Instituto Politécnico Nacional Escuela superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Ingeniería en Comunicación y Electrónica
Laboratorio de Química Aplicada Aplicada Practica N! "#ermodinámica$ Integrantes% Alarcón Díaz Acxiel González Pérez Geovanni Ildefonso Orozco Esteban Uriel Sánchez oronado Alberto !ristán
&rupo% 'C(!
Practica "#$
Ob%etivo& El al'(no deter(inara con los datos obtenidos en el laboratorio el traba%o desarrollado en 'n )roceso ter(odiná(ico*
+arco !eórico& !er(odiná(ica Antes de entrar en el est'dio ter(odiná(ico de )rocesos sencillos es necesario establecer 'na serie de conce)tos , la no(enclat'ra no (enclat'ra )ara el (e%or entendi(iento de la asi-nat'ra* En )ri(er l'-ar tendre(os .'e deli(itar de for(a )recisa la )arte del Universo ob%eto de n'estro est'dio/ distin-'iéndose entre& Siste(a& )arte del Universo ob%eto de est'dio* Alrededores& )orción del Universo .'e no se va a est'diar/ )ero .'e )'ede interacciónar con el siste(a* Pared& se)aración real o i(a-inaria entre el siste(a , los alrededores* El ti)o de )ared deter(ina .'e ti)o de interacción se )'ede )rod'cir entre el siste(a , los alrededores* Así las )aredes )'eden ser& +óvil o rí-ida/ lo .'e )er(itirá o no 'n ca(bio de vol'(en del siste(a/ Per(eable/ i()er(eable o se(i)er(eable/ lo .'e )er(itirá o no el interca(bio de (ateria entre el siste(a , los alrededores* Adiabática o Diatér(ica/ .'e )er(ite o i()ide/ res)ectiva(ente/ (antener 'na diferencia de te()erat'ra entre el siste(a , los alrededores* Así/ los siste(as ter(odiná(icos .'e )ode(os est'diar/ se )'eden clasificar en& errados& son a.'ellos .'e )'eden interca(biar ener-ía/ a'n. 'e no (ateria/ con los alrededores* Abiertos& a.'ellos .'e )'eden interca(biar (ateria , en er-ía* Aislados& .'e no )'eden interca(biar ni (ateria ni ener-ía*
Para describir 'n siste(a ter(odiná(ico debe(os conocer los valores de 'na serie de )ro)iedades observables (acroscó)ica(ente/ lla(adas variables/ )ro)iedades o f'nciones ter(odiná(icas/ )or e%e()lo/ )resión 0P1/ te()erat'ra 0!1/ densidad 021/ vol'(en 031/ e tc* "o todas las variables ter(odiná(icas son inde)endientes/ ,a .'e 'na vez definidas al-'nas de ellas las otras )'eden obtenerse en f'nción de estas/ (ediante 'na ec'ación de estado* 4as variables ter(odiná(icas )'eden clasificarse en& Extensivas& .'e de)enden de la cantidad de (ateria/ e%* el vol'(en* Intensivas& .'e son inde)endientes inde)end ientes de la cantidad de (ateria/ e%* P/ !/ densidad* Así s'r-e otra clasificación )ara 'n siste(a ter(odiná(ico/ los siste(as )'eden ser a s' vez& 5o(o-éneos& las )ro)iedades ter(odiná(icas tiene los (is(os valores en todos los )'n tos del siste(a* El siste(a está constit'ido )or 'na sola fase* 5etero-éneos& las )ro)iedades ter(odiná(icas no son las (is(as en todos los )'ntos del siste(a* El siste(a está constit'idos )or varias fases/ se)aradas entre sí )or 'na 6frontera6 lla(ada interfase* 'ando el siste(a se )resenta en fase -aseosa/ el siste(a es ho(o-éneo/ con inde)endencia de el n7(ero de co()'estos .'