UNIVERSIDAD CATÓLICA DE SANTA MARIA FACULTAD DE CIENCIAS FARMACEUTICAS, BIOQUIMICAS Y BIOTECNOLOGICAS MANUAL DE PRACTICAS DE LABORATORIO
1
PRÁCTICA NUMERO
NOMBRE DE LA PRÁCTICA
FECHA Y DURACIÓN
4
USO DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA EN LA OBSEVACION DE CAMBIOS ENERGETICOS DE PROCESOS EXOTERMICOS Y ENDOTERMICOS
28 / Mayo / 2013 1 Hrs
RESUMEN
La primera ley de la Termodinámica conocida como el principio de la conservación de energía, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o intercambio calor con otro, la energía interna del sistema cambiara. Utilizando la ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente: Si el intercambio de calor por parte del sistema produce la transición de este a una fase más ordenada, ya que la energía térmica se utiliza para “combatir” las interacciones
moleculares. Por el contrario, si el sistema cede calor, pasa a una fase más ordenada. En este último caso, se define el calor latente de manera que el calor total intercambiado intercambiado es: =∙ =∙ Ecuación 1: donde m es la masa y n el número de moles del sistema.
El punto de fusión de un sólido es la temperatura a la cual la red cristalina se colapsa y el sólido se transforma en líquido. Como ocurre en el caso de la transformación de líquido a vapor, se requiere energía para la fusión, y se denomina entalpía de fusión. En la experiencia se observa esta entalpia de fusión utilizando agua destilada y hielo, y como el sólido se va haciendo líquido a través de una pequeña agitación mecánica. Un proceso de disolución puede ser endotérmico o exotérmico. La entalpia de disolución depende de la concentración de la disolución final, es positiva si la disolución absorbe calor, al contario es negativa si libera calor cuando se forma la disolución. En la práctica se observó los cambios de temperatura de las disoluciones cuando se mezcló agua destilada con cloruro de litio y cloruro de amonio.
La entalpia de reacción es el calor intercambiado en una reacción a presión constante. En la práctica se observó al hacer reaccionar hidróxido de sodio con ácido c lorhídrico (ambos en solución). La entalpia de la mezcla es igual al delos componentes puros por separado, es decir el volumen, la energía y la entalpia de mezcla es nula. En el proceso práctico se utilizó agua y etanol, la primera parte se mezcló agua con agua, y en la segunda se mezcló agua y etanol, se observó diversas diferencias.
2
ABSTRACT
The first Thermodynamic’s law , also known as the principle of conservation of energy,
states that if work is done on a system or heat exchange with the other, the internal energy of the system will change. Using the general equation of energy conservation : If the heat exchange of the system produce the transition from this to a more ordered phase, as the thermal energy is used to "fight" molecular interactions. Conversely, if the system loses heat, passes into a more orderly. In the latter case, latent heat is defined so that the total heat exchanged is:
= ∙ = ∙ Equation 1: where m is the mass and n is the molar number.
The melting point of a solid is the temperature at which the crystal lattice collapses and solid becomes liquid. As in the case of transformation from liquid to vapor, the energy required for melting, and is called melting enthalpy. Experience shows this melting enthalpy using distilled water and ice, and as the solid is becoming liquid through a small mechanical agitation. A dissolution process may be endothermic or exothermic. The enthalpy of dissolution depends on the concentration of the final solution, is positive if the solution absorbs heat, is negative if releases heat when forming the solution. In practice observed temperature changes of the solutions when distilled water was mixed with lithium chloride and ammonium chloride. Reaction enthalpy heat is exchanged in a reaction at constant pressure. Was observed in practice by reacting sodium hydroxide with hydrochloric acid (both in solution). The enthalpy of the mixture is equal to the pure components individually models, namely volume, energy and enthalpy of the mixture is zero. In the practical process water and ethanol was used, the first part water mixed with water, and the second mixed water and ethanol, we observed several differences.
