TP 1 Calorimetria

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PRIMERA PARTE:
INTRODUCCIÓN: 
Un sistema es una parte del universo que se aísla para su estudio; cualquier sistema macroscópico es un sistema termodinámico; estos pueden cambiar su estado de equilibrio mediante a transformaciones termodinámicas: de forma mecánica, el cual en la mayoría de los casos resulta de cualquier cambio directo del volumen del sistema, pudiendo dar lugar a cambios en la temperatura sin que ello implique intercambio de calor; y de forma térmica: Ocurre cuando el sistema termodinámico interactúa con otro a distinta temperatura, en cuyo caso, hay intercambio de calor, pudiendo incluso cambiar la presión sin que ello signifique trabajo mecánico.
El intercambio calórico comprende el flujo de calor entre dos (o más) cuerpos o sistemas a diferentes temperaturas que intercambian calor hasta alcanzar el equilibrio térmico. En la vida cotidiana y la naturaleza, no actúa un método solo, sino que varias o todas a la vez:
· Conducción: Principalmente en los cuerpos sólidos y se caracteriza por el pasaje del calor desde los puntos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura sin desplazamiento apreciable de materia.
· Convección: En liquido y gases, como consecuencia del desplazamiento de materia que provoca la mezcla de porciones del fluido que se encuentran a diferentes temperaturas, la convección será natural (el movimiento del fluido debido a diferencias de densidad resultantes de diferencias de temperatura) ó forzada ( movimiento provocado por medios mecánicos)
· Radiación: El calor pasa de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura sin que entre ellos exista un vínculo material. Esto indica que el calor se puede transmitir en el vacío, en formas de ondas electromagnéticas denominadas comúnmente radiación o energía radiante.
El calor no es lo mismo que la temperatura, este no es propiedad de los cuerpos, es una magnitud física que permite medir el intercambio de energía térmica entre dos cuerpos o sistemas que están a distintas temperaturas; la medición de la cantidad de calor que intercambia un cuerpo o sistema se realiza indirectamente a través de la calorimetría.
Para llevar a cabo dicho intercambio de calor con la necesidad de que este se produzca solo entre los cuerpos que deseamos; nos proveeremos de un recipiente adiabático; que no intercambia energía ni materia con el exterior.
El calor será medido en calorías; la caloría se define como “la cantidad de calor necesaria para elevar en 1°C la temperatura de un gramo de agua a presión atmosférica”. Y este depende del estado de agregación de la materia. La calculo mediante la ecuación general de la calorimetría:
 Q= m. Ce. Ʌt 
Donde la variación de temperatura se relaciona con la cantidad de calorías recibidas/cedidas. Por dicha razón debemos obtener mediante instrumentos con propiedades termométricas: considerando un sistema térmicamente aislado, las temperaturas iniciales de los cuerpos y la temperatura final del sistema, la cual será la temperatura final a la cual lleguen todos los cuerpos que intercambiaron calor, se mantendrá constante y será el punto en lo que llamamos “equilibrio térmico”. 
El calor específico (Ce) es la cantidad de calor necesaria para que 1 gramo de sustancia aumente su temperatura en 1 °C. Este valor es constante, propio de cada sustancia y de su estado de agregación
Nuestro experimento de intercambio del calor intercambiado cumplirá, por supuesto, con los principios de la calorimetría:
· Cuando 2 cuerpos (o más) con temperaturas diferentes son puestos en contacto, ellos intercambian calor entre si hasta el equilibrio térmico.
Considerando un sistema térmicamente aislado, la cantidad de calor recibida por uno es igual a la cantidad de calor cedida por el otro. - Q cedido = Q recibido +
· La cantidad de calor recibida por un sistema durante una transformación es igual a la cantidad de calor cedida por él en la transformación inversa. Q cedido + Q recibido = 0
Así mismo, al momento de realizar el trabajo práctico el experimentador deberá contemplar los errores (sistemáticos, casuales y de medición) que podrían ser llevados a cabo durante la realización del experimento y podrían alterar los resultados a los que se busca llegar,
Llevadas a la práctica las operaciones matemáticas y supuestos teóricos descriptos anteriormente podremos conseguir dar con el objetivo del trabajo práctico detallado a continuación.
OBJETIVO DEL TRABAJO PRÁCTICO:
Determinar el calor especifico de un sólido (en el caso de nuestro grupo, dos plomadas con masas distintas); mediante el calorímetro de mezclas.
MATERIALES Y MÉTODO:
Con el objetivo de determinar el calor específico de un sólido mediante el calorímetro de mezcla, lo que procedimos a hacer antes de comenzar fue determinar con una balanza la masa de ambos cuerpos sólidos de plomo y tomar un volumen de agua, previamente establecido, con una probeta. Introdujimos dicha cantidad de agua en un recipiente adiabático y medimos su temperatura inicial utilizando un termómetro de mercurio. 
A continuación, calentamos dichos cuerpos de plomo en un baño de agua en ebullición es decir a 100C durante aproximadamente 5 minutos y los introdujimos en el recipiente adiabático donde estaban previamente colocados el agua, el termómetro y un agitador para facilitar la uniformidad de temperatura. 
Sin dejar de observar el termómetro, pudimos notar que en un determinado momento la temperatura había dejado de aumentar, es decir que había llegado al equilibrio térmico justo antes de disminuir, cuando la temperatura había dejado de aumentar. Si el recipiente fuese completamente adiabático, la temperatura aumentaría y, al llegar al equilibrio térmico, se mantendría constante (sin disminuir).
Una vez obtenidos todos los datos necesarios, procedimos a los cálculos del calor específico que deseábamos obtener. 
RESULTADOS:
Unidad mínima de la probeta = 5ml ΔX = 2,5 ml
Vol = 250 ml +/- 2,5 ml
Masa del Plomo: 1) 139 gr +/- 0,5 gr
 2) 159 gr +/- 0,5 gr
Unidad mínima de la balanza = 1 gr ΔX = 0,5 gr
Ti H2o = 19,5 °C +/- 0,05 °C
Tf H2o = 21,6 °C +/- 0,05°C
Ti Pb = 100°C (La temperatura inicial del Pb al ser un dato teórico, no se mide el error)
Tf Pb = 21,6°C +/- 0,05 °C
T Pb = 78,4°C +/- 0,05 °C
Unidad mínima del termómetro del Plomo = 0,01 °C ΔX = 0,05°C
ΔT= Tf – Ti E ΔT H2o= |ΔX / ΔT| = |Δ (ΔT) / ΔT| = |Δ (Tf - Ti) / (Tf - Ti)| = |Δ Tf + ΔTi / Tf - Ti| = |0,1 °C / 2,1 °C| = 0,048 
E ΔT Pb = |ΔX / ΔT| = |0,05 °C / -78,4 °C|= 6,38 * 10 E -4
E m = ΔX / m = (0,5g + 0,5g) / (139g + 159g) = 1g / 298g = 1/298
E vol = |ΔX / Vol| = |2,5 ml / 250 ml |= 0,01
E t = E ΔT H2o + E ΔT Pb + E m + E Vol =
E t = 0,048 + 6,38 * 10 E -4 + 1/298 + 0,01 = 0,062
E = ΔCe / Ce ΔCe= E * Ce = 0,062 * 0,022 Cal/g°C = 1,36 * 10 E -3
Q= m * Ce * ΔT Ce = 525 Cal / 298 g – 78,4 °C = 0,022 Cal/g°C
Resultado: Ce +/- ΔCe = 0,022 Cal/g°C +/- 1,36 * 10 E -3
DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES:
Como vemos en los cuadros, los grupos 1, 2, 3 y 4 poseen iguales materiales y cantidades que los grupos 5, 6, 7 y 8 respectivamente (1=5, 2=6, 3=7 y 4=8).
A pesar de esto, si comparamos un grupo con el otro notamos algunas diferencias (producidas por errores):
Grupo 1 y 5:
· T iguales (1°C).
· Ce= 0,022 cal/g°C en ambos grupos.
Grupo 2 y 6: 
· T de 2,1°C (grupo 2) y 2,3°C (grupo 6).
· Ce= 0,022 cal/g°C en ambos grupos.
Lo esperado en estos grupos es que el T, a comparación del grupo 1 y 5, sea mayor. Ya que si bien los 4 grupos tienen el mismo volumen de agua, los grupos 2 y 6 tienen el DOBLE de plomo.
Sin embargo, por más que tengamos el doble de plomo y el doble T, el Ce del plomo va a ser igual, ya que este no depende de las masas y volúmenes usados.
Grupo 3 y 7:
· T de 1°c (grupo 3) y 0,7°C (grupo 7).
· Ce= 0,022 cal/g°C (grupo 7) y 0,032 cal/g°C (grupo 3).
En estos grupos tenemos la misma masa de plomo que en los grupos 1 y 5 pero la masa de agua es mayor, por lo tanto, lo esperado es queel T sea menor en comparación a estos 2 grupos debido a la disminución de la temperatura final del sistema. 
Esto se cumple en el grupo 7. 
En cambio, el grupo 3 tiene el mismo T. Lo que nos lleva a plantearnos cuál de todos los grupos tuvo errores. Entonces: el grupo 1 y 2 coinciden en T, el grupo 2 y 6 tienen el doble de T que el grupo 1 y 5, el grupo 7 tiene menor T y, en cambio, el grupo 3 no da el T esperado.
Por lo que puedo concluir que en el procedimiento del experimento del grupo 3 pasaron ciertas cosas que hicieron calcular erróneamente el T. 
Esto hace que también cambie el calor especifico, ya que al grupo 7 le dio 0,022 cal/g°C y al grupo 3 le dio 0,032 cal/g°C (si bien es el valor que más se acerca al valor teórico del calor especifico del plomo, se llego a este resultado de pura casualidad, ya que si a los demás grupos les hubiese dado 0,03 cal/g°C al grupo 3 le hubiese dado un valor mayor debido al error de cuenta que arrastran para llegar al resultado).
Grupo 4 y 8:
· T de 0,6 °C (grupo 4) y 0,8°C (grupo 8).
Tienen la misma masa de plomo que el grupo 1 y 5 y creemos que también tienen la misma masa de agua. Por lo tanto, lo esperado es que los resultados fuesen iguales. 
Lo que pasa con estos dos grupos, es que en realidad la masa de agua no es la misma, sino que 100 gr. mayor, por lo que el T va a ser más pequeño. Esto es lo que hace que, al arrastrar los errores en las cuentas, el calor específico del plomo sea más chico que el real por haber hecho la cuenta con un valor de agua menor al real.
En ambos casos (grupos 4 y 8), el T debería ser igual o similar y en realidad en el grupo 4 es MENOR (temperatura final menor). Puede suceder que:
· Recipiente menos adiabático que los demás.
· Que se haya tardado más tiempo en pasar el plomo al recipiente adiabático. 
En el grupo 3, donde el T debería ser igual y es mayor (temperatura final mayor):
· Que el termómetro este en contacto con la plomada.
BIBLIOGRAFÍA: Física Biológica Veterinaria; 2da Edición; CABA; Eudeba; 2014.
SEGUNDA PARTE:
INTRODUCCIÓN:
Los animales buscan ambientes con temperaturas adecuadas para su organismo o bien crean ambientes internos adecuados. El mantenimiento de una temperatura constante depende del equilibrio entre la ganancia y la pérdida de calor. Las dos fuentes primarias de ganancia de calor son la energía radiante del sol y el metabolismo celular.
Los animales se caracterizan en:
· Heterotermo: Es un animal con temperatura corporal variable.
· Homeotermo: Es un animal que mantiene la temperatura de su cuerpo constante.
También se pueden caracterizar en:
· Endotermo: Es un animal cuya fuente principal de producción de calor es interna y se debe principalmente al alto metabolismo oxidativo.
· Ectotermo: Un animal cuya temperatura es controlada por una fuente externa de calor y su capacidad de generar calor metabólico es insignificante.
El metabolismo es el conjunto de reacciones bioquímicas que ocurren a nivel celular y se mide por la cantidad de calor producido. El metabolismo basal es la cantidad de calor producido por un ser vivo con 24 hs de reposo y 12 hs de ayuno. Se expresa en Kcal/día e indica la cantidad de calorías que necesita un animal para mantener sus funciones vitales; puede ser determinado por:
· Calorimetría directa: Se basa en medir la cantidad de calor producido por el organismo animal durante cierto tiempo. El animal se ubica dentro de una cámara adiabática, como se demostrará en el siguiente experimento (en un calorímetro de Atwater). El calor liberado por el animal calienta el aire de la cámara, este aire caliente cede calor a una serpentina de agua fría que circula dentro del sistema. Al medir la diferencia de temperatura del agua que entra y sale del calorímetro, se puede calcular el calor absorbido por la masa de agua en circulación, y así determinar el metabolismo del animal en estudio.