í(icos .'e lo constit',an 0e%* el aire1* Una s'stancia )'ra/ sólo )'ede )resentar 'na fase lí.'ida/ sin e(bar-o )'de exhibir varias fases sólidas 0e%* 0e%* carbono co(o dia(ante/ -rafito o f'releno1* En el caso siste(as co()'estos )or (ás de 'na s'stancia .'í(ica/ la sit'ación es (ás co()le%a/ ,a .'e los lí.'idos )odrán ser o no (ixcibles total(ente en deter(inadas circ'nstancias de )resión , te()erat'ra/ dando )or tanto l'-ar a la distinción de 'na o de varias fases* 8 lo (is(o se )'ede decir de los sólidos/ en -eneral 'na aleación constit'irá 'na fase/ )ero la (ezcla de sólidos estará for(ada )or tantas fases co(o sólidos estén )resentes* El estado de 'n siste(a .'eda definido c'ando todas las variables ter(odiná(icas tienen valores fi%os* Por lo tanto/ las variables ter(odiná(icas son f'nciones de estado , (ientras s' valor no ca(bie el estado del siste(a ta()oco/ ahora bien c'ando 'na variable ca(bia el estado del siste(a ta(bién ca(bia* El ca(bio s'frido )or el siste(a debido a 'n )roceso ter(odiná(ico .'eda definido sólo c'ando se indica9 El estado inicial del siste(a* El estado final del siste(a* 4a tra,ectoria o ca(ino se-'ido en el )roceso*
+', i()ortante es indicar .'e las variables ter(odiná(icas solo están definidas c'an do el siste(a está en e.'ilibrio ter(odiná(ico* :;'é si-nifica e.'ilibrio ter(odiná(ico< si-nifica .'e se den si('ltanea(ente tres sit'aciones& E.'ilibrio tér(ico 0.'e la te()erat'ra no ca(bie 1* E.'ilibrio .'í(ico 0.'e s' co()osición no ca(bie1* E.'ilibrio (ecánico 0.'e no se )rod'zcan (ovi(ientos en el siste(a1* En f'nción de có(o se realize el ca(bio de estado se habla de& Proceso reversible& los ca(bios en las f'nciones de estado son infinitesi(ales* El siste(a está )ractica(ente en e.'ilibrio d'rante todo el )roceso/ lo .'e i()lica 'n tie()o/ )ara s' realización/ infinito* Se conoce el valor de las )ro)iedades ter(odiná(icas en cada )'nto de la tra,ectoria* Proceso irreversible& el siste(a sólo está en e.'ilibrio en el estado inicial , en el final* "o se )'ede conocer el valor de las f'nciones de estado en los )'ntos inter(edios de la tra,ectoria* Al-'nos no(bres )ara )rocesos es)ecíficos en los .'e el siste(a ca(bia de estado son& Proceso isotér(ico& la ! )er(anece constante* Proceso isobárico& la P )er(anece constante* Proceso isocórico& el 3 )er(anece constante*
Una for(a de re)resentar -ráfica(ente los estados , las transfor(aciones .'e ex)eri(enta 'n siste(a es el lla(ado diagrama de Clapeyron o diagrama p - V* En el e%e vertical se re)resenta la )resión , en el horizontal h orizontal el vol'(en* 'al.'ier estado de equilibrio/ definido )or s's variables 0 p/ p/ V 1/ 1/ se re)resenta (ediante 'n )'nto en dicho dia-ra(a* 4a te()erat'ra de dicho estado se obtiene haciendo 'so de la ec'ación de estado*
