UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA INDUSTRIAL MANUAL DE LABORATORIO DE TERMODINAMICA Y FLUIDOS
CALIBRACIÓN DE UN TERMÓMETRO DE MERCURIO Y TEMPERATURA DE EBULLICIÓN OBJETIVOS 1. Determinar el el punto cero con su correspondiente correspondiente incertidumbre. 2. Determinar el punto de ebullición del agua con su su incertidumbre. 3. Determinar el valor del valor del factor de escala. 4. Determinar la depresión del cero. cero. 5. Determinar la temperatura de ebullic ebullición ión de algunos líquidos puros. 6. Corregir las temperaturas de ebullic ebullición ión de acuerdo acuerdo con las variaciones en la presión atmosférica.
MARCO TEÓRICO La temperatura de un sistema es aquella propiedad que determina si esté se encuentra o no en equilibrio térmico con otros sistemas. Cuando dos o más sistemas se encuentran en equilibrio térmico, se dice que tienen la misma temperatura.
Un termómetro de mercurio consta básicamente de un depósito de Xe
100
vidrio que se prolonga en una varilla provista de un tubo capilar vacío, (ver figura), por el que asciende el mercurio al dilatarse, como
X
T
consecuencia de la absorción de calor. Sobre la varilla se graba una escala graduada. La lectura
“X”
en la escala está relacionada con la
temperatura “T” a la que se encuentra el termómetro. Calibrar un termómetro no es más que encontrar la relación X
0
matemática entre “ X X y “T . Para ello, se utilizan dos temperaturas ” ”
” ”
conocidas que en nuestro caso serán la de fusión del hielo T f f y la de ebullición del agua, Te. La fusión y la ebullición son transiciones de fase que ocurren a una temperatura constante y que se conoce con mucha precisión. Si la lectura del termómetro es, respectivamente, X f y Xe y si suponemos que la relación entre X y y T es es lineal, tendremos:
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T T f
T e
T f
X e
X f
( X X f )
T f
( X
X f )
(1)
Esta es la ecuación de la recta que pasa por los puntos (T f , Xf ) y (Te, Xe). La pendiente de la recta θ se llama factor de escala termométrica.
La temperatura de fusión del agua apenas se ve afectada por los cambios de presión, de modo que podemos tomar T f =0ºC. Sin embargo, la temperatura de ebullición es muy sensible a la presión, por lo que a la hora de calibrar el termómetro será necesario conocer con bastante precisión la presión atmosférica del lugar de la práctica.
La temperatura de ebullición es aquella a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión externa. En este punto, el vapor no solamente proviene de la superficie sino que también se forma en el interior del líquido produciendo burbujas y turbulencia que es característica de la ebullición. La temperatura de ebullición permanece constante hasta que todo el líquido se haya evaporado.
El punto de ebullición que se mide cuando la presión externa es de 1 atm se denomina temperatura normal de ebullición y se sobreentiende que los valores que aparecen en las tablas son puntos normales de ebullición. En el caso de los líquidos, la temperatura de ebullición se ve afectada por los cambios en la presión atmosférica debidos a las variaciones en la altura. A medida que un sitio se encuentra más elevado sobre el nivel del mar, la temperatura de ebullición se hace menor, por lo cual es necesario realizar la corrección de la temperatura normal de ebullición según la altitud en la cual se encuentre el sistema a evaluar.
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MATERIAL Y EQUIPO 1. Un Termómetro. 2. Dos tubos de ensayo. 3. Estufa. 4. Dos pinzas. 5. Dos vasos de precipitados. 6. Hielo. 7. Soporte universal y nueces. 8. Una pipeta. 8. Líquidos problema.
PROCEDIMIENTO 1. CALIBRACIÓN DEL TERMOMETRO 1.1 Determinación del punto cero En un vaso con hielo finamente picado se introduce el termómetro. Para estar seguros de que el sistema está en el punto de fusión, es preciso añadir una cierta cantidad de agua mezclándola bien con el hielo y esperar (unos 5 minutos) hasta que el nivel del mercurio en el termómetro se estabilice; cuando esto ocurre, el nivel del mercurio marca el punto cero del termómetro, Xf . La lectura ha de realizarse con cuidado para evitar el error de paralaje.
1.2 Determinación de Xe y Te
Se vierte agua en el vaso de precipitado hasta aproximadamente los 2/3 de su volumen y a continuación se introduce el termómetro. Se enciende el mechero y se espera a que hierva el agua durante unos minutos, al cabo de los cuales hacemos la lectura Xe.
Para determinar la temperatura de ebullición del agua (Te), es necesario conocer la presión atmosférica del lugar de la práctica, ver sección 2.2.
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1.3 Depresión del cero Si inmediatamente después de observar el punto de ebullición, introducimos el termómetro de nuevo en el hielo para volver a determinar el punto cero, observaremos que el nivel del mercurio está por debajo de la lectura anterior X f . ello se debe a la histéresis del vidrio, el cual no recupera instantáneamente el volumen primitivo después de haberse dilatado.
Si la nueva lectura es X'f , a la diferencia X f
—
X'f , se la denomina depresión de cero.
Este valor no aparece en la ecuación [1]. Sin embargo, nos da información valiosa sobre la fiabilidad del termómetro, especialmente cuando se miden temperaturas que varían rápidamente.
2. TEMPERATURA DE EBULLICION 2.1 Con el termómetro calibrado mida la temperatura de ebullición de las sustancias problema. Utilizando el siguiente método:
Se introduce una pequeña cantidad del líquido problema en un tubo de ensayo.
Se sujeta el tubo de ensayo y termómetro al soporte universal.
El conjunto se coloca en un vaso de precipitado con agua de tal manera que el bulbo del termómetro y la sustancia queden por debajo del nivel del líquido.
