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UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA FACULTAD DE CIENCIAS DEPART DEPARTAMENTO AMENTO ACADÉMICO DE FÍSICA FÍ SICA LABORATORIO LABORATORIO DE FISICA
MANUAL DE GUIAS DE LABORATORIO FÍSICA II – MINAS MATEMATICA PIURA - PERÚ
2013 - I
LABORATORIO DE FÍSICA
DAF-FC-UNP
1°
2°
3°
4°
Práctica
Práctica
Práctica
Práctica
5°
Nota
Práctica Promedio
Nota Final
Informes (70%)
Examen final (30%) Sólo si cada evaluación es aprobatoria, el o la alumna puede realizar la práctica de laboratorio correspondiente.
Evaluación de Entrada
CURSO
:____________________________ _____ _________________________________
CÓDIGO
: _____________________ _____________________
:___________________________ _______ ALUMNO (A) __________________________________ FACULTAD
__________________________________ ___ : _______________________________
TURNO
SEMANA: _______ JEFE DE PRÁCTICA
DÍA: _______
HORA: _______
:___________________________ ___________________________
_________________________ __ PROFESOR DEL CURSO: ___________________________
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PRESENTACIÓN La Física, es la ciencia natural más fundamental de todas las ciencias. La Física se ocupa de la naturaleza y busca descifrar sus Leyes que permitan entender las interacciones entre los componentes de la materia que la constituyen; tiene profunda influencia en todas las otras ciencias. Por consiguiente todos los alumnos que se están formando en una carrera científica – técnica, en Ciencias básicas, en Ciencias histórico - sociales, y aún en Ciencias Económicas y financieras deben tener una completa comprensión de sus ideas fundamentales. La Física no solamente facilita a las otras ciencias las bases y fundamentos teóricos, sino que también desarrolla métodos y equipamientos para casi todas las áreas de la investigación aplicada y básica. Un pequeño ejemplo en este contexto pueden ser la instrumentación médica (desde el equipo de rayos X hasta el tomógrafo computarizado) o la Arqueología (Fotos aéreas en el rango visible y no visible; Método Radio-Carbón). El progreso en la Física se realiza por la fructífera interacción entre Teoría y Experimento. Por ello en la convicción de que el trabajo experimental es un complemento indispensable para un buen aprendizaje de los temas considerados en las programaciones de los cursos de Física por las respectivas facultades de la UNP, se ha elaborado este manual para facilitar la realización de las prácticas de laboratorio pertinentes. El laboratorio es el elemento más distintivo de la formación científica, tiene gran relevancia en el proceso de aprendizaje. En el laboratorio el estudiante tendrá la oportunidad de integrar sus conocimientos, desarrollar actitudes de responsabilidad, puntualidad, honestidad y agudizar sus capacidades de observación y análisis. Las prácticas de laboratorio brindan a los estudiantes la oportunidad de trabajar en grupo, lo que les permitirá opinar, atender y respetar las opiniones y sugerencias de sus compañeros. Asimismo afianzará su objetividad y la buena disposición para no emitir juicios apresurados. Es de esperar que todos los alumnos participen en la realización de todo experimento desde el reconocimiento de equipos y materiales hasta la discusión y análisis de resultados. El jefe de práctica acompaña y resuelve alguna de las dudas de los alumnos en el todo el proceso. La evaluación del trabajo experimental grupal se hará a través de un informe que el grupo deberá presentar oportunamente (válido sólo para los alumnos asistentes) y de un examen final. Equipo de elaboración Departamento Académico de Física
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CONTENIDO Pág. PRESENTACIÓN
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CONTENIDO
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ORGANIZACIÓN DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO
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1. EL PÉNDULO SIMPLE
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2. PRINCIPIO DE ARQUIMEDES
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3. TUBO DE VENTURI
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4. CALOR ESPECIFICO DE SOLIDOS
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5. ONDAS ESTACIONARIAS EN UNA CUERDA
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ORGANIZACIÓN DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO 1. LAS PARTES DE LAS PRACTICAS DEL LABORATORIO
