Equivalencia Calor Trabajo

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1. 1. Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química Susana Mayen de la Luz Laboratorio de Termodinámica Profesor: Verónica Cerrilla Sosa Práctica: Equivalencia Calor-Trabajo 2. 2. Equivalencia Calor-Trabajo Objetivos: Determinar la capacidad térmica (K) del calorímetro (vaso Dewar) Determinar el equivalente calor-trabajo Introducción: Energía Térmica Se puede definir como aquella forma de energía que se manifiesta en forma de estado térmico de un sistema. La variable termodinámica que suele utilizarse para cuantificar la energía térmica de un sistema cerrado es la energía interna, U. Esta variable incluye las diferentes formas de energía molecular (cinética y potencial) de una sustancia. Las unidades empleadas para expresar a la energía térmica son: Cal (caloría) Energía mecánica Es la suma de la de energías potencial (energía almacenada en un sistema), cinética (energía que surge en el mismo movimiento). A través de la misma se expresa la capacidad que tienen los cuerpos con masa de realizar tal o cual trabajo. La energía mecánica se conserva, por tanto, no se crea ni se destruye. Las unidades convencionales son el Joule. Calorímetro a presión constante En un calorímetro de presión constante, la reacción se lleva a cabo en una solución en la cual la presión atmosférica es constante. El calorímetro mide el cambio en la entalpía, que es una medida del calor total contenido por un sistema. Calorímetro a volumen constante La bomba, o calorímetro de volumen constante, se usa para medir una reacción de combustión. Esta información es útil para determinar la cantidad de calor (calorías) en alimentos y combustibles. Se crea una reacción en una cámara diseñada para soportar altas temperaturas y explosiones. La cámara está rodeada por una camisa de agua que se calienta con la energía proveniente de la reacción. Luego de finalizada la reacción, los científicos miden la temperatura del agua para determinar la cantidad de energía liberada. 3. 3. Cálculos Calorímetro a temperatura constante Otra forma de realizar la medida de la energía involucrada en un proceso, es mediante el uso de un método opuesto a los dos anteriores, aislamiento total en el caso adiabático o permitir fugas térmicas pequeñas en el isoperibólico, en el que se presenta un intercambio grande del calor que se produce en la celda con los alrededores; este método es de naturaleza isotérmica, y en él los alrededores y la celda tienen la misma temperatura constante ( TAC= T). El calorímetro posee una resistencia térmica RT muy pequeña y además la capacidad calorífica de los alrededores es infinitamente grande. Si se tienen en cuenta dichos requisitos, en condiciones estrictamente isotérmicas TA y TC pueden permanecer constantes en el tiempo y en el espacio, pero entonces no se http://es.slideshare.net/SusMayen/p2-equivalencia-calor-trabajo-termo