Se calienta suavemente observando la sustancia.
En el momento en que está cambie de fase, se anota la temperatura la cual corresponderá aproximadamente a la transición de fase indicada.
2.2 Con el propósito de comparar los valores obtenidos en la sección anterior con los valores reportados por la literatura, se hace necesario corregir la temperatura normal de ebullición en un factor proporcional a la diferencia de presiones. Los factores de corrección dependen de la polaridad del líquido, ver Tabla 1:
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Tabla 1 Factores de corrección ( fc) del punto de ebullición por cambios en la presión Variación en T por
T°eb normal (°C) 50 60 70 80 90 100 110 120 130
p = 10 mm Hg
Líquidos no polares
Líquidos polares
0.380
0.320
0.392
0.330
0.404
0.340
0.416
0.350
0.428
0.360
0.440
0.370
0.452
0.380
0.464
0.390
0.476
0.400
Fuente: Laboratorio de Química. Universidad de Antioquia.
(2) (3) (4)
3. LABORATORIO VIRTUAL 3.1 Diríjase a la siguiente página Web: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/cero/cero.htm 3.2 Realice la simulación propuesta en el applet. Analice. 3.3 Determine el valor de temperatura en el cero absoluto mediante la formula propuesta en el link y mediante por lo menos dos diferentes pares de puntos, compárelo con el valor esperado. 3.4 Realice la grafica en MS Excel ® u otra hoja de cálculo y obtenga la ecuación de la recta. Analice. ¿Qué representa la pendiente allí obtenida?
Nota: Debe tener instalado Java Platform Estándar Edition en su computador para poder llevar a cabo la practica. Sino lo tiene lo puede descargar del siguiente link: http://www.java.com/es/download/
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ANÁLISIS DE RESULTADOS
Corrija la temperatura normal de ebullición de cada líquido a la presión de Bogotá D.C., y calcule el porcentaje de error de la temperatura de ebullición experimental por comparación con los valores corregidos.
Determine el factor de escala termométrica empleando los datos del agua. Analice
Determine la depresión del cero. Analice.
Con base en la comparación entre las temperaturas de ebullición obtenidas en el laboratorio y las temperaturas de ebullición normal corregidas, establezca las posibles causas de los errores obtenidos.
Reflexione sobre ¿por qué la presión atmosférica influye sobre el punto de ebullición?
Nota: El análisis de los resultados debe ser un proceso riguroso en el cual se intente encontrar relaciones y explicaciones a los diferentes fenómenos observados, razón por la cual no basta con determinar diferencias sino que es necesario explicar el por qué de estas.
ACTIVIDADES ADICIONALES 1. ¿Qué se entiende por calibración de un instrumento? 2. ¿A qué se denomina error de paralaje y como se evita al hacer la lectura en un termómetro? 3. ¿Cuál sería el procedimiento para calibrar un termómetro en grados Fahrenheit? ¿Cuáles serían las fórmulas que habría que cambiar y como deberían escribirse? 4. ¿Podría obtenerse el punto cero del termómetro introduciendo éste en un bloque de hielo directamente? ¿Por qué el hielo ha de estar finamente picado y mezclado con agua líquida? 5. Cuando se mide la presión atmosférica con un barómetro es necesario realizar correcciones por temperatura y gravedad. ¿En qué consisten estas correcciones? 6. ¿Tendrá sentido hablar de temperatura de una molécula?
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7.
Dos cuerpos inicialmente a diferente temperatura, si están en contacto térmico, después de un cierto tiempo alcanzan una temperatura intermedia estable que denominamos temperatura de equilibrio. ¿Pueden, sin embargo, estar en equilibrio térmico dos cuerpos que no estén en contacto térmico? ¿Cómo se llama este principio lógico?
8. ¿En qué caso un sistema no está en equilibrio consigo mismo? De un ejemplo. 9. En base a la información contenida en el laboratorio virtual, diga ¿por qué al cambiar el tipo de gases manteniendo el mismo numero de moles, se obtiene una misma recta de PV vs T? y, ¿por qué al aumentar el numero de moles para una misma sustancia se obtiene una recta diferente? 10. Teniendo como base el modelo de los gases ideales enumere las variables termodinámicas macroscópicas y microscópicas. ¿Qué sentido tienen las variables microscópicas y macroscópicas. 11. Investigue ¿cuál es la utilidad del valor de depresión del cero cuando se miden temperaturas que varían rápidamente? 12. ¿Cómo influye la presencia de impurezas solubles en el punto de ebullición? 13. ¿Dónde se cocinará más rápido un huevo: en el Himalaya ( p = 300 torr), en la luna (patm = 20 torr) o en Bogotá (patm = 560 torr)? Explique su respuesta. 14. ¿Qué son fuerzas intermoleculares y cómo se clasifican? 15. ¿Por qué los alimentos se cocinan más fácilmente en una olla a presión? 16. El punto normal de ebullición de la etiléndiamina, H 2N(CH2)2NH2, es 117 °C y el de la propilamina, CH3(CH2)2NH2, es de 49 °C. Las moléculas, sin embargo, son semejantes en tamaño y masa molar. ¿Cómo se explica la diferencia en los puntos de ebullición. 17. Investigue qué son sustancias polares y no polares. ¿Qué son los puentes de hidrógeno. ¿Qué relación tiene la polaridad con el punto de ebullición? 18. El CBr 4 tiene un punto de ebullición (189.5 °C) mayor que el del CCl4 (76.8 °C). Un estudiante encuentra que el enlace C-Br es más débil que el enlace C-Cl y deduce que esta debe ser la razón por la que el CBr 4 tiene un mayor punto de ebullición. ¿Está de acuerdo con la conclusión del estudiante? 19. Investigue que es presión de vapor. Dar ejemplo.
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