UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE QUÍMICA Laboratorio de termodinámica Practica 7: “Equivalencia calor -trabajo’’
OBJETIVO Abordar temas de energía a un experimento donde se llevan a cabo fenómenos caloríficos en un cuerpo sólido. INTRODUCCION En termodinámica generalmente el término calor significa simplemente transferencia de energía. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico. En el caso de un sistema termodinámico, el trabajo no es necesariamente de naturaleza puramente mecánica, ya que la energía intercambiada en las interacciones puede ser también calorífica, eléctrica, magnética o química, por lo que no siempre podrá expresarse en la forma de trabajo mecánico. Calor y trabajo son dos tipos de energía en tránsito, es decir, energía que pasa de un cuerpo a otro. Ambas tienen la misma unidad, Julio en el S.I. La principal diferencia entre ambas es la forma en la que se transfieren. El calor se transfiere entre dos cuerpos que tienen diferente temperatura. El trabajo se transfiere cuando entre dos cuerpos se realizan fuerzas que provocan desplazamientos o cambios dimensionales. El principio de la conservación de la energía nos plantea la equivalencia entre calor y trabajo mecánico. Para los casos en donde suponemos que toda la energía mecánica puede convertirse en calor, podemos obtener experimentalmente el valor numérico de esta relación o equivalencia. El trabajo es normalmente medido en unidades de Julios (Joule) y la energía térmica o calor es medido en unidades de calorías. La equivalencia no es inmediatamente obvia y debe determinarse experimentalmente. Esta relación de equivalencia es llamada “Equivalente Mecánico del Calor”.
El flujo de calor y calor y el trabajo, son dos formas de transferencia de energía. Como ejemplo de calor y trabajo se puede elevar la temperatura de un gas, tanto calentándolo, como realizando un trabajo sobre él, o una combinación de los dos. En un clásico experimento en 1843, James Joule demostró la equivalencia de
energía de calentamiento y realizadora de trabajo, usando el cambio en la energía potencial de unas masas suspendidas, que agitaban y calentaban el agua de un contenedor aislado, mediante unas paletas. Unas medidas cuidadosas, demostraron que el aumento en la temperatura del agua era proporcional a la energía mecánica empleada en agitar el agua. En esos tiempos se aceptó la caloría como unidad de calor, y el julio como unidad de energía mecánica. También se intrudujo la unidad térmica británica (BTU). Sus relaciones con el julio son
Estas conversiones son valores de la tabla International Steam Table (IT), y se pueden encontrar variaciones de hasta el 0.5% puesto originariamente se basaron en energía por cambio de temperatura del agua, y estos cambios varían un poco dependiendo de la propia temperatura. La capacidad calorífica del agua cambia ligeramente con la temperatura. MATERIAL Y EQUIPO 1 Calorímetro Dewar 1 Probeta 1 Cronometro Agua del grifo
1 Resistencia eléctrica 1 Vaso de precipitados 1 Termómetro
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Primera parte Colocar en un frasco dewar 100 ml de agua fría (temperatura ambiente)
Segunda parte Colocar 300 ml de agua en el Dewar
Registrar la temperatura del agua cada 30 seg. Durante 5 min. (Para alcanzar equilibrio térmico con el Introducir el agua del dispositivo, sin encender con el termómetro y tapar bien el Dewar. Registrar la temperatura inicial Colocar en un vaso de precipitados de 600 ml aprox. 400 ml de agua y calentar a ebullición.
Conectar el dispositivo eléctrico y mantenerlo por 10 y 100 seg.
Transcurrido el tiempo, desconectar y agitar suavemente el sistema .
