Determinacion del a entalpia de un metal.

1.- Resumen:

Se armó y utilizó un montaje el cual permitió calcular el calor específico de un cierto objeto el cual se desconocía el material con el que estaba hecho. Una vez obtenido el calor específico, y comparado con el valor experimental de una tabla de calores específicos establecida y con las variaciones de temperatura, fue posible conocer de qué material estaba compuesto el objeto.

2.- Palabra clave: calor específico, calor, capacidad calorífica.

3.- Objetivos:

4.- Introducción:

Se dice que el calor es la transferencia de energía a través de la frontera de un sistema debida a una diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores. Dicho de otra forma, es la energía térmica pérdida o ganada por los objetos, por tanto, al ser una forma de la energía el calor no se conserva, sino que es la energía la magnitud que se conserva.

La idea del calor como una sustancia que se tiene comúnmente debe ser descartada, ya que no se trata de algo que el objeto posea, sino de algo que él mismo cede o absorbe. El calor es simplemente otra forma de energía que puede medirse únicamente en términos del efecto que produce. La unidad de energía del SI, el joule, es la unidad preferida para medir el calor, puesto que éste es una forma de energía. Sin embargo, hay tres antiguas unidades que aún se conservan. Estas primeras unidades se basaron en la energía térmica requerida para producir un cambio patrón, que son la caloría, la kilocaloría y la unidad térmica británica (British thermal unit) o Btu.

La caloría (cal), se define como la cantidad de transferencia de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14.5°C a 15.5°C. La definición original de caloría era la transferencia de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1°C. Sin embargo, mediciones cuidadosas demostraron que la cantidad de energía requerida para producir un cambio de 1°C depende un poco de la temperatura inicial; por tanto, evolucionó una definición más precisa. Una unidad térmica británica (Btu) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra patrón (Ib) de agua en un grado Fahrenheit.

La cantidad de calor es definida como la energía térmica necesaria para elevar la temperatura de una masa dada, pero esta varía para diferentes materiales. Suena lógico pensar que cada material debe tener alguna propiedad que se relacione con la cantidad de calor absorbido o liberado durante un cambio en la temperatura.

Al ocurrir una transferencia de calor Q hacia un objeto sólido, la temperatura de éste aumentará de manera proporcional a la cantidad de calor. La constante de proporcionalidad entre la diferencia de temperatura y el calor es la denominada capacidad calorífica, C, cuyas unidades son joules por grado centígrado (J/°C). Así,

Q = C T                                                                       (1)

donde ∆T es la diferencia de temperatura.

        La capacidad calorífica de un cuerpo se define como la relación del calor suministrado respecto al correspondiente incremento de temperatura del cuerpo, siendo esta una propiedad del objeto. Para que sea una propiedad del material, se define la capacidad calorífica por unidad de masa m, y a esta propiedad se le denomina calor específico*, c, cuyas unidades  son (J/kg °C). Por lo que,

c = C/m                                                                        (2)

A continuación se muestra una tabla con los calores específicos de algunos materiales comunes en cálculos y laboratorio.

[pic 1]

Tabla 1. Calores específicos.

Con esto, la relación entre el cambio de temperatura y el calor transferido se obtiene despejando C, de la fórmula 2, y sustituyéndolo en la ecuación 1. De tal forma que,

Q = mc T                                                                     (3)

        Las capacidades caloríficas molares, Cm, (J/mol K), tienden a ser parecidas entre la mayoría de los sólidos elementales, aproximándose a un total de 25 J/mol K. Esta correlación es conocida como regla de Dulong-Petit. Esto se debe, en parte, a que el número de átomos en un mol es idéntico para todas las sustancias elementales, por lo que, para los sólidos elementales, la cantidad de calor, por átomo, para elevar la temperatura de cada uno de estos es más o menos la misma.         

El calor específico de un objeto puede medirse conveniente calentándolo a una cierta temperatura, situándolo en un baño de agua, de masa y temperatura conocidas, y midiendo la temperatura final de equilibrio. Si el sistema está aislado térmicamente en su totalidad de su entorno, el calor que sale del cuerpo tiene que ser igual al calor que entra en el agua y en el recipiente. Este procedimiento se denomina calorimetría y el recipiente aislado que contiene el agua, calorímetro.

*El nombre calor específico es un desafortunado vestigio de los días cuando la termodinámica y la mecánica se desarrollaron por separado. Un mejor nombre sería transferencia específica de energía, pero el término existente está demasiado arraigado como para sustituirlo.

5.- Metodología:

        Para la práctica se requirió ensamblar un sistema que permitiera calentar diversos metales, permitiendo la medición de su temperatura en tiempo real. Se necesitó un soporte universal con dos pinzas, una para sostener un tubo de ensaye horadado, y  la otra para soportar una tela de alambre con asbesto. Un mechero Bunsen aplicaría calor a un vaso de precipitado con agua, donde se pondría el tubo de ensaye con el metal y el termómetro dentro (Imagen 1).

[pic 2]

Imagen 1. Sistema usado para calentar el metal desconocido.

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