Una sesión de laboratorio consiste de varias partes que se detallan a continuación: La lectura del manual; La prueba de entrada; La toma de datos; El análisis de los datos; La elaboración de un informe; La evaluación de su trabajo por el Jefe de Práctica. En las hojas correspondientes del manual, anotará sus observaciones y conclusiones respecto al laboratorio y todo lo que tenga que ver con la práctica: los cálculos, mediciones hechas a mano, características del equipo utilizado; las respuestas a las preguntas; etc. No es aceptable utilizar cálculos sobre hojas sueltas. Si es necesario hacer un cálculo, esté debe ir en el manual. Es importante que la información esté completa, la redacción bien hecha, legible y ortografía correcta. Su Jefe de Práctica le indicará la manera en que revisará sus informes. 2. LA LECTURA DEL MANUAL
La lectura del manual antes de venir al laboratorio es indispensable. El manual contiene un breve resumen de la teoría de los experimentos que van a realizar. Para que pueda analizar correctamente los experimentos a realizar es necesario que comprenda bien la parte teórica. Después de la parte teórica vienen las guías de laboratorio propiamente dichas. Las guías de laboratorio no son del tipo “recetas de cocina”, con cada paso dado con tanto
detalle que se pueda sacar buenos resultados con los ojos cerrados y una mano atada a la espalda. Al contrario, proponen solamente las líneas generales a seguir, tanto en la ejecución del experimento como en el análisis de los datos. Por eso es necesario estudiar la guía antes de venir al laboratorio. Al llegar al laboratorio, usted debe tener alguna idea de cómo se realiza el experimento, de que parámetros van a seguir como variables, de que combinaciones de variables darán una línea recta en un gráfico, etc. Para incentivarlo a estudiar el manual se tomara una PRUEBA DE ENTRADA
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3. LA PRUEBA DE ENTRADA
Como se ha explicado en el acápite anterior, es indispensable leer la guía de laboratorio. Para controlar eso hay una prueba de entrada que se toma en los 10 primeros minutos de la práctica de laboratorio.
Si usted llega tarde, tendrán menos tiempo para la prueba, que se basa exclusivamente en el contenido del manual.
4. LOS DATOS EXPERIMENTALES
El primero de los objetivos de las prácticas de laboratorio es que usted aprenda a manejar los equipos correctamente, y el segundo es que desarrolle sus capacidades creativas e investigativas con respecto al trabajo experimental. La evidencia de su dominio de un experimento se muestra en los datos obtenidos y en la manera de presentarlos en las tablas indicadas. En la mayoría de las prácticas utilizará papel milimetrado o computadora para analizar y hacer los gráficos. Al final de la práctica de laboratorio, los datos debidamente registrados sin correcciones serán visados por el Jefe de Practicas.
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PRÁCTICA Nº 1 EL PENDULO SIMPLE 1. OBJETIVOS
1. Comprobar las leyes del péndulo. 2. Calcular la aceleración de la gravedad en la ciudad de Piura. 2. FUNDAMENTO TEORICO
Un péndulo simple (llamado también péndulo matemático) consta de una pequeña masa “m” de forma esférica suspendida de un hilo de masa despreciable, cuya longitud “L” puede ser variada. Al separar la masa m de la vertical, tal que el hilo forme un ángulo θ como se muestra en la Fig.1, la fuerza recuperadora es la componente del peso tangente a la trayectoria de m, esto es F mg se y el desplazamiento s L . Si el ángulo es pequeño, entonces sen y s F mg mg , L
K
mg L
ó
K m
2
como y
como
la
2 T
T 2
constante
recuperadora
es
, entonces el periodo de oscilación del péndulo es L g
(1)
Figura Nº 1
Figura Nº 2
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3. MATERIALES E INSTRUMENTOS Masas esféricas diversas Hilo Cinta métrica Cronómetro vernier 4. PROCEDIMIENTO a) DATOS EXPERIMENTALES
1. Instalar el equipo como se muestra en la figura Nº2. 2. Ajustar la longitud del péndulo a un valor de 15 cm. 3. Separe la masa del péndulo de la vertical , suéltela y déjela oscilar 4. Después de algunas oscilaciones, establezca una referencia y mida el tiempo de 10 oscilaciones, anote la medida en tabla Nº1. Repita 4 veces más la medida del tiempo que duran 10 oscilaciones y anote en tabla Nº1. 5. Repita el paso anterior para cuando los valores de L son de 20, 25, 30, 35 cm, anote las medidas en tabla Nº1. Tabla Nº1 Tiempo de 10 oscilaciones n
t (s)
L(cm) t1(s)
1
15
2
20
3
25
4
30
5
35
t2(s)
t3(s)
t4(s)
t5(s)
promedio
T
t
10
(s)
2
2
T (s )
b) CALCULOS Y RESULTADOS
1.
