LABORATORIO DE TERMODINÁMICA 1 CALORIMETRÍA EQUIVALENTE EQUIVALENTE TÉRMICO DEL CALORÍMETRO LABORATORIO No 2 Johan Javier Suarez 1; Sandra Johana Portillo 2; David Fernando Saavedra3 Facultad de Ciencias Básicas, Departamento de u!mica, "niversidad Santia#o de Cali 2$1%
RESUMEN
Dura Durant nte e la la práct práctic ica a se determ determin in& & el
de la mez mezcla cla del del a#ua a#ua a temp temper erat atura ura
am'iente, es decir a 2%(C, con el a#ua caliente a )$(C apro*imadamente, en un calor!metro, calor!metro, el cual se o'tuvo un ; al e*perimental e*perimental se le determin& determin& un C+ con con 1%,) %,)-. /am'i0n 'i0n se lo#r lo#r& & det determ erminar inar la ent entalpi alpia a del del a#ua a#ua a condiciones atmos0ricas de presi&n a la temperatura de e4uili'rio de la reacci&n, 4ue ue de . Calor!metro,, capacidad capacidad espec!ica, espec!ica, capacidad capacidad calor!ica calor!ica molar, molar, Pala Palabr bras as Clav Clave: e: Calor!metro e4uivalente t0rmico, entalpia.
INTRODUCCIÓN
Calor es la energía en transición a través de la frontera de un sistema, que no se puede identificar con una fuerza mecánica que actúa a lo largo de una distancia, el calor aparece en un proceso cuando hay alguna diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores. alrededores. La dirección de transición transición de energía siempre es hacia la zona de menor temperatura. l calor saldrá de un sistema si el sistema está más caliente que sus alrededores, si es más frio que ellos, el calor entrará al sistema. l calor se identifica con el sím!olo ". la unidad de calor es la caloría y esta será la cantidad de calor requerida para elevar #$C la temperatura de un gramo de agua, cuando el agua esta a %$C. La calorimetría es la ciencia y la tecnología que ocupan de medir con precisión la energía y la entalpía, los dos tipos de calorímetros e&istentes son los adia!áticos e isotérmicos' un calorímetro adia!ático consta esencialmente de un recinto rodeado por una pared adia!ática, en cuyo interior se encuentra el vaso calorímetro que es donde se realizan las operaciones deseadas. Como no e&iste ningún material cuya conductividad conductividad calorífica calorífica sea cero, la pared adia!ática material e inerte no e&iste. Los calor caloríme ímetro tros s isoté isotérmi rmicos cos es aque aquell que mantie mantiene ne const constan ante te la tempe temperat ratura ura del del
pro!lema a lo largo del proceso de medida y que le hace intercam!iar calor a otros sistemas de temperatura constante. La ley de conductividad térmica de (ourier es una e&presión vectorial que indica que el flu)o de calor es normal a una isoterma y en la dirección de la temperatura decreciente, aplicando a todo tipo de material sin importar su estado, refiriéndose como propiedad de transporte, indicando la velocidad a la que se transfiere energía. La capacidad calorífica es una propiedad que indica la capacidad de un material de a!sor!er calor de su entorno, representa la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura en una unidad. OBJETIVOS •
•
ncontrar el equivalente térmico de un calorímetro mediante un e&perimento con mezcla de agua fría y caliente Conocer los tipos de calorímetros y sus utilidades.
MÉTODOLOGIA Y RESULTADOS
Temperatura ambiete!
Ca"iete!
