con dicho medio exterior.

1.1.4  Un calorímetro se dice que se encuentra calibrado cuando se ha determinado su “equivalente” ( п ). Si el líquido que se coloca en el interior del recipiente calorimétrico es agua, se dice que el calorímetro se ha calibrado cuando se determina el Equivalente en Agua del Calorímetro Dicho Equivalente indica la masa de agua que intercambiaría la misma cantidad de calor con otros componentes del sistema que los adminículos del Calorímetro (porción de termómetro sumergido, porción de agitador sumergido, recipiente calorimétrico en contacto con los componentes del sistema).

1.1.5  La expresión matemática fundamental para la Resolución de Situaciones Problemáticas de Calorimetría es: ∑ Qi = 0. Esta expresión se lee: sumatoria de las cantidades de calor intercambiadas es igual a cero. Si convencionalmente adoptamos el signo positivo ( + ) para las cantidades de calor que se reciben y el signo negativo ( - ) para las cantidades de calor que se entregan se cumplirá lo enunciado en la expresión precedente o bien su equivalente: las cantidades de calor recibidas por una parte del sistema en estudio será igual a las cantidades de calor entregadas por la otra parte de dicho sistema.

1.1.6  Lo expresado en el punto anterior reafirma el Principio de la Conservación de la Energía (1º Principio de la Termodinámica). La realidad experimental indica que ningún Calorímetro es perfecto al punto de no tener pérdidas de calor no cuantificadas. Esto nos lleva a pensar en el 2º Principio de la Termodinámica, que en realidad expresa hasta dónde es válido el 1º Principio.

1.1.7  Las cantidades de calor ( escalares ) que completarán la expresión mencionada en 1.2.5  se expresarán de dos formas :

Q = c. m. ( t_f – ti ) cuando no se producen cambios de estado de agregación

Q = k . m cuando se producen cambios de estado de agregación.

c indica  calor  específico de la sustancia que intercambia calor  ( la expresaremos en calorías /gramo . º C y expresa la cantidad de calor que hay que entregarle o quitarle a un gramo de sustancia para que aumente o disminuya, respectivamente, 1º C su temperatura).

m es la masa de la sustancia que expresaremos en gramos.

ti es la temperatura inicial de la sustancia antes de comenzar el intercambio de calor que expresaremos en º C.

t_f  es la temperatura final de la sustancia luego de haber intercambiado calor en el recipiente calorimétrico que expresaremos en º C ( también considerada temperatura final de equilibrio del sistema).

Q es la cantidad de calor intercambiada que expresaremos en calorías.

k es el calor latente de la sustancia que cambia de estado de agregación y que expresaremos en calorías / gramo ( k = l, calor latente de fusión

y / o solidificación; k = r, calor latente de vaporización y / o licuación). k expresa la cantidad de calor que entrega o recibe una sustancia por unidad de masa durante el cambio de estado  ( obviamente sin cambio de temperatura durante el proceso ).

 

1.2  Situaciones Problemáticas Resueltas  y sus Aplicaciones Tecnológicas :

 

1.2.1  Se tienen, en un Calorímetro aislado de Equivalente en Agua п = 45 gramos, 120 gramos de Agua Líquida a 20 º C en su interior. Se introducen simultáneamente 700 gramos de Agua Sólida a – 20 º C y una masa  de 10 gramos de Agua Vapor a 100º C. Si la presión atmosférica, a la que ocurre el intercambio, es la normal;  ¿ cuál es la temperatura final de equilibrio y la composición final del sistema ?.

Datos: c agua líquida = 1cal/g.º C; c agua sólida = 0.5 cal / g.º C,

l agua sólida = 80 cal / gramo, r agua vapor = 540 cal / gramo

 

Resolución:

 

Q₁ = cantidad de calor que entrega el agua vapor para licuarse a 100º C= 540.10 cal = 5400 cal.

Q₂ = cantidad de calor que entrega el agua líquida proveniente del agua vapor para pasar de 100 a 0 º C = 1.10.100 cal = 1000 cal.

Q₃ = cantidad de calor que recibe el agua sólida para pasar de –20 º C a 0º C = 0.5.700.20 cal = 7000 cal.

Como (Q₁ + Q₂)  <  Q₃ se puede deducir que la temperatura final t_f = 0ºC.

Q₄ = cantidad de calor que el agua del calorímetro y el equivalente en agua del mismo entregan para pasar de 20 a 0 º C = 1.(120 + 45 ). 20 cal = 3300 cal.

