Transferencia de Calor y Determinación del Calor Específico por Calorimetría

Objetivos del Experimento

• Relacionar la regulación de la temperatura corporal con los mecanismos de propagación del calor: conducción, convección y radiación en interacción con el medio ambiente.
• Determinar el calor específico de un sólido utilizando el método de mezclas.

Materiales

• Calorímetro
• Mechero
• Termómetro (rango 0 °C a 100 °C)
• Soporte universal
• Rejilla de calentamiento
• Pinza (metal-madera)
• Balanza
• Sólido (acero, aluminio o cobre)

Fundamento Teórico

Transferencia de Calor y Metabolismo

La transmisión del calor es absolutamente esencial, porque el proceso del metabolismo convierte continuamente energía química en energía térmica interna. La velocidad de generación de la energía interna, o velocidad metabólica, es aproximadamente de 120 vatios (W) en un hombre adulto y se eleva hasta 1000 W durante el ejercicio. Para mantener una temperatura corporal estable, se activan los mecanismos de termorregulación detectados por la región del hipotálamo.

Unidades de Calor

Ya que el calor es una forma de energía, su unidad en el Sistema Internacional (SI) es el Joule (J). Antes de que se reconociera el calor como una forma de energía, se le asignaban otras unidades, algunas de las cuales son actualmente utilizadas, como la caloría (cal) y la unidad térmica británica (Btu).

La Caloría (cal): Se define como la cantidad de calor que se necesita transmitir a 1 gramo de agua para elevar su temperatura en 1 °C. Usualmente se utiliza una unidad más grande, la kilocaloría (kcal), donde 1 kcal = 1000 cal. La equivalencia con el Joule es: 1 cal = 4,186 J.

Calor Específico (Ce)

El calor específico es la cantidad de calor necesaria para calentar una unidad de masa de una sustancia, de tal forma que su temperatura varíe en una unidad de grado (Celsius o Kelvin). Matemáticamente, la relación entre calor, masa, calor específico y cambio de temperatura es:

Donde:

• Q: Cantidad de calor transferido (J o cal)
• m: Masa del cuerpo (kg o g)
• Ce: Calor específico de la sustancia (J/kg·°C o cal/g·°C)
• ΔT: Variación de temperatura (T_final - T_inicial) (°C o K)

Por ejemplo, para el cuerpo más caliente que cede calor:

Q_cedido = m · Ce · (T_inicial - T_final)

Procedimiento Experimental

Determinación del Equilibrio Térmico (Método de Mezclas)

(Anotar los datos obtenidos en la Tabla 01)

1. Medir la masa de cada calorímetro vacío (1 y 2) y anotar sus valores.
2. En el calorímetro (1), llenar con cierta cantidad de agua (aproximadamente 1/3 de su capacidad). Medir la masa del conjunto (agua + calorímetro). Por diferencia, hallar el valor de la masa del agua fría (m₁) y anotarlo en la tabla.
3. Medir la temperatura inicial del agua fría en el calorímetro (1) (T₁) y anotarla.
4. En el calorímetro (2), llenar con cierta cantidad de agua. Medir la masa del conjunto (agua + calorímetro). Calcular la masa del agua caliente (m₂) siguiendo el procedimiento del paso 2 y anotarla.
5. Calentar el agua del calorímetro (2) hasta una temperatura aproximada de 80 °C. Anotar este valor como la temperatura inicial del agua caliente (T₂).
6. Inmediatamente, verter el agua caliente (del calorímetro 2) en el calorímetro con agua fría (calorímetro 1). Mezclar suavemente hasta que la temperatura se estabilice. Medir esta temperatura final (temperatura de equilibrio, T_eq) y anotarla.
7. Repetir el mismo procedimiento invirtiendo las cantidades de agua (Ensayo 2).
8. Repetir el mismo procedimiento utilizando cantidades iguales de agua (Ensayo 3).

Definición de Variables Clave

• T₁: Temperatura inicial del agua fría.
• T_s: Temperatura inicial del sólido (en caso de usar un sólido caliente en lugar de agua caliente).
• T₂: Temperatura inicial del agua caliente.
• T_eq: Temperatura final de equilibrio de la mezcla.