INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA NACIONAL DE CIENCIAS BIOLÓGICAS Laboratorio de Fisicoquímica Biofísica
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PROFESOR: José Enrique Siu EQUIPO: 3
Integrantes: González Arredondo Fernanda Hitatehui. Santiago Cruz Grissel. REPORTE DE LA PRÁCTICA No.7
CAPACIDAD CALORÍFICA
“
”
OBJETIVOS
Aprender a diferenciar un proceso adiabático de un proceso isotérmico. Utilizar una técnica indirecta para calcular capacidades caloríficas a presión y volumen constantes. Determinar la relación de capacidades caloríficas, conocida como coeficiente adiabático (γ) para un gas.
Evaluar la eficiencia de la técnica en base a los resultados experimentales. Aplicar la validez de un proceso reversible.
INTRODUCCIÓN Primera ley de la termodinámica Si un sistema se somete a cualquier transformación cíclica, el trabajo producido en el entorno es igual al calor que fluye desde el entorno. A partir de la primera ley, que relaciona los efectos del trabajo y el calor observados en el entorno en una transformación cíclica, se deduce la existencia de una propiedad de estado del sistema, la energía. La capacidad calorífica (C ) de una sustancia es una medida de la elevación de la temperatura que se produce cuando la sustancia se calienta. Se expresa en J/°C. La capacidad calorífica de 1 mol de una sustancia se denomina capacidad calorífica molar y se expresa en J/mol °C. Si se hace fluir calor en un gas mantenido a volumen constante, la energía del gas aumenta en la cantidad de energía suministrada por el flujo de calor. La razón entre el aumento de energía y el aumento en temperatura del sistema se define como la capacidad calorífica a volumen constante, C v. Mientras que la capacidad calorífica a presión constante es el cambio de entalpía entre el cambio de temperatura a presión constante. En un proceso a volumen no se produce trabajo y la distancia promedio entre las moléculas permanece igual. Por tanto la capacidad calorífica es pequeña, todo el calor transferido se traduce en un movimiento caótico y se manifiesta mediante un aumento de la t emperatura. En un proceso a presión constante, el sistema se expande contra la presión externa y produce trabajo en el entorno ambiente; el calor transferido desde el entorno se divide en tres porciones: la primera parte produce trabajo en el entorno, la segunda proporciona la energía necesaria para separar las moléculas a una distancia mayor y la tercera se traduce en un aumento de la energía del movimiento caótico (se exterioriza mediante un aumento de la temperatura). Para lograr un aumento de la temperatura de un grado se necesita transferir más calor en un proceso a presión constante que uno a volumen constante. En consecuencia C p es mayor que Cv. Razón de capacidad calorífica γ = C p / Cv. Si no hay flujo de calor durante un cambio de estado, se trata de un cambio adiabático. Una disminución de la energía con una disminución de la temperatura del sistema, por consiguiente, si se produce trabajo en un cambio adiabático, la temperatura del sistema disminuye. Para un
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cambio fijo de volumen, la expansión adiabática reversible producirá la mayor disminución de temperatura. RESULTADOS Altura (h) 19.8cm 22.7 cm 34cm 19.5 cm 14.9 cm
Altura (h1) 5 cm 6.2 cm 9.1 cm 7 cm 3.9 cm Promedio
Coeficiente adiabático ( ) 1.33 1.37 1.36 1.56 1.35 1.394
El coeficiente adiabático se obtuvo de la siguiente formula: = h / h – h1
Donde: h = es la primera presión, la cual es la diferencia de las columnas de agua. La P2 es cuando se nivela y la P3 es cuando aumenta un poco el nivel de agua, pero debido a que la presión 3 es muy difícil de medir por tanto el valor de la P3 es aproximado a h – h1 . La diferencia(P1- P2) corresponderá a la altura (h) que es la diferencia inicial en el manometro del parato a utilizar y la diferencia (P1 – P3) que correpsonde realmentea la diferencia (P 1- P2) – (P3 – P2),se leera en el manometro como una altura (h1)que es la diferencia (P 3- P2). El valor del primer coeficiente adiabático se obtuvo de la siguiente forma: = 19.8 / 19.8 – 5 =1.33
Y asi se obtuvieron todos los valores de . DISCUSIÓN DE RESULTADOS Se obtuvo un coeficiente adiabático promedio de las 5 lecturas de la altura de la columna de agua de 1.394 el cual es aceptable comparado con el reportado bibliográficamente que es de 1.4 y este valor corresponde al coeficiente adiabático del aire, el cual puede variar debido a que el aire como bien se sabe es una mezcla de distintos componentes y nosotros nos encontramos en la zona norte central lo que hace que el aire que viene del polo norte provoque una condensación, ya que se encuentra el aire frio con el aire caliente lo que genera que choquen y se lleve a cabo una condensación en forma de lluvia (donde se libera energía), la cual produce humedad, y la única diferencia por la cual nuestro coeficiente adiabático no coincide con el reportado bibliográficamente es debido a que el que se reporta bibliográficamente es de aire seco y el que
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nosotros reportamos es de aire con cierta humedad, por lo comentado antes. Lo cual indica que el aparato de Clement-Desormes es adecuado. CONCLUSIÓN Durante la práctica se pudo concluir que un proceso adiabático es aquel en el que el sistema no intercambia calor con el entorno mientras que en el extremo opuesto, en el que tiene lugar la máxima transferencia de calor, causando que la temperatura permanezca constante, se denomina proceso isotérmico. Se pudo obtener de una forma indirecta la s capacidades caloríficas a presión y volumen constante del aire utilizando un dispositivo en el cual a través del cociente de las diferencias de presiones se obtuvo el coeficiente adiabático. (es decir la medida de sus alturas) En esta práctica no se puede afirmar que hubo errores, debido a que el coeficiente adiabático del aire tomado bibliográficamente es de aire seco, mientras que el calculado prácticamente es de aire que posee cierta humedad, debido a la ubicación de nuestro país. Por lo cual podemos decir que los resultados son bastante aceptables. CUESTIONARIO 1. Dibuje un esquema simplificado del aparato utilizado señalando todas sus partes componentes. APARATO DE CLEMENT-DESORMES
Válvula de alivio
Manómetro Perilla
Recipiente con gas (aire)
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2. Físicamente ¿cómo determina que el sistema haya alcanzado el equilibrio con los alrededores? Cuando la presión del manómetro alcanza un valor diferente a la presión inicial 3. ¿qué tipo de proceso ocurre al abrir la válvula de alivio? Abriendo rápidamente la válvula esférica, se produce una expansión adiabática, el aire interior se expande hasta que su presión se iguala a la atmosférica. 4. Explique por qué aumenta la presión cuando al cerrar la válvula de alivio deja usted que el sistema obtenga el equilibrio. Al bombear aire hacia el interior del recipiente, y cerrar la válvula para que el sistema alcance el equilibrio se genera un aumento de la presión al no variar el volumen del líquido contenido en este. Mientras que al abrir la válvula, el aire comienza a experimentar un cambio adiabático, disminuyendo rápidamente su presión, hasta alcanzar la presión atmosférica. 5. ¿Cómo relaciona las lecturas obtenidas en el manómetro con la presión real del sistema? • Al bombear aire hacia el interior del r ecipiente se provoca que aumente la presión dentro del
manómetro (en comparación con la presión real del sistema), al no variar su volumen de agua, lo cual se ve reflejado en los incrementos de las lecturas correspondientes a la altura (h). • Mientras que al abrir rápidamente la válvula de alivio y cerrarla inmediatamente, el aire
comienza a experimentar una expansión adiabática, ya que la presión del manómetro disminuye rápidamente hasta alcanzar su equilibrio (presión real del sistema), como se ve reflejado en las lecturas de la altura (h1). 6. En base a sus datos experimentales calcule las capacidades caloríficas a presión y volumen constantes y compare sus resultados con los informados en la bibliografía. Altura (h1) Altura (h) Lectura 1 Lectura 2 Lectura 3 Lectura 4 Lectura 5
19.8 22.7 34 9.1 14.9
5 6.2 9.1 7 3.9
Cp del aire
γ
1.33 1.37 1.36 1.56 1.35
Cv del aire
0.270 0.184 0.189 0.122 0.235
0.3386 0.252 0.258 0.190 0.303
Comparación con los datos de la bibliografía Cp del aire
Cv del aire
0.24
0.1715
γ del aire
1.4
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CÁLCULOS γ = In P1 - In P2 / In P1 - In γ = h / h - h1 C p / Cv = h / h - h1 C p = Cv + R
Lectura 1 Cp / Cv = 1.33 Cp =1.33 Cv y como Cp = Cv + R. Igualando ambas expresiones resulta que 1.33 Cv = Cv + R Cv = R / 1.33 – 1 =
6
Como la masa molecular del aire es de 28.98 , entonces 28.98 ( 898 Resulta que
=207.03933
Cv = 7
207.03933 ( 0.207039 . Por lo tanto Cp = 7
+ 68
86
C p = 86
Lectura 2 Cp / Cv = 1.37 Cp =1 .37 Cv y como Cp = Cv + R. Igualando ambas expresiones resulta que 1.37 Cv = Cv + R Cv = R / 1.37 – 1 =
5.35
Como la masa molecular del aire es de 28.98 , entonces 28.98 ( 898 Resulta que 184.656706
=184.656706
( .18465 . Por lo tanto
Cv =0 18465
C p =0.2529
6
Cp = 18465
+ 68
59
Lectura 3 Cp / Cv = 1.36 Cp = .36 Cv y como Cp = Cv + R. Igualando ambas expresiones resulta que 1.36 Cv = Cv + R Cv = R / 1.36 – 1 =
55
Como la masa molecular del aire es de 28.98 , entonces 28.98 ( 898 Resulta que 189.78
=189.78
( 0.189 . Por lo tanto
Cp = 1 89
+ 68
58
Cv = 0189
C p =0.258
Lectura 4 Cp / Cv = 1.56 Cp = .56 Cv y como Cp = Cv + R. Igualando ambas expresiones resulta que 1.56 Cv = Cv + R Cv = R / 1.56 – 1 =
3.5357
Como la masa molecular del aire es de 28.98 , entonces 28.98 ( 898 Resulta que
= 122.005
122.005 ( Cp = 1
. Por lo tanto
+ 68
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Cv = 1
C p =0.1903
Lectura 5 Cp / Cv = 1.29 Cp = .29 Cv y como Cp = Cv + R. Igualando ambas expresiones resulta que 1.29 Cv = Cv + R
7
Cv = R / 1.29 – 1 =
6875
Como la masa molecular del aire es de 28.98 , entonces 28.98 ( 898 Resulta que 235.596
= 5596
( 55 . Por lo tanto
Cp = 55
+ 68
8
Cv = 0.2355
C p =0.3038
7. Explique las diferencias encontradas en el inciso anterior ¿cómo sugiere que se podrían evitar? Las diferencias entre los resultados y los datos bibliográficos son muy marcadas lo que da como resultado un error porcentual medio aproximado de 50%. Las cuales podrían ser minimizadas, con las siguientes condiciones: aplicando correctamente la técnica de trabajo, empleando instrumentos de mayor precisión, sellando perfectamente el sistema, debido a que posee ciertas fugas de aire y hacerlo con aire seco, entre otras más condiciones. 8. Con los resultados experimentales obtenidos calcule el valor de (γ) para cada uno de los gases utilizados. Compárelos con los informados en la bibliografía. Solo se utilizó aire. γ
γ
calculado Lectura 1 Lectura 2 Lectura 3 Lectura 4 Lectura 5
bibliográfico
1.33 1.37 1.36 1.56 1.29
1.4
9. Señale las diferencias entre los siguientes procesos: adiabático, isotérmico e isocorico. ADIABÁTICO
ISOTÉRMICO
ISOCORICO
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Un proceso adiabático es
T1 = T2, dado que el cilindro
el volumen del gas
aquel que se lleva a cabo sin intercambio de calor entre el sistema y los alrededores. Este tipo de proceso, se puede efectuar de dos maneras: aislando el sistema mediante paredes adiabáticas (que no permiten el intercambio de calor). efectuando el proceso de manera muy rápida, de tal manera que el sistema no tenga tiempo para intercambiar calor con los alrededores.
se encuentra dentro de un termostato, la temperatura final es igual a la inicial. El trabajo realizado por el gas al expandirse se aproxima al área bajo la isoterma.
permanecerá constante la energía interna del gas aumentará, reflejándose en un incremento concomitante de la temperatura. la presión del gas se incrementará.
En un proceso isotérmico, el trabajo de expansión de un gas es máximo y es igual al área bajo la isoterma.