Como (Q₁ + Q₂ + Q₄) > Q₃ se deduce que la t_f = 0º C y una parte del agua sólida se licuará.

(Q₁ + Q₂ + Q₄) = 9700 cal.

(Q₁ + Q₂ + Q₄) – Q₃ =  2700 cal. Estas calorías son las que utiliza una parte del agua sólida para transformarse en agua líquida a 0º C:

[(Q₁ + Q₂ + Q₄) – Q₃] / l = 2700 cal / 80 cal / g = 33.75 g

 

En consecuencia, en equilibrio a 0º C, coexistirán una masa de agua líquida = 33.75 g + 10 g + 120 g = 163.75 g con una masa de agua sólida de (700 – 33.75) g = 666.25 g.

La Aplicación Tecnológica que tiene este tipo de Situación Problemática es precisamente predeterminar la temperatura final de equilibrio de una Mezcla constituida por la misma sustancia en distintos estados de agregación de la materia. Según la composición que se le de a la misma se puede predeterminar la temperatura final de equilibrio.

Ya que la temperatura final de la mezcla debe determinarse experimentalmente, el valor que arroje la Experiencia se contrastará con el predeterminado. Si se deja constante, en cada experiencia, la masa de la misma sustancia en uno o más de sus estados de agregación se podrán conseguir distintas temperaturas finales según la masa de sustancia que se agrega en el estado de agregación restante, trabajando siempre con el mismo calorímetro ( =  п ).

 

1.2.2  En un Calorímetro aislado de Equivalente en Agua 50 gramos, se tiene 150 gramos de agua líquida a 10 º C. Se incorporan en su interior 300 gramos de una sustancia a 150 º C en su interior y se observa que el agua líquida alcanza una temperatura de 50 º C. La sustancia incorporada no cambia de estado de agregación durante el proceso.¿Cuál es el calor específico de la sustancia incorporada?.

 

Resolución:

 

En este caso, al conocerse la Temperatura Final de la Mezcla, conviene aplicar la expresión ∑ Qi = 0

(150 + 50) g . 1 cal / g .º C . ( 50 – 10 ) ª C + 300 g. c_x . ( 50 –150 ) º C = 0

 

Al despejar  c_x se obtiene 0.2667 cal / g.ºC

Obsérvese que los dos primeros términos de la sumatoria son positivos porque se refieren a cantidad de calor recibida por una parte del sistema.

El término restante es negativo porque se refiere a una cantidad de calor.

Entregada por otra parte del sistema.

La Aplicación Tecnológica más importante de este tipo de situaciones

Problemáticas es que permite determinar el valor del calor específico de una sustancia desconocida que no cambia de estado de agregación durante el proceso. Recordemos que el Calor Específico es una propiedad intensiva de una sustancia y que caracteriza a la misma.

1.3 Situaciones Problemáticas propuestas para resolver:

 

1.3.1   Se tienen, en un Calorímetro aislado de Equivalente en Agua п = 45  gramos, 120 gramos de Agua Líquida a 20 º C en su interior. Se introducen simultáneamente 700 gramos de Agua Sólida a – 20 º C y una masa  de 0 ( cero ) gramos de Agua Vapor a 100º C. Si la presión atmosférica, a la que ocurre el intercambio, es la normal ; ¿ cuál es la temperatura final de equilibrio y la composición final del sistema ?.

 

Datos: c agua líquida = 1 cal/ g.º C; c agua sólida = 0.5 cal/g.º C,

l agua sólida = 80 cal / gramo, r agua vapor = 540 cal / gramo

 

1.4.2  Se tienen, en un Calorímetro aislado de Equivalente en Agua п = 45 gramos, 120 gramos de Agua Líquida a 20 º C en su interior. Se introducen simultáneamente 700 gramos de Agua Sólida a – 20 º C y una masa  de 100 gramos de Agua Vapor a 100º C. Si la presión atmosférica, a la que ocurre el intercambio, es la normal; ¿ cuál es la temperatura final de equilibrio y la composición final del sistema ?.

Datos: c agua líquida = 1 cal/g.º C; c agua sólida = 0.5 cal/g.º C, l agua sólida = 80 cal / gramo, r agua vapor = 540 cal / gramo

 

1.4.3  Se tienen, en un Calorímetro aislado de Equivalente en Agua п = 45 gramos, 120 gramos de Agua Líquida a 20 º C en su interior. Se introducen simultáneamente 700 gramos de Agua Sólida a – 20 º C y una masa  de 800 gramos de Agua Vapor a 100º C. Si la presión atmosférica, a la que ocurre el intercambio, es la normal; ¿cuál es la temperatura final de equilibrio y la composición final del sistema ?.

