Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química Laboratorio de Termodinámica [11! Realizada el 19/10/2015:
+ráctica ,-$ ./0uivalencia calor traba2o3
(ernande) Lede)ma *rvin#
Fec"a de entre#a$ %&1%&%1'
+ráctica ,-$ ./0uivalencia calor traba2o3
4b2etivos$ 5e6lexionar sobre los cambios 7 trans6ormaciones ener#éticas8 a9licadas a la 9rimera le7 de la termodinámica 9ara determinar ex9erimentalmente el e0uivalente mecánico del calor:
*ntroducción$ +ara "ablar de la e0uivalencia del calor 7 el traba2o8 es necesario remontarnos al 9asado 7 anali)ar el ex9erimento 0ue 9ro9uso un cientí6ico in#lés de nombre ;ames +rescott ;oule: /l ex9erimento consiste en un reci9iente aislado térmicamente 0ue contiene cierta cantidad de a#ua 7 un termómetro 9ara medir su tem9eratura: Un e2e con unas 9aletas 0ue se 9onen en movimiento 9or la acción de una 9esa8 de tal 6orma 0ue el a#ua se calienta 9or 6ricción
(1.1) /x9erimento de ;oule:
A través de una serie de cálculos8 ;oule determinó 0ue la ener#ía mecánica re0uerida 9ara elevar la tem9eratura de 1>8 1 #ramo de a#ua es$ 1 cal= 4.186 J
(1.2) /0uivalencia calor&traba2o:
/s #racias a la 9rimera le7 de la termodinámica8 0ue 9odemos lle#ar a esta conclusión8 sin embar#o8 ?0ué 9ostula la 9rimera le7 de la termodinámica@ +ara esto es necesario 0ue nos retrocedamos un 9oco 9ara "ablar de la ley cero de la termodinámica8 la le7 cero básicamente establece 0ue si dos sistemas se encuentran se9arados 9or una 9ared adiabática8 9ero ambos están en contacto diatérmico con un tercer sistema8 entonces lle#ará un momento en el 0ue los tres sistemas lle#uen al equilibrio térmico8 es decir8 0ue lle#uen a la misma tem9eratura:
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+ráctica ,-$ ./0uivalencia calor traba2o3 A"ora bien8 la primera ley de la termodinámica 7a nos "abla de la energía interna del sistema8 .cuando muc"os 9rocesos alternativos 0ue involucran calor 7 traba2o están dis9onibles 9ara cambiar un sistema de un estado inicial
5esultados$ Batos$ Tem9eratura inicial del a#ua antes de verter al vasoC-D>c Tem9eratura de e0uilibrioCE-:1>c Tem9eratura del a#ua en el vaso deerC:G>c Holumen del a#uaC1%%ml Beterminación de la constante del calorímetro
2
2
2
2
2
K =
cal ∙ ( 47.1 −79 ) ° C g ° C cal −100 g . ∙ 1 g ° C ( 22.6− 47.1 ) ° C
K =25.20
cal g ° C
−95 ∙ 1
Análisis de 5esultados$ Objeto // Calorímetro (vaso Dear con agua)
!"!#$%&
&'$D$DO
2
A#ua contenida en el vaso Bear 0ue se ve sometida a una di6erencia de 9otencial: /l vaso Bear estuvo en contacto directo con el aire del laboratorio 7 en la ma7oría de las ocasiones8 estuvo mani9ulándose de tal 6orma 0ue no se dieran #radientes de tem9eratura en el interior8 es decir8 "omo#enei)ándose 9ara 0ue la tem9eratura 6uer uni6orme en todo el vaso: También estuvo en contacto con una
+ráctica ,-$ ./0uivalencia calor traba2o3
&$D$!
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CO%O+$+#$!