USOS Y APLICACIONES En las industrias la capacidad calorífica de las sustancias juega un papel vital para el balance de la energía, Simplemente si se necesita cocer un alimento, sabiendo la capacidad calorífica se sabe cuánta energía y cuánto tiempo requiere para cocinarse. Ejemplos estarían en la industria panificadora, muchos dulces se hacen en base a caramelo derretido. Y hasta en los helados pues debes reducir la temperatura de la mezcla. También están las salsas embotelladas muchas de ellas se cocinan. En la pasteurización de la leche, jugos o u otros productos, pues esta consiste en elevar rápidamente su temperatura y después enfriarla rápidamente con el fin de inhibir la propagación bacteriana. De la misma manera se aplica en otras industrias como la de pinturas donde Se sabe que unos líquidos se calientan con más facilidad que otros, es decir, requieren menos cantidad de calor para elevar la temperatura en la misma cantidad de grados. De la misma manera, a mayor cantidad de líquido más tardan en calentarse, o sea, requieren más cantidad de calor para elevar su temperatura. Dos líquidos pueden en un momento dado tener la misma temperatura y sin embargo haber recibido cantidades diferentes de calor, ya sea porque absorben calor en diferentes proporciones por su naturaleza molecular o porque hay diferentes cantidades del mismo líquido. La cantidad de calor que absorbe un líquido es directamente proporcional al tiempo en que permanece en contacto con la fuente de calor o con el cuerpo más caliente. Otras aaplicaciones industriales de la relación entre las capacidades caloríficas de un gas y sus procesos politrópicos son una planta Simple de Vapor. La figura muestra un diagrama esquemático de una planta simple de vapor. El vapor sobrecalentado a alta presión sale de la caldera, que es un elemento del generador de vapor y entra a la turbina. El vapor se expande en la turbina y mediante esto efectúa un trabajo, lo cual hace que la turbina mueva un generador eléctrico. El vapor a baja presión sale de la turbina y entra al condensador, en donde el calor es transmitido del vapor (haciendo que se
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condense) al agua de enfriamiento. Debido a que se requieren cantidades muy grandes de agua, las plantas de fuerza están situadas cerca de los ríos o los lagos. Cuando el agua disponible es limitada, podrá utilizarse una torre de enfriamiento. En la torres de enfriamiento, parte del agua se evapora, de tal modo que baja la temperatura del agua remanente. La presión del condensado, al salir del condensador, se aumenta por medio de una bomba que lo hace fluir dentro del generador de vapor.
En muchos generadores de vapor se utiliza un economizador. El economizador es simplemente un cambiador de calor en el cual el calor es transmitido de los productos de combustión al condensado, aumentando la temperatura de éste, pero sin que se efectúa ninguna evaporación. En otras secciones del generador de vapor se transmite el calor de los productos de combustión al agua, causando su evaporación. La temperatura a la cual ocurre la evaporación se llama temperatura de saturación. Entonces el vapor fluye a través de otro cambiador de calor llamado sobre calentador, donde la temperatura del vapor sube muy arriba de la temperatura de saturación. •
Industria del plástico Producción de plástico Dispositivos de mando para el transporte y la distribución de material para fluido, accionamiento de válvulas y cierre de silos. Fabricación de piezas de plástico
Ajuste de los rodillos de la calandra, accionamiento de las cuchillas, dispositivos de cierre para embutición profunda, dispositivos de soldadura y prensado, control de avance de cintas,
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dispositivos de conformación, encolar, accionamiento de dispositivos de seguridad tales como ventanas y puertas en máquinas e instalaciones, moldeadoras, dispositivos de corte a medida. BIBLIOGRAFÍA • CASTELLAN, W. Gilbert.Fisicoquímica. Segunda edición. Editorial PEARSON. México, D.F.,
1987P.p. 80, 118, 119, 129, 133
http://www.slideshare.net/gobad/experimento-de-clement-y-desormes http://webserver.dmt.upm.es/~isidoro/lab1/Practicas/Piezometria.pdf http://www.quiminet.com/articulos/determinacion-de-la-capacidad-calorifica-enpinturas-y-recubrimientos-21676.htm http://www.gestiopolis.com/recursos6/Docs/Ger/aplinreca.htm
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