Datos: c agua líquida = 1 cal/ g.º C ; c agua sólida = 0.5 cal / g.º C, l agua sólida = 80 cal / gramo, r agua vapor = 540 cal / gramo

 

1.4.4   Calcular  la masa  de  Plomo líquido a la  temperatura de fusión ( 327 º C ) que se debe mezclar con 1 Kg de agua líquida para que su temperatura pase de 20 a 60 º C a presión normal si, en el momento de introducir el Plomo a la temperatura de fusión en el agua líquida se vaporizan 100 mg. de la misma.

Datos:   l_Pb  = 5,6 Kcal / Kg.   c_Pb = 0.031 Kcal / Kg . º C

Nota: La resolución de esta situación permitirá redescubrir la Importancia del agua líquida como fluido refrigerante.

 

 

 

Análisis por consideraciones Energéticas de la situación de una Masa vinculada a un Resorte

Supongamos un Resorte de Constante de Restauración Elástica k vinculada a una Masa M que se puede mover sin rozamiento sobre una superficie horizontal.El Resorte se encuentra empotrado en una pared vertical perpendicular a la dirección de movimiento de la Masa M.

Energía Solar


Le acerco un argumento en favor del aprovechamiento de energías renovables como la Energía Solar. Es una interesante medida pues  es de destacar que la Potencia de salida del Sol es de 400 mil trillones de Kilowatts. Al costo de 8 centavos de peso el Kilowatt-hora el Sol proporciona cada segundo una Energía valuada en 10 Trillones de pesos. Para la compra de 4 paneles solares que trabajen a una Potencia de 1 Kilowatt se requiere la suma inicial aproximada de 30000 $. En las terrazas de los Edificios se podrían instalar estos Paneles que permiten aprovechar una energía ecológica con una ecuación económica netamente favorable para los usuarios aunque de esa Potencia de Salida se reciba sólo un 10% efectivo..

Carlos Alberto Castriota
26/02/2017

FISICA-Ley de Ohm y Estructura de la materia

La Ley de Ohm como una consecuencia de la Estructura de la
Materia
Profesor Carlos Alberto Castriota

*Debido a la característica ondulatoria del movimiento de los
electrones , los electrones más externos de un átomo no están
“ligados” a los mismos en el cristal de los metales conductores.
*Estos electrones atómicos externos, denominados electrones de
conducción , pueden viajar muchos diámetros atómicos antes de
tener una colisión atómica.
*Si L es el módulo del vector desplazamiento entre colisiones y u es
el módulo del vector velocidad promedio de los electrones de
conducción, siendo que la dirección de u es aleatoria y no da lugar a
una corriente neta , podemos escribir: Δt = L/u , donde Δt es el
intervalo de tiempo entre colisiones.
*Si se aplica una diferencia de potencial ΔV a un trozo de metal
conductor , aparecerá sobre cada electrón de conducción una fuerza
F de módulo e.E , donde e es la carga del electrón y E es el módulo
del vector Campo Eléctrico generado por aplicar ΔV.
*Durante un intervalo de tiempo Δt , cada electrón adquirirá una
velocidad de arrastre va cuyo módulo va = Δu ( cambio de velocidad
promedio de los electrones de conducción , luego de cada colisión o
velocidad alcanzada previa colisión ).
*De acuerdo con la 2º Ley de Newton , se puede escribir : m . Δu/Δt
= e.E
Por lo tanto Δu = e.E. Δt/m donde m es la masa promedio del
electrón.
Siendo Δt = L/u , podemos expresar: va = Δu = e.E.L/m.u
Se debe tener presente que va = Δu tiene la misma dirección para
todos los electrones debido al E que aparece al aplicar ΔV. Esto da
lugar a una corriente neta.
*Los electrones pierden su velocidad de arrastre luego de cada
colisión y el L es tan pequeño que va << u.
*La intensidad I de corriente eléctrica es I = e.N.va tal que N =
número total de electrones de conducción por cm.
*La velocidad de arrastre promedio va es la mitad de la máxima. I =
e.N.1/2 .e.E.L/m.u
Por lo tanto : I = e2 .N.E.L/2.m.u ; o sea :I =e2.N.L/2.m.u . ( V/x) y
R = V/I = 2.m.u.x/e2.N.L = R tal que x es la longitud del alambre
conductor.
El análisis dimensional de esta última expresión nos permite deducir
el ohm como unidad de R.