Exprese matemáticamente la relación lineal de T2 (T período) en función de L(L longitud) ( y = Ax+B ), y precise teóricamente cuales son la constante y la pendiente de la recta.
2. 3. 4.
En papel milimetrado graficar T en función de L . En papel milimetrado graficar T2 en función de L. De la grafica anterior determine el valor de la aceleración de la gravedad.
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5.
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Compare el valor obtenido para “g” en su experimento con el valor teórico al nivel
del mar (g=9.81 m/s 2 ).
5. CONCLUSIONES a) De procedimiento
b) De cálculos y resultados
6.
PREGUNTAS COMPLEMENTARIAS
1º.-Realiza un diagrama de las fuerzas que actúan cuando un péndulo simple es desviado de la vertical. 2º.- Determina el período de oscilación, en la Luna, de un péndulo que, en la Tierra, realiza 15 oscilaciones en 30 s. Dato: La aceleración de la gravedad en la Luna es la sexta parte que en la Tierra. 3º.-Si un reloj de péndulo adelanta. ¿Se debe disminuir o aumentar la longitud del péndulo para corregir la desviación? Razona la respuesta. 4º.-¿Qué le sucede al período de un péndulo cuando éste se traslada a un lugar donde la gravedad es mayor? 5º.- En 1851 Leon Foucault, físico francés nacido en París en 1819, realiza uno de los experimentos más espectaculares de la historia de la Ciencia. Puedes explicar en que consistió.
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PRÁCTICA Nº 2
PRINCIPIO DE ARQUIMEDES 1. OBJETIVO
Determinar la densidad de algunos sólidos mediante tres procedimientos.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO
Toda la materia posee masa y volumen, sustancias con igual cantidad de masa ocupan distintos volúmenes. La propiedad que nos permite medir la ligereza o pesadez de una sustancia recibe el nombre de densidad y se define como
masa volumen
m V
Tabla Nº 1 Densidades de algunos sólidos
SOLIDOS
gr/cm3
Kg/m3
Aluminio Corcho Cobre Bronce Madera Plomo Fierro
2,6984 0,25 8,4 - 8,7 8,90 0,2-0,8 11,3 7,874
2698,4
250 8 400 -8 700 8900 200-800 11.300 7 874
La densidad de un cuerpo está relacionada con su flotabilidad ( determinada por su densidad en relación a la densidad del líquido que lo rodea ). Una sustancia flotará sobre otra si su densidad es menor . PRINCIPIO DE ARQUIMEDES
El principio de Arquímedes establece que un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, será empujado con una fuerza vertical ascendente igual al peso del fluido desplazado por dicho cuerpo. .EMPUJE HIDROSTATICO Es una fuerza vertical dirigida hacia arriba que un líquido ejerce sobre un cuerpo sumergido en él. Esto se debe a que cuando un cuerpo se sumerge en un líquido, este ejerce fuerzas de presión sobre todos los puntos de la superficie del cuerpo, dando lugar a
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una fuerza resultante dirigida hacia arriba denominada empuje hidrostático del líquido sobre el cuerpo. e (mg ) fl ui dod esalojado ( V d ) g ,
donde g es la aceleración de la gravedad y
V d el volumen desplazado
3. MATERIALES Y EQUIPOS • Metales: Fe, Cu, Al, bronce. • Balanza • Probeta • Calibrador o Vernier • Dinamómetro • Soporte • Agua
4. PROCEDIMIENTO a) Determinación de la densidad por el método geométrico
Consiste en pesar el sólido (m )s y medir sus dimensiones. Si se trata de un paralelepípedo, el volumen corresponde al producto:
Donde a, b, c corresponden a las dimensiones
Si el objeto es cilíndrico