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presenta flujo de calor. En los casos reales, se presenta un flujo de calor entre la celda y los alrededores, flujo que se detecta por medio de los sensores térmicos colocados entre ellos. Constante del calorímetro Es la capacidad térmica del vaso Dewar junto con sus accesorios (termómetro, tapón de hule, plástico). Dicha constante se determina para calcular la cantidad de calor que absorbe o cede el calorímetro. Se determina con el método de mezclas, donde en un vaso Dewar se colocan 100 ml de agua a temperatura ambiente y se toma la medida de temperatura para asegurar que esta haya alcanzado el equilibrio térmico. Se calientan 400 ml de agua a ebullición y se miden 100 ml de dicha agua en una probeta, se le toma la temperatura y se agrega al vaso Dewar tapándolo con su tapa correspondiente y también tomar la temperatura. Agitar la mezcla y registrar la temperatura cada 30 segundos durante 5 minutos. Se calcula la constante del calorímetro sustituyendo en la siguiente ecuación: Cálculos K del calorímetro: magua fría cagua(teqtinicial af) + K(teqtinicial af) + magua caliente cagua(teqtinicial ac) = 0 Cálculos Qg + Qc = 0 EQUIVALENTE ( I ): Para calcular Weléctrico contamos con los datos de: tiempo () voltaje (V) resistencia (R) K del calorímetro: magua Qg cagua(+ Qc teq- = 0 fría tinicial af) + K(teqtinicial af) + magua caliente cagua(teqtinicial ac) = 0 Qg + Qc = 0 K del calorímetro: magua cagua(K = fría teqtinicial af) + K(teqtinicial af) + magua caliente cagua(teqtinicial ac) = 0 EQUIVALENTE ( I ): Para calcular Weléctrico contamos con los datos de: tiempo () voltaje (V) resistencia (R) Equivalente mecánico calor EQUIVALENTE ( I ): Para calcular Weléctrico contamos con los datos de: tiempo () voltaje (V) resistencia (R) Es la equivalencia entre dos unidades en que se mide la energía: la kilocaloría [kcal] (empleada para medir la cantidad de calor) y los kilogramos fuerza - metro [kgf•m] Cálculos Qg + Qc = 0 K del calorímetro: magua fría cagua(teqtinicial af) + K(teqtinicial af) + magua caliente cagua(teqtinicial ac) = 0 EQUIVALENTE ( I ): Para calcular Weléctrico contamos con los datos de: tiempo () voltaje (V) resistencia (R) Cálculos Qg K del calorímetro: magua fría cagua(teqtinicial cagua(teqtinicial ac) = 0 EQUIVALENTE ( I ): Para calcular Weléctrico tiempo () voltaje (V) resistencia (R) 4. 4. (empleada para medir el trabajo mecánico). Equivalente mecánico del calor: A = 427 (kgf•m / kcal) Hipótesis: -Se calculará la capacidad térmica del vaso Dewar, dicha constante se encontrará en un rango de 50-80 Cal/°C -La temperatura de equilibrio entre el agua fría y caliente que se agregara en el Dewar se encontrara por encima del valor de la temperatura ambiente del medio. -El cálculo correcto o cercano del equivalente calor-trabajo dependerá de la constante calculada del vaso Dewar. Material: -1 calorímetro Dewar -1 probeta -1 cronometro -1 termómetro -1 resistencia eléctrica -1 vaso de precipitados -1 probeta Aplicación del lenguaje termodinámico: El Dewar utilizado como calorímetro en esta práctica presenta paredes adiabáticas que no permiten el intercambio de energía con los alrededores. El sistema de estudio en este caso es el agua contenida dentro del vaso Dewar, es un sistema homogéneo de 1 fase (líquida). Se manejarán unidades de temperatura relativas (°C). Datos de manejo y toxicidad: 1° parte, constante del calorímetro 5. 5. 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 La grafica muestra que la temperatura del agua fría fue de 28.6 °C, la temperatura de equilibrio del agua dentro del Dewar fue de 28.9 °C, la temperatura al momento de agregar agua caliente fue de 44.7 °C, y la temperatura de equilibrio del agua fría con el agua caliente fue de 42.4 °C. Se determinó la constante del calorímetro utilizado. En este caso se utilizó como calorímetro un vaso Dewar T agua fría= 28.9 °C T agua caliente= 78.6 °C T eq= 42.4 °C K= 1푐푎푙 푔°퐶 − (100푔)( ) (76.6°퐶−42.4°퐶) (42.4°퐶−28.9°퐶) − 200푔 = 53.33 퐶푎푙 °퐶 La constante del calorímetro se encuentra en un rango de 50-80 Cal/°C La temperatura de equilibrio dentro del calorímetro entre el agua fría y el agua caliente se encuentra por encima de la temperatura ambiente 2° parte, determinación del equivalente calor-trabajo Se midió el voltaje y la resistencia del dispositivo eléctrico, para lo cual se obtuvieron los siguientes valores: Magnitudes: Voltaje (volts) 123.8 Resistencia (ohms) 28.6 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 Axis Title temp vs tiempo temp vs tiempo 6. 6. Las temperaturas de equilibrio del agua y las temperaturas finales están en la siguiente tabla, así como el trabajo eléctrico ejercido por la resistencia, la cantidad de calor absorbido y así mismo el equivalente calor-trabajo. Qabs= (mH2OxCH2O+K)+ Δt Welec=V²/RxΔt tiempo (s) Welec (J) Ti (ºC) Tf (ºC) ΔT = Tf - Ti (ºC) Qabs (cal) J = Welec/Qabs / (J/cal) 20 10717.7 24.4 26.4 4 °C 1362.88 7.864 30 16076.67 25.6 35.8 10.2 °C 3475.34 4.625 40 21435.56 41.2 70.5 29.3 °C 9983.046 3.147 50 26794.48 35.8 67.7 31.9 10868.968 2.465 60 32153.34 25.2 53.9 28.7 9778.664 3.288 70 37512.26 25 53.3 28.3 9642.376 3.890 80 42871.16 25.1 63.5 38.4 13083.648 3.276 Promedio de J: 4.079 La temperatura estuvo en aumento significativo a partir del segundo 40, se ganó mayor cantidad de calor y los valores del equivalente fueron http://es.slideshare.net/SusMayen/p2-equivalencia-calor-trabajo-termo

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más cercanos al valor real que es 4.184 J. Respecto al promedio del equivalente calor-trabajo puede concluirse que el cálculo de la constante del calorímetro fue el correcto o el más cercano. 7. 7. y = 3.152x - 1314.2 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0 10000 20000 30000 40000 50000 W elec (J) Axis Title Qabs (cal) Linear (Qabs (cal)) Linear (Qabs (cal)) Linear (Qabs (cal)) La grafica muestra que a mayor trabajo, mayor calor absorbido, hay variaciones en el trabajo aplicado, del punto 3475,34 (calor absorbido) al punto 9983.046 la cantidad de trabajo es constante en aumento, a partir del punto 9983.046 vuelve a ser constante con una pendiente menor. En el punto 9778.664 desciende, y en el punto 9642,376 vuelve a ser constante en aumento. Porcentaje de error: 4.184−4.079 % error= 4.184 100 = 2.509 % de error calculado algebraicamente 4.184−3.152 % error= 4.184 100 = 15.63 % de error calculado mediante Excel El cálculo experimental del equivalente calor trabajo fue más acertado con el método algebraico. De no haber sido considerada la constante del calorímetro; nuestros valores de calor absorbido serían menores, ya que diríamos que el calor absorbido total solo sería el que absorbe el agua, y esto es erróneo ya que también el calorímetro absorbe calor. Bibliografía: - Atkins de Paula, Julio de Paula. Química Física, 8° edición, 2006, Madrid España, Editorial Panamericana, pp.38 - W. Castellan, Fisicoquímica, segunda edición 1998, Editorial Pearson ∗

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