"+#$*&!$!
di6erencia de 9otencial 9roveniente del exterior del vaso: Adiabáticas 7a 0ue esa es la 9articularidad del vaso Bear 7 de esta 6orma nos 9ermite obtener medidas de tem9eratura 0ue no se vean a6ectadas 9or el entorno: Las 9aredes del vaso también son rí#idas 7a 0ue no 9ermiten interacciones mecánicas: Las 6ases 9resentes dentro del vaso son$ /l lí0uido es el 0ue 9redomina 7a 0ue es el ob2eto de estudio8 sin embar#o también están 9resentes com9onentes en estado #aseoso en menores 9ro9orciones a com9aración del a#ua8 como lo son 9rinci9almente va9or de a#ua 7 aire: A#ua en estado lí0uido 7 #aseoso8 como el a#ua se ve sometida a una di6erencia de 9otencial8 no es de descartar 0ue esta 9ueda eva9orarla en 9ro9orciones des9reciables8 además del va9or de a#ua 0ue 7a se "allaba en el ambiente8 también "a7 aire en el interior 7 como sabemos el aire es una me)cla 0ue se com9one 9rinci9almente de nitró#eno 7 oxí#eno8 sin embar#o sus 9ro9orciones no son relevantes en el desarrollo de la 9ráctica: Las inter6aces 9resentes son$ sólido&lí0uido <9aredes del vaso con a#ua=8 #as&sólido
Je reali)aron los cálculos 9ara obtener la constante del calorímetro8 0ue en éste caso 6ue el vaso de Bear8 0ue es sumamente im9ortante a la "ora de obtener la e0uivalencia de él calor con él traba2o:
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+ráctica ,-$ ./0uivalencia calor traba2o3 +rimero se calculó la constante del calorímetro8 esto se "ace 9or el 9rinci9io de conservación de la ener#ía <+rimera le7 de la termodinámica=: Jabemos 0ue$ ∆ U =W + C
Al saber 0ue el calor es la trans6erencia de ener#ía8 no sólo se 9uede considerar la trans6erencia de calor del a#ua8 también debemos considerar el calor 0ue absorbe el vaso de Bear 7 todos sus accesorios
Antes de reali)ar la 9ráctica se solicitó un 9revio conocimiento de 0ue éste ex9erimento está basado en el ex9erimento de ;oule8 en el cual se demostró la e0uivalencia de traba2o8 a través de un reci9iente aislado térmicamente 0ue contenía una cierta cantidad de a#ua8 con un termómetro 9ara medir su tem9eratura8 un e2e con unas 9aletas 0ue se 9onen en movimiento 9or la acción de una 9esa
Je midió la cantidad de ener#ía mecánica 0ue se convierte com9letamente en una cantidad de calor medible: Al reali)ar los ex9erimentos él noto 0ué$ W = mgh
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Q=m c ∆ t
+ráctica ,-$ ./0uivalencia calor traba2o3 K se dio cuenta 0ue la conversión entre el traba2o 7 el calor se mantenía constante$ J =
W J = 4.184 Q cal
Teniendo esto claro8 se autori)ó se#uir reali)ando el 9rocedimiento 9ara determinar ésta constante: Je de9ositaron 1%% mL de a#ua 6ría en el vaso de Bear8 7 se es9eró al e0uilibrio térmico entre éstos: /sto se "i)o midiendo la tem9eratura durante ' minutos en intervalos de tiem9o de %s8 9ara no tener variación de tem9eratura8 7 saber 0ue el a#ua 7 el vaso de Bear están a la misma tem9eratura
2
/l a#ua 6ría 7 el calorímetro8 absorben el calor del a#ua caliente: A"ora con la ecuación anterior los ex9erimentos de ;oule se 9uede determinar 0ué$ K =
m H 2 O , F ∙ c H 2 O ∙ ( t eq −t H O, F ) −m H 2 O , C ∙ c H 2 O ∙ ( t eq −t H O ,C ) 2
2
t eq −t H O , F 2
Bonde el calor absoluto es i#ual a$ |¿|=Q
H 2 O
+ Q K
Q¿
Bonde$
Q H O =m H O ∙ c H O ( T F −T I ) 2
2
2
Q K = K ( T F −T I )
onclusiones$ (ernánde) Lede)ma *rvin# Je re6lexionó de manera im9ortante sobre los cambios 7 trans6ormaciones ener#éticas 0ue se llevan a cabo en el sistema estudiado8 a9licadas de 6orma
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+ráctica ,-$ ./0uivalencia calor traba2o3 directa 7 como consecuencia de la le7 cero 7 la 9rimera le7 de la termodinámica8 lo 0ue determina ex9erimentalmente el e0uivalente mecánico del calor: Je asoció de manera exitosa la du9la de conce9tos de calor 7 su e0uivalente mecánico8 lo 0ue 9ermite com9render el 9roceso descrito 9or el ex9erimento de ;oule8 7a detallado con anterioridad:
5e6erencias iblio#rá6icas
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