En la fi-'ra s')erior se han re)resentado dos transfor(aciones en 'n dia-ra(a ) = 3* 4a )ri(era de ellas 0A=>/ en ro%o1 es 'na transformación isócora 0tiene l'-ar a vol'(en constante1/ , la >= es 'na transformación isóbara 0a )resión constante1* con stante1* A(bas son transfor(aciones reversibles )'esto .'e/ al estar re)resentados en el dia-ra(a todos los estados inter(edios entre el estado inicial , el final/ deben ser necesaria(ente de e.'ilibrio* Si no lo f'eran/ las variables ter(odiná(icas no estarían bien definidas en ellos* Un siste(a ter(odiná(ico )'ede ter(odiná(ico )'ede interca(biar ener-ía con s' entorno en for(a de traba%o traba%o , , de calor / , ac'('la ener-ía en for(a de ener-ía interna* interna* 4a relación entre estas tres (a-nit'des viene dada )or el principio de conservación de la energía* Para establecer el )rinci)io de conservación de la ener-ía reto(a(os la ec'ación est'diada en la )á-ina dedicada al est'dio de siste(as de )artíc'las .'e relaciona el traba%o de las f'erzas externas 0?ext1 , la variación de ener-ía )ro)ia 0@U1 )ro)ia 0@U1 &
"o(bra(os i-'al a la ener-ía )ro)ia .'e a la ener-ía interna )or.'e interna )or.'e coinciden/ ,a .'e no esta(os considerando la traslación del centro de (asas del siste(a 0ener-ía 0ener-ía cinética orbital1* orbital1*
Por otra )arte/ el traba%o de las f'erzas externas es el (is(o .'e el realizado )or el -as )ero ca(biado de si-no& si el -as se ex)ande realiza 'n traba%o traba%o 0?1 0?1 )ositivo/ en contra de las f'erzas externas/ .'e realizan 'n traba%o ne-ativo9 , a la inversa en el caso de 'na co()resión* Ade(ás/ ahora tene(os otra for(a de s'(inistrar ener-ía a 'n siste(a .'e es en for(a de calor 0;1*
4'e-o la ex)resión final .'eda&
Este en'nciado del )rinci)io de conservación de la ener-ía a)licado a siste(as Termodinámica* ter(odiná(icos se conoce co(o Primer Principio de la Termodinámica Para aclarar estos conce)tos considere(os el si-'iente e%e()lo& 'n reci)iente )rovisto de 'n )istón contiene 'n -as ideal .'e se enc'entra en 'n cierto estado A* 'ando desde el exterior se le s'(inistra calor al -as 0;B1 s' te()erat'ra a'(enta , se-7n la 4e, de Co'le/ Co'le/ s' ener-ía interna ta(bién 0U 0U BU A1* El -as se ex)ande )or lo .'e realiza 'n traba%o )ositivo* El )ri(er )rinci)io nos da la relación .'e deben c'()lir estas (a-nit'des&
Si el reci)iente t'viera )aredes fi%as/ el -as n o )odría realizar traba%o/ )or lo .'e el calor s'(inistrado se invertiría ínte-ra(ente en a'(entar la ener-ía interna* Si el reci)iente est'viera aislado tér(ica(ente del exterior 0Q=0 0Q=011 el -as al ex)andirse realizaría 'n traba%o a costa de s' ener-ía interna/ , en consec'encia esta 7lti(a dis(in'iría 0el -as se enfriaría1* Forma diferencial del Primer Principio
Si el )roceso realizado )or el -as es reversible reversible// todos los estados inter(edios son de e.'ilibrio )or lo .'e las variables ter(odiná(icas están bien definidas en cada instante a lo lar-o de la transfor(ación* En esta sit'ación )ode(os escribir el )ri(er )rinci)io de la si-'iente (anera&
4a diferencia de sí(bolos e()leados )ara desi-nar la diferencial del calor/ del traba%o , de la ener-ía interna re)resenta .'e la ener-ía interna es 'na f'nción de estado/ estado/ (ientras .'e el calor , el traba%o de)enden de la transfor(ación .'e describe 'n siste(a* Se-'ndo )rinci)io 'al.'ier )roceso .'e oc'rre es)ontánea(ente )rod'ce 'n a'(ento de entro)ía del 'niverso En el si-lo I a )artir del traba%o de arnot sobre el rendi(iento de las (á.'inas de va)or/ se obt'vo la ex)resión (ate(ática .'e )er(ite (edir c'antitativa(ente la tendencia de los siste(as a evol'cionar/ , en .'e sentido lo hacen/ h acen/ es decir/ el ca(bio de entro)ía& !ercer !ercer )rinci)io F4a entro)ía de 'n ele(ento )'ro en s' for(a condensada estable 0sólido o lí.'ido1 es cero c'ando la te()erat'ra tiende a cero , la )resión es de bar 8 se-7n el !ercer Princi)io& FEn c'al.'ier )roceso isotér(ico .'e i()li.'e s'stancias )'ras/ cada 'na en e.'ilibrio interno/ la variación de entro)ía tiende a cero c'ando la te()erat'ra tiende a cero
alor , traba%o Helación entre calor , traba%o Si calor , traba%o son a(bos for(as de ener-ía en tránsito de 'nos c'er)os o siste(as a otros/ deben estar relacionadas entre sí* 4a co()robación de este ti)o de relación f'e 'no de los ob%etivos ex)eri(entales )erse-'idos con insistencia )or el físico in-lés Ca(es Prescott Co'le 0=J1* A'n c'ando efect'ó diferentes ex)eri(entos en b'sca de dicha relación/ el (ás conocido consistió en deter(inar el calor )rod'cido dentro de 'n calorí(etro a consec'encia del roza(iento con el a-'a del calorí(etro de 'n siste(a de )aletas -iratorias , co()ararlo )osterior(ente con el traba%o necesario )ara (overlas* 4a ener-ía (ecánica )'esta en %'e-o era controlada en el ex)eri(ento de Co'le haciendo caer 'nas )esas c',a ener-ía )otencial inicial )odía calc'larse fácil(ente de (odo .'e el traba%o ?/ co(o variación de la ener-ía (ecánica/ vendría dado )or& ? K @ E) K (*-*h siendo ( la (asa de las )esas/ h la alt'ra desde la .'e caen , - la aceleración de la -ravedad* Por s' )arte/ el calor liberado )or la a-itación del a-'a .'e )rod'cían las as)as en (ovi(iento daba l'-ar a 'n a'(ento de la te()erat'ra del calorí(etro , la a)licación de la ec'ación calori(étrica& ; K ( c 0!f= !i1 )er(itía deter(inar el valor de ; , co()ararlo con el de ?* ?* !ras !ras 'na serie de ex)eriencias en las .'e (e%oró )ro-resiva(ente s's res'ltados/ lle-ó a encontrar .'e el traba%o realizado sobre el siste(a , el calor liberado en el calorí(etro -'ardaban sie()re 'na relación constante , a)roxi(ada(ente i-'al a L/M* Es decir/ )or cada L/M %o'les de traba%o realizado se le co('nicaba al calorí(etro 'na cantidad de calor i-'al a 'na caloría* Ese valor deno(inado e.'ivalente (ecánico del calor se conoce ho, con (ás )recisión , es considerado co(o L/L %o'lesNcalorías* 4a relación n'(érica entre calor ; , traba%o ? )'ede/ entonces/ escribirse en la for(a& ? 0%o'les1 K L/*; 0calorías1 4a consolidación de la noción de calor co(o 'na for(a (ás de ener-ía/ hizo del e.'ivalente (ecánico 'n si()le factor de conversión conv ersión entre 'nidades diferentes de 'na (is(a (a-nit'd física/ la ener-ía9 al-o )arecido al n7(ero .'e )er(ite convertir 'na lon-it'd ex)resada en )'l-adas en la (is(a lon-it'd ex)resada en centí(etros*