Si el objeto es esférico
siendo r el radio y h la altura
Con la mayor precisión: 1. Pesar los sólidos de los cuales se va a determinar su densidad y registrarlo en Tabla Nº 2. 2. Medir las dimensiones de cada solido y anotarlos en tabla Nº2. 3. Con la información previa determinar la densidad de cada solido y registrarlo en tabla Nº2
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Tabla Nº2
Sólido 1 2 3 4
Dimensiones Cilindro Paralelepípedo ms (g) r (cm) h (cm) a (cm) b (cm) c (cm)
V (cm 3 ) ρ(gr/cm3 )
b) Determinación de la densidad por el método de la probeta
1. El sólido se sumerge con cuidado y completamente en una probeta que contiene un volumen de agua ( V ) debidamente medido y registrado en la tabla Nº3. Luego se lee cuidadosamente el volumen final ( V F ) y también se registra en la misma tabla. I
2. Determinar el volumen del sólido considerando que
3. Con los datos de tabla Nº2 y Nº3, determinar las densidades de los sólidos
Tabla Nº3
Sólido 1
m(gr)
V i(cm3 )
V F(cm3 )
(cm3 )
ρ(gr/cm3 )
2 3 4
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c) Determinación de la densidad por el principio de Arquímedes
1. Pesar el sólido en el aire ( Wa ) y, luego pesarlo sumergido totalmente en el agua (W f ), registrar estos pesos en Tabla Nº4 2. Considerando a la ecuación fluido desalojado, esto es:
E = W a - W f, donde E es el empuje, dado por el peso de γf V f = W a - W f
es decir, V f =
Wa - Wf
,
f
como el sólido está totalmente sumergido, el volumen de fluido desalojado es igual al volumen del sólido.
y como
s
Wa V
s
entonces:
s
W a
Wa - Wf
=
W . f a Wa - Wf
f
Como γS = ρS g , luego
s
W a Wa - Wf
f
1. Mediante la ecuación anterior determine las densidades de los sólidos utilizados y registrarlo en tabla Nº4. Tabla 4 SOLIDOS 1
Wa (N)
Wf (N )
s
( g/cm3 )
2 3 4
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5. ANALISIS DE DATOS
Tabla 5 Densidades obtenidas por los diferentes métodos Sólido
D(Teórica) (g/cm3 )
D (geometría) D ( probeta) (g/cm3 ) (g/cm3 )
D(Arquímedes) (g/cm3 )
1 2 3 4 Describa de manera clara y concisa su interpretación de estos resultados
6.
CONCLUSIONES
7.
PREGUNTAS COMPLEMENTARIAS
1. ¿Cuáles son las principales fuentes de error al determinar el empuje mediante la medición de los pesos en el aire y en el líquido? Sea claro y concreto al señalar dichas fuentes.
2. ¿Cuál fue la diferencia porcentual obtenida al comparar el empuje con el peso del líquido desplazado? ¿Es posible despreciar esa diferencia? Explique por qué sí o por qué no.
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3. ¿Cuál de los métodos utilizados dio resultados más precisos? Establecer las posibles causas de los errores y cómo éstos influyen para que un método sea más recomendable que otro.
4. ¿Qué método recomendaría a usted? Justifique su respuesta
5. ¿Qué mecanismos utilizan los submarinos para sumergirse o salir a flote en el mar? Explique
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PRÁCTICA Nº 3 TUBO DE VENTURI 1. OBJETIVO
Determinar la velocidad y el caudal del aire mediante el uso del medidor de Venturi.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO
La ecuación de Bernouilli relaciona la presión P, elevación h y velocidad v; de un fluido en régimen estacionario. Según este tenemos para un fluido sin fricción interna a lo largo de un tubo no horizontal para dos puntos indicados con 1 y 2 (Fig.1) la siguiente relación: P1
2
v1
2 g
Y1
P2
2
v2
2 g
Y 2
Donde densidad del flujo.