Registrar el tiempo que estuvo encendido y la temperatura final. Repetir 15 veces el experimento con otros Datos (Primera parte) Tiempo (min) 0.50 1 1.5
0 inicial (°C) 22.2 22.3 22.3
Tiempo (seg) 5.15 5.30 5.45
0 inicial (°C) 47.5 47.2 46.8
2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
22.3 22.3 22.3 22.3 22.3 22.3 22.4
6 6.15 6.30 6.45 7 7.15 7.30
46.6 46.4 46.2 46.0 45.8 45.6 45.5
50 45 40
) 35 C ° ( a r 30 u t 25 a r e p 20 m e 15 T 10 5 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
Tiempo (min)
Grafica I, temperatura vs tiempo
Datos (Segunda parte) Voltaje = 129.9 Volts Resistencia =30.8 Ohms Tiempo (s) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Resolucion
TInicial (°C) 21.9 21.9 21.9 22.2 21.8 22.9 22.0 21.8 22 21.9 21.6
TFinal (°C) 26.3 29.1 31.5 33.7 35.9 37.8 39 40.6 41.8 45 46.3
Tiempo (s)
ΔT(°C)
Trabajo eléctrico W elec (J)
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
4.4 7.2 9.6 11.5 14.1 14.9 17 18.8 19.8 23.1 24.7
5478.57 8217.86 10957.14 13696.43 16435.72 19175.01 21914.29 24653.58 27392.87 30132.16 32871.44
Calor absorbido Q abs (cal)
Equivalencia calor-trabajo W/Q (joules/cal)
Qabs= QH2o + Qk
APLICACIONES EN LA INDUSTRIA, EN LA INVESTIGACION CIENTIFICA O EN LA VIDA COTIDIANA = t Qk = k(Tf-Ti) Welectrico 2
La energía es la fuerza vital de la naturaleza, está presente en todos los procesos químicos, físicos, estructurales, etc., que se dan en nuestro entorno y que permiten el desarrollo de nuestras actividades en las diferentes áreas de trabajo. Esta energía está presente de diversas maneras, una de ellas es en forma de calor, un término que utilizamos indiscriminadamente, a diario y sin tener presente lo importante que este puede resultar al ser involucrado en procesos que nos ayudan en la creación de gran cantidad de elementos que utilizamos en nuestra vida diaria. Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo este no es el caso. El calor y la temperatura están relacionadas entre si, pero son conceptos diferentes. El calor es una forma de energía en transito que se debe a una diferencia de temperatura. El calor siempre se transmite del cuerpo mas caliente al más frio.
Reflexionar y responder 1. Si el trabajo realizado es de un joule y este se emplea exclusivamente en “calentar”, ¿cuál es el valor equivalente en calorías?
1 joule=0.239 calorías 2. En un calorímetro como el usado por Joule que contiene dos litros de agua (ρ =
1g mL-1) se dejan caer diez veces dos pesas de mil gramos cada una, las cuales descienden quince metros. ¿Cuál es la variación de temperatura del agua en °C? c=Mgh/(m(ΔT)) Δ T=Mgh/mc ΔT= 1kg (9.81m/s2)(15m)/(200kg)(1jKg/°C) ΔT=0.73°C
3.- ¿Qué es potencia eléctrica y que unidades tiene? La potencia eléctrica se define como la cantidad de energía eléctrica o trabajo, que se transporta o que se consume en una determinada unidad de tiempo. La unidad básica de potencia es el Watt, que equivale a voltaje multiplicado por intensidad de corriente, o sea la cantidad de coulombs de electrones que pasan por un punto en un segmento. 4.-A partir de la ley de Ohm, la intensidad de corriente y la potencia, encontrar una relación entre la potencia, la resistencia y el voltaje: La ley de Ohm que nos dice: V=R x l, luego P=R x l x l=R x I2 También P=Vx V /R = V2/R. 5.- ¿Cómo se miden la resistencia y el voltaje? La resistencia eléctrica se mide con el Ohmímetro que es un aparato diseñado para medir la resistencia eléctrica en Ohmios. Debido a que la resistencia es la diferencia de potencial que existe en un conductor debida por la intensidad de la corriente que pasa por el mismo, un ohmímetro tiene que medir dos parámetros, y
para ello debe tener su propio generador para producir la corriente eléctrica. Para medir el voltaje se utiliza el voltímetro. El voltímetro se coloca en paralelo en los extremos del componente cuya tención queremos medir. APLICACIÓN DE LENGUAJE TERMODINAMICO 1.- ¿Qué tipo de paredes tiene el Dewar? Paredes adiabáticas, rigidas e impermables. 2.-¿Cuál es el sistema de estudio? Agua contenida en el frasco Dewar 3.-Clasificar el sistema de trabajo de acuerdo al numero de fases que presenta Solo una liquida (homogéneo) 4.-Clasificar el proceso si el “calentamiento” del agua ocurre a presión constante
BIBLIOGRAFIA
http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/2esobiologia/2quincena2/p df/quincena2.pdf http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/InfoP7_15244.pdf