Desarrollo de la )ráctica $* +aterial& vaso de )reci)itados de MB (l* ter(ó(etro* )inza )ara vaso* )inza 'niversal* (echero/ anillo , tela cNasbesto* %erin-a de )lástico -rad'ada de MB (l* ter(ó(etro* )esa de )lo(o -rande* $*M Heactivos& Aire
PD K ((5QRB((5- K *B$xBR dinasNc(M + e(bolo K -* D int K *M c(* cal K L*$ at(c($
Procedi(iento Pri(era )arte* *+onte la %erin-a co(o se indica en la fi-'ra 0sin la )esa de d e Plo(o1/ M* A contin'ación anote el vol'(en inicial/ a contin'ación )on-a arriba del e(bolo la )esa de )lo(o/ )resione li-era(ente , anote el vol'(en final 03M1/ $*inal(ente .'ite la )esa de )lo(o , anote el n'evo vol'(en* Se-'nda )arte* *+onte la %erin-a co(o se indica en la fi-'ra M* M*Presione li-era(ente , to(e el vol'(en corres)ondiente a la te()erat'ra a(biente del a-'a* $*alentar hasta RB#/ )resionar li-era(ente , anotar el vol'(en* L*ontin7e calentando , anotando los vol7(enes a B#/ JB# , te()erat'ra de eb'llición del a-'a*
'estionario *He-istre los datos obtenidos en el laboratorio* Pri(era )arte 4ect'ra 3 3M 3$
3ol'(en Tc($V ó T(lV * L*
Se-'nda )arte !e()erat'ra # !oKA(bienteKM$KMJR*#W !KRB !MKB !$KJB !LKEb'llicion
3ol'(en c($ R Q * *
M* onsiderando .'e en la )ri(era )arte la te()erat'ra )er(anece constante/ calc'lar el traba%o realizado en 'n )roceso isotér(ico* ?K
nRT
V 2
ln 0
V 1
1
m∗g P e(boloK
r
2
P e(boloK 00- 10J c(NsM11N0 0$*LR10 0*J1M1 K $BR*R dinasNc(M PD**K PD**K 0((5-N1 0*B$xBR dinas1NQRB((5GK d inas1NQRB((5GK QQJQL$*L dinasNc(M PoK P e(boloX PD** Po K $BR*R dinasNc(M dinasNc(M X QQJQL$*L dinasNc(M K QMQRB* dinasNc(M PoKQMQRB* dinasNc(M QRB((5GN*B$xBR DinasN c(MK Q*MR ((5KB*QQMQ At(
Para calc'lar el n7(ero de (oles se to(an los valores de la )resión , vol'(en inicial a través de la ec'ación -eneral del estado -aseoso& o(o P3K nH! Entonces& nKP3NH!a(bKB*QQMQ nKP3NH!a(bKB*QQMQ at(0xB=$ l1 N0B*BM at( l N(ol #W1MJQ* #WK*xB=L(ol #WK*xB =L(ol nK*xB=L(ol
?K
V 2 nRT ln 0 V 1 1
Usa(os HK*JQcalN#W (ol 5
?K 0*xB=L(ol1 1 0*JQcalN#W (ol1 0MJQ* #W1 ln 0
4.5
1
?K J*M xB=$ cal $* on los datos obtenidos en la se-'nda )arte/ calc'lar el traba%o realizado )or el -as en cada 'na de las eta)as* o(o la )resión )er(aneció constante& "ota& la )resión Po es la (is(a .'e en el ex)eri(ento , co(o es constante se 'sa la (is(a en todos los cálc'los ? K P 03 Y 3B1 ?K B*QQMQ 0 R c($= c($1 c ($1 1 cal
Para convertir a calorías 'sa(os el factor 0 ?KB*QQMQ at( c($ K B*BQBJ cal
41.3 Atm cm
3
¿
?M K P 03M Y 3 1 ?M K B*QQMQ at( 0Q*=R c($1 c ($1 ?M K *JB at( c($ K *BMBRL cal