EL TUBO DE VENTURI
Es un medidor de la velocidad del flujo de líquidos y gases, consiste en un tubo en U (Fig.2), que se adapta a un tubo horizontal por el que fluye un liquido o un gas de densidad ; En el tubo en U se utiliza por lo general mercurio de densidad , como sustancia manométrica. En la sección A2 se produce un estrangulamiento, de modo que la velocidad de flujo aumenta. 1
Como P 2 v2 cons tan te, P2 disminuye (efecto Venturi). 2
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Al aplicar la ecuación de Bernouilli al tubo de sección recta variable de la Fig.2, se tiene: P1
2
v1
2 g
P1 P2
P2
Y1
2
v2
2 g
Y 2
como
Y1 Y 2
(Horizontal)
v22 v12
(1)
2 g
Aplicando la ecuación de continuidad A v
A1v 1
2
v1d1 v2 d2 2
2
d v2 v1 1 d 2
2
2
(2)
Reemplazando la ecuación (2) en la ecuación (1), se obtiene: P1 P2
2 4 4 v1 d1 d 2
(3)
4
2 g
d 2
En el tubo en U se puede observar que: P1 P2 ( agua aire )h
P1 aire h agua h P 2 P1 P 2
( agua aire ) h
aire
(4)
aire
Reemplazando la ecuación (4) en (3) ( agua aire )h
2 4 4 v1 d1 d 2
agua
2 gh v1 d 2
2
v
1
2 g
aire
aire 4 4 d1 d 2
4
d 2
1
(5)
Se expresa en términos de magnitudes conocidas;
El caudal (Q), se define como Q1 A1v1
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3. MATERIAL Y EQUIPO
Ventilador y succionador. Tubo de Venturi. Soporte. Manómetro. agua
4. PROCEDIMIENTO CONSIDERACIONES EXPERIMENTALES En el ensayo, el fluido es aire que atraviesa un tubo Venturi, cuyo diámetro es de 100 mm. (en ambos extremos) y de 50 mm. (en medio). 1. Montar el ventilador y el tubo de Venturi como se indica en la figura 3. 2. Afirmar el manómetro al tubo de Venturi 3. Regular el ventilador a mínima velocidad. 4. Medir la lectura del manómetro de agua y anotar los valores en la tabla 1. 5. Tomar el peso específico del aire, del agua a temperatura ambiente.
TABLA I Valores de diferencias de presión.
h12 (mm)
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P12 (N/m2 )
h13 (mm)
P13 (N/m2 )
h14 (mm)
P14 (N/m2 )
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ANALISIS DE DATOS
1. Determine la velocidad en los puntos 1 y 2 usando las ecuaciones (5) y (2) V 1 = _____________ V 2 = _____________ 2. Determine el caudal en la entrada y garganta del medidor, mediante la ecuación (6)
Q1= ____________
Q2=____________ 6. CONCLUSIONES:
7. PREGUNTAS COMPLEMENTARIAS
1. ¿En el caso en que los valores experimentales del caudal Q 1 y Q2 sean diferentes ¿A qué estima usted que se debe dicha diferencia? explique también el porqué Q 1 =Q2
2. ¿Se puede aplicar la ecuación de Bernouilli a un fluido viscoso? Explique
.
3. ¿Qué entiende usted por flujo estacionario y por flujo uniforme?
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4. ¿Por qué la velocidad en la garganta aumenta en el tubo de venturi y la presión disminuye? Justifique él porque
5. ¿Qué es un manómetro? ¿Que representa la presión manométrica?
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PRÁCTICA Nº4 CALOR ESPECIFICO DE UN SOLIDO 1. OBJETIVO:
Medir el Calor específico del aluminio y del cobre mediante el método de las mezclas.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO
Para aumentar la temperatura de un cuerpo homogéneo, debemos suministrar calor al mismo, y la cantidad de calor (Q) necesario es proporcional a la masa (m) del cuerpo y al aumento de temperatura ( ΔT ) Algebraicamente tenemos: Q CmT (1) Donde la constante de proporcionalidad C se llama Calor especifico del cuerpo. Tomando en cuenta que la masa m de cualquier sustancia es térmicamente equivalente a una masa igual a m C (C), la capacidad calorífica de un cuerpo recibe a veces el nombre de “equivalente en agua” del cuerpo. Se debe hacer constar que el calor específico es una propiedad de la sustancia, y, por lo tanto es una constante física importante; al paso que la capacidad calorífica es una propiedad de un cuerpo determinado. En el método de las mezclas, generalmente se calienta una mezcla del material en estudio después se coloca el mismo en un calorímetro con agua fría. En la tabla Nº 1 se dan los calores específicos de diversas sustancias. Tabla Nº 1 Sustancia o
Calor específico(Cal/g C)
Acero
Aluminio
Bronce
Cobre
Oro
Plomo
0,12
0,22
0,086
0,092
0,03
0,031
CALORIMETRO.-
Recipiente térmicamente aislado con material impermeable al calor; está previsto de un termómetro, para medir la temperatura y un agitador para unificar la mezcla. Equivalente en Agua.- Es la cantidad de agua que es capaz de absorber o disipar la misma cantidad de calor, que un calorímetro, experimentando el mismo cambio de temperatura que el mismo. Q H 0 Qcalorimetr o 2
m H 2 0c H 2 0 T mc cc T
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mH o 2
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mc c
c
cH o 2
(2)
3. EQUIPOS Y MATERIALES
1 Calorímetro 2 Termómetros de 0º a 110 ºC. 1 Probeta de 200 ml. 2 Vasos pirex de 500 ml. 1 Cocina eléctrica. 2 Sólidos: Cobre y aluminio. 1 Balanza. 1 Litro de agua. Hilo de pescar, 25 cm.
4. PROCEDIMIENTO a) Determinar la capacidad calorífica C del conjunto Calorimétrico.
1. Coloque en el vaso calorimétrico una cierta masa m 0 de agua a una temperatura T 0 Bajo la temperatura ambiente deje llegar el sistema al equilibrio. 2. Caliente otra cantidad de agua m 1 a una temperatura T 1 por encima de la temperatura ambiente, puede ser aproximadamente 60ºC. 3. Introduzca rápidamente esa masa m 1 de agua caliente al calorímetro y lea la temperatura máxima TF que alcance el conjunto de la mezcla y anotar en la Tabla Nº2. 4. Repita la experiencia 3 veces, calcule C con ayuda de la ecuación (3).
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C
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m C (T T ) m C (T T ) 0 0 1 E F 1 0 1
(3)
T T 1 E
Donde:
C0: Es el calor especifico del agua m 0: Es la masa inicial del agua fría. m 1: Es la masa del agua caliente. TE: Temperatura de equilibrio alcanzado por la masa del agua fría. T1: Temperatura del agua caliente. TF: Temperatura Final de equilibrio del sistema. Tabla Nº 2 n
m0(g)
o
TE( C)
o
T1( C)
m 1(g)
o
TF( C)
o
C(cal/ C)
o
C (cal/ C)
1 2 3
5. Determinar el porcentaje de error cometido al comparar el valor Teórico con el valor experimental con la ayuda de la ecuación (4) E (%)
C C teorico exp erimental C teorico
(4)
b) CALOR ESPECIFICO DE CUERPOS SÓLIDOS
1. Coloque en el calorímetro una masa de agua fría m o a la temperatura To (temperatura ambiente).Anotar estos valores en la tabla Nº 3 2. Caliente separadamente el cuerpo introduciéndolo en un vaso pírex cargado de agua y llevándolo a la cocina a una temperatura T 1 donde el cuerpo alcanzara la misma temperatura del agua caliente y anotar los valores en la tabla Nº3. 3. Luego introduzca rápidamente el sólido caliente en el calorímetro. Agitar la mezcla hasta alcanzar una temperatura T donde se cumpla que (T 0