10 de Mayo del 2010

Física-Electrostática Experimental

Laboratorio de FISICA
LA MAQUINA ELECTROSTATICA DE WHIMSHURT
Profesor Carlos Alberto Castriota –
Director Departamento de FISICA y QUIMICA-Instituto del Profesorado del C.O.N.S.U.D.E.C

Esta Máquina permite transformar Energía Mecánica en Eléctrica.
A su vez dicha Energía Eléctrica puede transformarse, en Energía Química, Energía Lumínica y Sonora o, también si se prefiere en Energía Mecánica nuevamente.
Todo esto permite confirmar:
el Principio de Conservación de la Energía (Primer Principio o Ley de la Termodinámica) y
el Segundo Principio o Ley de la Termodinámica: la transformación nunca tiene el 100 % de eficacia, parte de la Energía que se transforma no puede ser controlada, se dispersa y aumenta la Entropía o desorden del Universo.
Cuando se acciona la Manivela de la Máquina se transmite el efecto de dicho accionar, por dos Correas cruzadas, a dos Discos de Acrílico con un diámetro habitual de entre 30 y 50 cm. Como se aclaró que las Correas están cruzadas se comprenderá que un Disco girará en el sentido de giro de las agujas del reloj y el otro en sentido contrario.
En estos Discos se encuentran pegados, a intervalos regulares, trozos de igual superficie de papel de Aluminio.
Cuando los Discos giran, estos trozos de papel son friccionados por unas Escobillas de Cobre. Como resultado de ello los Discos pasan a ser el Soporte de una Energía eléctrica importante; se dicen que dichos discos "están cargados".
Cuando los Discos se saturan de Carga eléctrica ,el remanente pasa a unos Botellones denominados de Leyden que actúan como Condensadores de Carga Eléctrica.
Siendo superada la Capacidad de estos Condensadores, los electrones que portan una gran energía pasan a dos Esferas Metálicas de distinto volumen; de forma tal que la de mayor volumen pasa a tener mayor densidad energética que la otra.
Al superar la Resistencia del Aire, los electrones “saltan" de la Esfera de mayor Volumen a la de menor Volumen. Se produce una Chispa o Rayo (Energía Lumínica) y un Ruido (Energía Sonora).
En las inmediaciones de las Esferas percibiremos un olor picante: es Ozono. La Chispa tiene la suficiente Energía como para transformar parte del Oxígeno del Aire en dicho gas. Se ha efectuado una transformación Química.
Si separamos bien las Esferas y conectamos la Esfera de mayor Volumen a un Molinillo Metálico, por medio de un cable: las aspas del molinillo girarán velozmente. Hemos vuelto a transformar la Energía Eléctrica en Mecánica.
La Esferita de un Péndulo Eléctrico colocado en las inmediaciones, se moverá "al compás de los chispazos". Parte de los electrones energizados "escaparon" de la Máquina, su energía no pudo ser analizada y la Entropía del Universo aumentó.

Laboratorio de Física
LA JAULA DE FARADAY, ¿UNA FORMA DE CONTROLAR EL DESORDEN?
En el documento anterior desarrollé un enfoque energético sobre el Funcionamiento de la Máquina de Whimshurt.
Terminaba expresando que el movimiento de la Esfera del Péndulo "al compás" de los chispazos evidenciaba que no toda la Energía transformada había sido bien controlada y que este hecho había aumentado la Entropía o el desorden" del Universo.
Al Conectar la Máquina de Whimshurt a la Jaula de Faraday se observa que los trocitos de corcho, que penden en el exterior de la Jaula, se mueven "al compás" de los chispazos; no así los interiores a ella.
Esa Malla metálica que sirve de Jaula actúa como una barrera para la transmisión energética. Todos sus puntos tienen igual Energía Potencial Electrostática. Allí "muere el desorden".
Esta Jaula o Caja de Faraday es el fundamento del Pararrayos en el que un edificio se rodea totalmente con una malla metálica en contacto con el suelo húmedo. De esta forma, el Edificio y su interior se encuentran protegidos de todo Campo Eléctrico externo.
Profesor Carlos Alberto Castriota