· Calorimetría indirecta: Se basa en el ritmo de utilización de oxigeno durante la combustión de los nutrientes celulares, y el dióxido de carbono eliminado. Estos datos determinan el cociente respiratorio, el cual da una idea de la utilización de los distintos tipos de nutrientes que se están degradando a nivel celular.
En los animales endotermos, la oxidación de la glucosa y de los lípidos constituyen la principal fuente de calor. Esta producción de calor permite la regulación precisa de la temperatura corporal, la mayoría de los endotermos son buenos homeotermos; es decir que mantienen la temperatura corporal relativamente constante a pesar de las fluctuaciones de la temperatura del ambiente; la temperatura corporal es mantenida por un sistema de regulación automático situado en la base del cerebro (hipotálamo).
Los animales disipan el calor corporal mediante todas las combinaciones de los mecanismos de trasmisión de calor (conducción, convección, radiación).
Mediante la convección, los animales pueden liberar calor al ambiente, por lo tanto el aire y el agua son los responsables de la perdida de calor de los mamíferos.
Por conducción los animales pierden calor, por ejemplo cuando un animal se estira sobre una superficie que está muy fría y esta absorbe el calor.
Las tres formas de transmisión de calor son mecanismos pasivos de termorregulación por que no suponen para el animal un gasto de energía, ellos se producen sin que haya ningún gasto energético ya que son fenómenos físicos, donde el entorno actúa como sistema de absorción de calor.
OBJETIVO DEL TRABAJO PRÁCTICO:
Determinar la cantidad de calor cedida por un ratón mediante la radiación, hacia el entorno evaluado dentro de un recipiente adiabático.
MATERIALES Y MÉTODO:
Con el objetivo de determinar la cantidad de calor eliminada por un animal vivo, en este caso un ratón, medimos la temperatura del aire que ocupaba el recipiente con una termocupla.
Una vez tomada esta medida, introdujimos al ratón y al cabo de 10 minutos, volvimos a utilizar la termocupla para medir la temperatura final y así analizar cuanto había variado la misma. 
Habiendo obtenido estos datos pudimos calcular la cantidad de calor eliminada por el ratón, en ese lapso de tiempo.
RESULTADOS:
Datos:
ʆAIRE = 1,3 Kg/m3
CeAIRE = 0,24 cal/g°C
Volumen RECIPIENTE = 0,00175 m3
Tiempo = 10 minutos.
T INICIAL DEL AIRE = 16,5 °C
T FINAL DEL AIRE = 20,9°C
Cálculos:
MAIRE = ʆ AIRE x Volumen RECIPIENTE
MAIRE = 1,3 Kg/m3 x 0,00175 m3 
MAIRE = 0, 002275 Kg = 2,275 g.
Q CEDIDO + Q ABSORBIDO = 0
Q CEDIDO = - Q ABSORBIDO
Q CEDIDO = - MAIRE x CeAIRE x T
Q CEDIDO = -2,275 g x 0,24 cal/g°C x (20,9°C – 16,5°C) = - 2,4024 cal.
DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES:
El experimentador, al momento de realizar el trabajo práctico para determinar el calor eliminado por los ratones, debería tener en cuenta los posibles errores que alterarían el resultado deseado al terminar la práctica. 
Considerando los distintos factores que pueden alterar los cálculos se encuentran:
· Errores de método: Son aquellos que se cometen cuando la metodología no los contempla. Por ejemplo: Que el recipiente no sea totalmente adiabático.
· Errores casuales: Para los cuales no existe una causa predeterminada. Son imposibles de controlar y alteran, ya sea por exceso o por defecto, la medida realizada. Este tipo de errores se puede eliminar mediante la realización de estudios estadísticos. Por ejemplo: Que animal vivo contemplado dentro del recipiente no esté en condiciones óptimas de salud y su calor liberado sea distinto al que debería eliminar normalmente.
· Errores sistemáticos: Son errores que se repiten constantemente en el transcurso del experimento y que afectan a los resultados finales siempre en el mismo sentido. Por ejemplo, que la termocupla utilizada no esté bien calibrada y no sea tan precisa en su medición.
El metabolismo basal es la cantidad de calor producido por un ser vivo con 24 horas de reposo y 12 horas de ayuno. Como los ratones se hallaban activos, estresados y alimentados antes de la práctica. Por lo tanto, nuestro ratones no se encontrabaen las condiciones adecuadas para calcular su energía basal.
BIBLIOGRAFÍA: Física Biológica Veterinaria; 2da Edición; CABA; Eudeba; 2014.