4
FUNDAMENTO TEÓRICO
Cuando se añade calor a un sólido o líquido, la energía podría aumentar la energía cinética molecular (cambio de temperatura) y también la energía potencial asociada a los enlaces moleculares. Las distintas sustancias tienen diferentes configuraciones moleculares y patrones de enlace. Por tanto si se añade la misma cantidad de calor a masas iguales de diferentes sustancias, los cambios de temperatura producidos generalmente no son iguales. La cantidad de calor (Q) Necesaria para cambiar la temperatura de una sustancia es proporcional a la masa (m) de la sustancia y al cambio en su temperatura ( ∆ T ). Es decir, Q α m ∆t, en forma de ecuación. El calor específico es característico de la sustancia e independiente de su masa. Por tanto, el calor específico nos da una indicación de la configuración molecular interna y los enlaces de un material. PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA
La primera ley de la termodinámica describe la relación entre el trabajo, el calor y la energía interna de un sistema. Esta ley es otro planteamiento de la conservación de energía en términos de variables termodinámicas. Relaciona el cambio de energía interna (∆U) de un sistema con el trabajo (W) efectuado por ese sis tema y la energía calórica (Q) transferida a o desde ese sistema. Dependiendo de las condiciones, la transferencia de calor Q puede producir un cambio en la energía interna del sistema, ∆U. Sin embargo,
debido a la transferencia de calor, el sistema podría efectuar trabajo sobre el entorno. Así pues, el calor transferido a un sistema puede ir a dar a dos lugares: a un cambio en la energía interna del sistema o a trabajo efectuado por el sistema, o a ambas cosas. Por ello, la primera ley de la termodinámica suele escribirse así: =
Un sistema cerrado es uno que no tiene intercambio de masa con el resto del universo termodinámico. También es conocido como masa de control. El sistema cerrado puede tener interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, así como puede realizar trabajo a través de su frontera. La ecuación general para un sistema cerrado (despreciando energía cinética y potencial y teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico) es:
Donde Q es la cantidad total de transferencia de calor hacia o desde el sistema, W es el trabajo total e incluye trabajo eléctrico, mecánico y de frontera; y U es la energía interna del sistema. Sistemas abiertos
Un sistema abierto es aquel que tiene entrada y/o salida de masa, así como interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, también puede realizar trabajo de frontera. La energía del sistema es:
La variación de energía del sistema en el intervalo de tiempo considerado (entre t 0 y t ) es:
Sistemas abiertos en estado estacionario
El balance de energía se simplifica considerablemente para sistemas en estado estacionario (también conocido como estado estable). En estado estacionario se tiene
Sistema aislado
Es aquel sistema en el cual no hay intercambio ni de masa ni de energía con el exterior. Es así como se usa esta ciencia de los cambios de Calor, Energía y Temperatura. En las diferentes experiencias se expresa claramente los cambios de Energía absorbida (E A) y Energía desprendida (E D), estos cambios son conocidos como Entalpia ( ∆H) cuando son llevados a cabo a presión constante. Para determinar el calor de estos procesos se requieren de sistemas aislados térmicamente. En la primera experiencia, en la Entalpia de Fusión ( ∆HF),donde se utilizó el hielo con el agua ,se hace necesario conocer el calor absorbido(Q A) por el Hielo, siendo el mismo calor desprendido por el agua(Q D).
5
INTRODUCCION
Antes de aplicar la primera ley de la termodinámica a sistemas específicos, es útil definir primero algunos procesos termodinámicos idealizados. Un proceso adiabático es aquel el cual durante no entra ni sale del sistema calor. Puede conseguirse en la práctica encerrando el sistema completo en una estructura cuyas paredes sean impermeables al calor o que se mantenga siempre en equilibrio térmico con el sistema. También puede conseguirse si el proceso tiene lugar tan rápidamente no sea apreciable la transferencia de calor ni siquiera cuando sea imperfecto el aislamiento térmico, como sucede con las ondas sonoras.
Es importante recordar en la experiencia que es necesario establecer un equilibrio térmico en el sistema; el equilibrio térmico es una situación e la que dos objetos no intercambian energía por calor o radiación electromagnética si se ponen en contacto térmico.
6
MATERIALES Y METODOS
Para las experiencias se utilizó lo siguientes materiales y métodos: Entalpia de Fusión
Materiales: Hielo Agua Vasos de tecnopor Termómetro Probeta Balanza Método: Primero se debe pesar uno de los vasos de tecnopor (completamente seco), y colocarlo dentro de otro. Luego se debe verter 100 ml de agua dentro del vaso y medir su temperatura. Luego colocar el hielo en el vaso, y agitar todo el contenido manteniendo el termomentro dentro, agitar hasta que se funda el hielo y tomar la temperatura y pesar el vaso con el hielo fundido. Entalpia de Disolución:
Materiales: Cloruro de Litio Cloruro de Amonio Termómetro Tubos de ensayo Probeta Agua Método: Se coloca tres gramos de cloruro de litio en uno de los tubos de ensayo y se le agrega 15 ml de agua, y luego se agita, percatarse si el tubo se calienta o se enfría. De la misma forma se colocar 3g de cloruro de amonio y agua y también esperar un resultado en la variación de calor.
Entalpia de reacción:
Materiales:
Agua Termómetro Hidróxido de sodio Ácido clorhídrico concentrado Tubos de ensayo Vasos de precipitados
Primero se debe de colocar en un vaso de precipitados una solución de 30 ml de agua y 4 ml de acido clorhídrico y en otro vaso una solución de 4 ml de hidróxido de sodio y 30 ml de agua. Luego en tres tubos de ensayo colocar las siguientes cantidades: (a) Solución de hidróxido de sodio (b) Solución de Acido clorhídrico En el tubo 1, se agrego 5 ml de cada una de las soluciones En el tubo 2 , se agrego 5 ml de (a) y 10 ml de (b) En el tubo 3, se agrego 10 ml de ambas soluciones
Entalpia de mezclado Materiales: Dos probetas de 25 ml Probeta de 50 ml Termómetro Agua Alcohol Método:
Medir 25 ml de agua en cada una de las probetas de 25ml, luego vertirlas en las probetas de 50 ml, observar cuanto midió en la probeta de 50 ml. Luego se debe de colocar en una de las probetas de 25 ml, el alcohol y en la otra se debe colocar agua, luego ambas unirlas en la probeta de 50 ml y registrar el volumen.
7
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Fisico-Quimica I – Guia de Practicas --- Ing. Cifrido Zaravia Sanchez.
Gillespie, R. J. (1990). Química . Barcelona: Reverté. Kotz, T. W. (s.f.). Química y reactividad química (Sexta ed.). Thomson. M. del Barrio, E. B. (2006). Termodinámica Básica. Barcelona: UPC. Maria Jose Climent, M. E. (2004). Fundamentos Químicos De la Ingeniería. Valencia : Universidad Politecnica de Valencia. Michael J. Moran, H. N. (2004). Funadamentos de Termodinámica Técnica (Segunda ed.). Barcelona: Reverté
Anexos
