I N S T I T U T O P OL I T É C N I C O N A C I ON A L UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE INGENIERÍA CAMPUS GUANAJUATO
LABORATORIO DE TERMODINÁMICA I PRÁCTICA I: Determinación de la capacidad calorífica de un líquido. CARRERA: Ingeniería Farmacéutica. ASIGNATURA: Termodinámica SEMESTRE: Segundo
GRUPO: INTEGRANTES:
EQUIPO No:
FECHA:
I.
HABILIDADES A DESARROLLAR: Que el alumno sea capaz de trasladar a la práctica conceptos fundamentales de la termodinámica tales como calor específico, ya sea a presión o volumen constante, con el fin de determinar la capacidad calorífica de un líquido problema. Que maneje información técnica en diferentes sistemas de unidades para presentar resultados que sean dimensionalmente homogéneos.
II.
INTRODUCCIÓN Y JUSTIFICACIÓN (Por equipo): La idea básica acerca del concepto de calor específico se bosqueja a continuación. Suponga que se desea calentar dos masas idénticas de materiales diferentes a fin de elevar su temperatura en la misma cantidad. En ambos casos, las cantidades de energía que se requiere adicionar para lograr el objetivo planteado son diferentes. Por lo tanto, se infiere que las sustancias tienen diferente capacidad para almacenar energía que se traduzca en un cambio de temperatura. A dicha capacidad se le conoce como calor específico (energía específica). Entonces se puede decir que entre mayor sea el calor específico de una sustancia, más energía se requiere para incrementar su temperatura. El calor específico se define como la energía requerida para elevar la temperatura de una masa unitaria de una sustancia en un grado. Este calor específico es una propiedad intensiva. De manera similar, se define a la capacidad calorífica como la energía requerida para elevar la temperatura de toda la extensión de una masa de una sustancia en un grado. Esta capacidad es una propiedad extensiva. En Termodinámica se utilizan dos tipos de calores específicos: calor específico a presión constante (Cp) y el calor específico a volumen constante ( Cv). El Cv es la energía necesaria para elevar la temperatura de una masa unitaria de una sustancia en un grado, cuando el volumen se mantiene constante.
En esta ecuación, u es la energía interna.
El Cp es la energía necesaria para elevar la temperatura de una masa unitaria de una sustancia en un grado, cuando la presión se mantiene constante.
() En esta ecuación, h es la entalpía.
Normalmente, las unidades en las que pueden estar expresados los calores específicos están dadas como o siendo las unidades idénticas, ya que, una variación de 1 °C es igual a una variación de 1 K.
Los calores de Cp y Cv son idénticos en el caso de sustancias incompresibles (densidad constante: líquidos y sólidos) y se denotan simplemente como C. Para fines prácticos, el calor específico (capacidad calorífica específica) se determina a partir de la siguiente relación:
Donde c es la capacidad calorífica específica, Q el calor absorbido por el sistema, m la masa de la sustancia en estudio y ∆T es la variación de la temperatura.
III.
MATERIAL, HERRAMIENTAS Y EQUIPO DE SEGURIDAD A EMPLEAR:
IV.
2 Vasos de precipitados de 100 mL. 1 Vaso de precipitados de 250 mL. 1 Agitador de Vidrio. 1 Probeta de 25 mL. 2 Termómetros. 1 Soporte universal. 1 Rejilla de calentamiento. 1 Anillo. 1 Picnómetro de 10 mL. Agua destilada Balanza analítica. 1 Pizeta. 1 Lata de alcohol sólido. Trozos de unicel (Poliestireno expandido EPS) suficientes como para rellenar un vaso de 20 mL y para elaborar una tapa. Líquido problema (no flamable). Tijeras.
DESARROLLO EXPERIMENTAL:
Parte 1. Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro 1.
Arme el calorímetro. Se coloca el vaso de 100 mL dentro del vaso de 250 mL, debe quedar un espacio libre entre los dos vasos, el cual, se rellena con los trozos de unicel (ver figuras). Elabore la tapa del calorímetro, usando las tijeras, de tal forma que puede ajustarse a presión en la boca del vaso.
Figuras 1, 2 y 3. Armado y montaje del calorímetro usado para determinar la capacidad calorífica.
2. 3. 4.
Destape el calorímetro y adicione 40 mL de agua destilada a temperatura ambiente, tape el calorímetro y permita que la lectura del termómetro se estabilice. Registre la temperatura como T 1. Calcule la masa del agua contenida en el calorímetro (m 1) utilizando la densidad del agua a la temperatura T 1. Registre la masa calculada. Caliente en un vaso 40 mL de agua destilada, medida con la probeta, hasta alcanzar una temperatura que esté en el rango entre 40 y 50 °C. Durante el calentamiento agite constantemente y vigile la temperatura con el termómetro. Registre la temperatura constante que debe alcanzar el agua (T 2).
Figura 4. Montaje del sistema de calentamiento
5.
6. 7.