Me#$"a
*ráfica #. Comportamiento de la temperatura del agua en el tiempo, correspondiente al ensayo # y + respectivamente. a!la +. -atos o!tenidos durante la práctica. -atos nsayo # nsayo + +,/ +,/ %,/ 0,1 %+, %+, #// #//
%&%& C'"$u"o( ) re(u"ta*o(&
a!la 1. Cálculos y resultados o!tenidos durante la práctica. n
te+ri$o # + 5romedio -esvest C6
+2,3+ 1,4% 1+,21 0,0+ #,2%
%0,/ %0, %0,1
/,// /,0# /,+0
Cálculo del equivalente térmico en el calorímetro7
E$& 2 Cálculo del equivalente térmico medio7
E$& % Cálculo de la temperatura en equili!rio teórico7
E$& , Cálculo del 8 de error del , evaluado con respecto a la temperatura en equili!rio teórico7
E$& DISCUSIÓN DE RESULTADOS
n la práctica se determinó el equivalente térmico medio del agua, como producto de la reacción entre el agua caliente y agua a temperatura am!iente en un calorímetro, el cual se determinó que era 1+,21 Cal9$C, el equivalente térmico medio es un cálculo que se determina con las masas de los productos reaccionantes y los cam!ios de temperatura como se aprecia en la ecuación +, esto indica la cantidad de energía en forma de calor que a!sor!ió el sistema de agua a temperatura am!iente o el calor que cedió el agua caliente al agua fría' con las mediciones de se determinó una desviación estándar de
y un
del #,2%8, este último se de!e a
muchos errores sistemáticos, principalmente de los instrumentos usados, e decir del calorímetro, de!ido a que era un sistema no muy aislado, lo cual permitía una
transferencia significativa de energía, además el termómetro digital que se usó presenta!a fallas en las medición, por ende toca!a agitar constantemente para que tomara el registro, tam!ién se de!e a los errores de los analistas en la ha!ilidad de manipulación del calorímetro, para evitar en lo posi!le las pérdidas de calor del sistema, tam!ién se de!e a los errores aleatorios inherentes. l
teórico calculado a partir de una
como la
:temperatura de equili!rio; considerada
en la ecuación +, se ale)a en gran medida del
e&perimental como se
evidencia con su 8 de error, es decir con 8 de error muy grandes e incluso indeterminados :ver ta!la 1;, para ello se podría decir que la fórmulas empleadas no sean las más adecuadas para evaluar este comportamiento, otra sería que la teórico nunca coincida con la
e&perimental, en cualquiera de los casos el
teórico no evidencia claramente una transferencia de energía en el equili!rio, se de!e pro!a!lemente a que, para que se cumpla el sistema de!ería ser totalmente adia!ático. La energía interna total es una propiedad e&tensiva, por lo tanto se puede e&presar como la suma de energías internas de las partes del sistema, entonces el cam!io de energía interna total del sistema es7 1
E$& . E$& / La
es la misma
, es decir que es la incógnita, si se despe)a se llega a la
ecuación %, tam!ién se puede llegar a la ecuación +. l equivalente térmico corresponde al equili!rio térmico, el cual es el principio de la ley cero de la termodinámica, ca!e destacar que los cuerpos como un sistema no almacenan calor, sino que poseen una energía interna asociada a los movimientos moleculares, atómicos o electrónicos, el estudio que se realizó durante la práctica se considera cerrado con paredes fi)as, no es un sistema propiamente adia!ático porque a simple vista y en !ase a estudios realizados con esos instrumentos :calorímetros;, demuestran que no es un sistema adia!ático' como sistema cerrado tiene paredes fi)as y es importante tenerlo presente porque, con ello nos permite evaluar y estudiar las capacidades caloríficas, por e)emplo, al evaluar la cantidad neta de energía transferida al sistema a un volumen constante se define con la ecuación 2 o 3.
a 0o"ume $o(tate&
E$&
E$&
-e manera análoga la e&presión de calor específico a presión constante
se
o!tiene al considerar un proceso de e&pansión o comprensión pero a presión constante como se aprecia en la ecuación #/. 1
E$& 13
Como se aprecia la ecuación 3 la definición formal de
es, el cam!io de energía
interna con la temperatura a un volumen constante, de manera análoga
con la
ecuación #/, representa el cam!io de la entalpía con la temperatura a presión constante. -e las ecuaciones 3 y #/ se puede resaltar varias o!servaciones, una es que
y
son independientes del tipo de proceso, es decir que lo más importante
es como empieza y como termina, pero no tiene en cuenta la manera en que lo llegó. 1
(igura +. Calores específicos a volumen y presión constante
y
:los valores
e&presados son para el gas helio;. La figura + representa los procesos en los que se evalúa
y
, y se puede apreciar
claramente que el sistema evaluado durante la práctica, es decir el calorímetro, no cumple con ninguno de los procesos, con el proceso en el que se evalúa
como se
muestra en la figura +, no cumple definitivamente porque se ve un desplazamiento
del em!olo, y esto a su vez provoca un tra!a)o, el primero en el proceso que se evalúa
, tampoco cumple porque no era un sistema completamente aislado, el
calorímetro usado durante la práctica, como se mencionó anteriormente tiene muchos defectos por lo cual se generó grandes pérdidas de calor durante su estudio' generalmente
se aplica para gases comprimidos, y el
para líquidos y sólidos
pero cuando se realiza un tra!a)o, por esta razón el sistema estudiado no cumple con ninguno de los procesos anteriormente mencionados.
, es decir que este cam!io se de!e a
que no hu!ieron cam!io significativos ni en la presión, ni en el volumen, por ende no se puede ha!lar a groso modo de
y
, simplemente se denomina
.
=atemáticamente se puede compro!ar que los calores específicos a volumen y presión constantes son idénticos para sustancias incomprensi!les, es decir tanto para sólido como para líquidos' los líquidos al igual que los gases ideales dependen en gran medida de la temperatura, y la transferencia de energía se e&presa como entalpía : ; como se aprecia en la ecuación ##, pero para sistemas cerrados no hay un cam!io de volumen y la entalpia se determina con la ecuación #+.
1
E$& 11 E$& 12 >l integrar es7
E$& 1% 5ara los sólidos el
de la ecuación #1 es desprecia!le y
, pero
para los líquidos se encuentra + casos especiales7 1 #. 5rocesos a presión constante, como en los calentadores :
;7
. +. 5rocesos a temperatura constante, como en las !om!as ::
;7
. -urante la práctica se determinó que era a presión constante es decir a la temperatura am!iente de # atm apro&imadamente, en el caso de la temperatura no se puede decir lo mismo porque varia!a considera!lemente, este
se puede
determinar fácilmente con las ta!las' la temperatura que tomó como referencia es la temperatura en equili!rio, con la mezcla del agua caliente y a temperatura am!iente, es decir a %+$C :ver la
de la ta!la +;, que al aplicar la conversión de temperatura a
es de #/4,$(, pero se apro&ima a #//$( para determinar la entalpia del agua comprimida :ver ane&o 1;, tam!ién se de!e convertir # atm de presión a psia, el cual corresponde a #%,4 psia, es una presión !a)a que no se incluye en el ane&o 1, pero a groso modo se determina que la entalpia es y e&presado en calorías sería
que equivale a
.1
CONCLUSIONES
l equivalente térmico :
; corresponde a la energía que se transfiere desde
un cuerpo caliente a uno frío, el cual se determinó que el agua a las temperaturas y masas dadas se determinó que el
La transferencia de energía como y como
es igual a 1+,21Cal9$C.
son apro&imadamente iguales
es decir que am!as e&presan una transferencia de energía, pero se difieren en gran medida en sus unidades, es decir que el de energía por cada $C, mientras que la
e&presa la transferencia
e&presa la transferencia de energía
por cada gramo.
l
corresponde a
:ver ane&o 1;, en !ase a un cálculo
apro&imado de temperaturas y presión.
l
que se determinó durante la práctica se puede considerar una propiedad
e&tensiva, mientras que la
es una propiedad intensiva.
l ane&o 1, o!tenido de la literatura evidencia como la entalpía depende drásticamente de la temperatura, mientras que no se podría decir lo mismo de la presión, por lo tanto se cumple que la entalpía depende directamente de la
temperatura y se cumple la ecuación 2.
l 8 de error relativo al comparar el
e&perimental con el
teórico de la
ta!la 1 es muy elevado, y se de!e pro!a!lemente que el sistema usado durante la práctica nunca vaya a ser un sistema adia!ático totalmente. CUESTIONARIO
#. ?"ué es el frasco de -e@ar y para qué sirveA l vaso de -e@ar, es un recipiente metálico inventado por
.
4i5ura %& (rasco -e@ar o termo. +. ?"ué es un material aislante, e)emplosA a)o el nom!re de materiales aislantes se agrupan productos que cumplen muchas funciones. 5or eso es necesario precisar frente a que fenómeno de!e e)ercer la función aislante por e)emplo7 >islante érmico7 n realidad tanto para el campo eléctrico como en el campo térmico, no e&isten aislantes perfectos, sino cuerpos malos conductores de calor y capaces de frenar la intensidad de un flu)o térmico. stán caracterizados por un coeficiente de conductividad :D; lo más !a)o posi!le. >islante >cústico7 > su vez se clasifican en7 =ateriales antivi!ratorios7 se oponen a la transmisión de las vi!raciones provocadas por las máquinas y los impactos. ste tipo de aislantes se emplean en la construcción, en los monta)es o dispositivos colocados !a)o las máquinas. n esta categoría encontramos el corcho, el caucho y las fi!ras minerales. =ateriales >!sor!entes7
>islamiento acústico7 vita la propagación del ruido entre dos recintos. l material más usado es el yeso. 1. ?"ué es un aceite dieléctrico y cuál es la diferencia con el aceite térmicoA En aceite dieléctrico es una sustancia no conductora, se caracteriza por tener resistencia a la ignición, esta!les a la o&idación, !uenos aislantes y refrigerantes y tiene un período de vida útil muy largo normalmente se usan en zonas de potencia en los transformadores' en cam!io un aceite térmico permite la transferencia térmica, soportan altas temperatura y sufren mayor degradación que un aceite dieléctrico, normalmente se utilizan en el recu!rimiento de las chaquetas de los reactores. %. &plique qué es el equivalente térmico del calorímetro en sus pala!ras. l equivalente térmico en agua en un sistema cerrado, representa la transferencia de energía en forma de calor de un cuerpo caliente a un cuerpo frío. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
F#G usHo Bauraliztta, go!ierno vasc. +/ -metro
+/#%'
#070/.
-isponi!le
en7
F1G Cengel K. >., oles =. >. :+/##;. >nálisis de energía de sistemas cerrados. n /ermodinámica :cap %, pp #41 #3+;. 4 ed. =é&ico7 =cI*ra@IMill companies.