?$ K P 03$ Y 3M1 ?$K B*QQMQ at( 0=Q*1 c($ ?$ K B*$R$ at( c($ K J*$LQ xB=$ cal
?L K P 03L Y 3$1 ?L KB*QQMQ at( 0*=1 c($ ?L K B*$R$ at( c($ K J*$LQ xB=$ cal
L* Deter(ine el traba%o total realizado )or el -as ?! K P 03L Y 3B1 ?! K B*QQMQ at( 0* c($ Y c($1 ?! K M*QBLLat( c($ K R*L$ xB=M cal Por otra )arte al hacer la s'(atoria de los traba%os individ'ales obtene(os& ?X ?MX ?$X?LK R*LM xB=M * o()are el )'nto L con el obtenido en el )'nto $ 0s'(ando los traba%os de cada 'na de las eta)as1* Si ha, al-'na diferencia indi.'e )or.'e En la co()aración de los res'ltados .'e se obt'vieron en los ex)eri(entos L , $ no h'bo 'na -ran diferencia en la s'(a de ?/ ?M/ ?$/ , ?!* tal vez debido solo a los deci(ales .'e to(a(os en c'enta al hacer la s'(atoria*
O"4USIO"ES& Alarcón Díaz Acxiel: Acxiel: Esta Esta ec'ación es (', i()ortante debido a .'e tiene 'sos (', )rácticos en la ind'stria/ .'e trata con s'stancias .'í(icas , de las c'ales es necesario deter(inar (ediante cálc'los el ti)o de c'estiones de s's )ro)iedades co(o s' densidad/ )eso (olec'lar/ vol'(en/ )eso/ te()erat'ra critica , )resión critica* González Pérez Geovanni: alc'la(os el traba%o ter(odiná(ico del (is(o )roceso (ediante dos o)eraciones diferentes , obt'vi(os el (is(o res'ltado/ con esto co()roba(os .'e efectiva(ente el traba%o es neto en 'n siste(a , )'es ,a sabía(os clara(ente .'e la )ri(era le, de la ter(odiná(ica indica .'e la ener-ía en el 'niverso tan-ible no se crea ni se destr',e/ sólo se transfor(a* Esta ener-ía se (anifiesta de diferentes for(as/ en el ex)eri(ento se (anifestó en for(a de traba%o .'e f'e la ener-ía necesaria )ara ex)andir o contraer e l é(bolo de la %erin-a* Ildefono !rozco !rozco "#e$an Uriel & En el desarrollo de la )resente )ráctica se a)reció .'e el vol'(en del -as se ex)andía c'ando se le a'(entaba la te()erat'ra* Se de(ostró lo .'e f'e la )ri(era le, de la ter(odiná(ica , el )roceso isotér(ico 'tilizando los traba%os en las dos )artes de la )ráctica* +ientras .'e en la se-'nda )arte nos di(os c'enta .'e el traba%o )er(anece constante 0,a sea calc'lando el traba%o total o s'(ando los traba%os calc'lados )ara cada 'no de los vol7(enes obtenidos1 a )esar de .'e el vol'(en iba a'(entando confor(e a'(entaba la te()erat'ra del a-'a*
O>SEH3AIO"ES& Alarcón Díaz Acxiel: Acxiel: En En la )ráctica se )'do realizar todo sin )roble(as 'tilizando las ec'aciones de berthelot , la ec'ación -eneral del estado -aseoso* En esta )ráctica no h'bo cosas .'e nos i()idieran la relación de la (is(a* !odo f'e de ac'erdo a lo )laneado*
González Pérez Geovanni: A diferencia de las )rácticas anteriores en los cálc'los realizados no obt'vi(os datos erróneos .'e i()idan el ob%etivo de la )ráctica/ es decir/ est'diar 'n )roceso ter(odiná(ico* Ildefono !rozco !rozco "#e$an Uriel: !'vi(os Uriel: !'vi(os 'n )e.'eZo des)erfecto en la %erin-a al hacer la 7lti(a (edición/ lo c'al )'do afectar los cálc'los/ )ero en -eneral la )ráctica no t'vo (a,or inconveniente*