Adicione rápidamente los 40 mL de agua a la temperatura T2 al interior del calorímetro sin derramar el contenido. Agite el calorímetro con precaución y registre la temperatura más alta observada en el termómetro (T3). Calcule la masa del agua adicionada (m 2) utilizando la densidad del agua a la temperatura T 2.* Calcule la capacidad calorífica del calorímetro haciendo uso del siguiente balance (observe que también se debe contar con el valor del C p del agua)*:
] [ 8.
Repita todo el procedimiento a fin de tener dos lecturas para el cálculo de la capacidad calorífica del calorímetro. Promedie ambos valores. * La densidad y el C pAGUA son datos que se debe investigar bibliográficamente.
Parte 2. Determinación de la capacidad calorífica de una muestra problema. 1. 2.
Con el calorímetro perfectamente limpio y seco, aplique el mismo procedimiento del paso 2 y 3 de la parte 1. Registre los valores de T 1 y m1 para el agua. Caliente en un vaso alrededor de unos 60 mL del líquido problema hasta alcanzar una temperatura que esté en el rango de entre 40 y 50 °C. Durante el calentamiento agite constantemente y vigile la temperatura con el termómetro. Registre la temperatura constante que debe alcanzar la muestra (T 4).
3.
4. 5.
Adicione rápidamente 40 mL del líquido muestra a la temperatura T 2 al interior del calorímetro sin derramar el contenido. Agite el calorímetro con precaución y registre la temperatura más alta observada en el termómetro (T 5). Al mismo tiempo que se efectúa el paso anterior, determine la densidad del líquido problema a la temperatura T 4 utilizando el picnómetro. Calcule y registre la masa del líquido problema (m 3). Calcule la capacidad calorífica del líquido problema haciendo uso del siguiente balance (observe que también se debe contar con el valor del C p del agua)*:
6.
V.
Repita todo el procedimiento a fin de tener dos lecturas para el cálculo de la capacidad calorífica del calorímetro. Promedie ambos valores. Determine si es correcta la homogeneidad en unidades de los resultados obtenidos.
REGISTRO DE DATOS Y RESULTADOS (Por equipo):
Parte 1. Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro Tabla 1. Datos experimentales para la determinación de la capacidad calorífica del calorímetro.
EXPERIMENTO 1 2
m 1 (g )
m 2 (g )
T 1 (K )
T 2 (K )
T3 (K)
Ccalorímetro
PROMEDIO Parte 2. Determinación de la capacidad calorífica de una muestra problema Tabla 2. Datos experimentales para la determinación de la capacidad calorífica de la muestra problema.
EXPERIMENTO 1 2
m 1 (g )
m 2 (g )
T 1 (K )
T 2 (K )
T3 (K)
CpMUESTRA
PROMEDIO Tabla 3. Resultados de la práctica.
CUANTIFICACION Ccalorímetro (J/K) CpMUESTRA (J/kg K) CPmuestra teórico (J/kg K) Porcentaje de error
VI.
RESULTADO
NOMENCLATURA: T1 = Temperatura del agua ambiente, ºC T2 = Temperatura del agua caliente, ºC T3 = Temperatura máxima de la mezcla líquida (agua ambiente-agua caliente) al interior del calorímetro, ºC T4 = temperatura del líquido problema caliente, ºC T5 = Temperatura máxima de la mezcla líquida (agua-muestra problema) al interior del calorímetro,
ºC m1 = Masa del agua a temperatura ambiente, g m2 = Masa del agua caliente, g m3 = Masa de la muestra problema caliente, g Ccalorímetro = Capacidad calorífica del calorímetro J/K CpAGUA = Calor específico del agua, J/ kg K CpMUESTRA = Calor específico del líquido problema, J/kg K
VII.
CUESTIONARIO (Por equipo):
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
VIII. IX.
Define el concepto de calor. ¿Cuál es la fuerza impulsora para la transferencia de calor? ¿Cuáles son los mecanismos de transferencia del calor? ¿Cuál es el objetivo de utilizar un calorímetro en la práctica? ¿Las ecuaciones descritas son dimensionalmente homogéneas? Explique Explique las diferencias entre una propiedad extensiva y una intensiva. Enuncie la primera ley de la Termodinámica. ¿Qué relación tiene esta práctica con la primera ley de la Termodinámica?
ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES (Individuales, registrar el nombre del integrante): BIBLIOGRAFÍA: Cengel, Y. A., Boles, M. Termodinámica . 2a ed. McGraw Hill, México, 2000. Smith, J.M., Van Ness, H.C., Abbot, M.M.; “Intr oducción a la termodinámica en Ingeniería Química”, 6ª. Edición, Mc Graw Hill, 2003.
X.
ANEXOS (Si es que existen):
XI.
DATOS DE REVISIÓN:
CRITERIOS A EVALUAR
PORCENTAJE
Registro de datos (Bitácora)
20%
Cuestionario
15%
Análisis y conclusiones individuales
20%
Examen prepráctica
25%
Medidas de seguridad (bata y/o lentes de seguridad) Limpieza del material y el lugar utilizado Desempeño por equipo TOTAL
10%
5%
5% 100%
INTEGRANTE 1
INTEGRANTE 2
INTEGRANTE 3
INTEGRANTE 4
INTEGRANTE 5
Fecha de evaluación: Firma de profesor que evaluó:
