Universidad Nacional Aut noma de M xico
Facultad de Ingenier a
Divisi n de Ciencias B sicas
Laboratorio de Termodin mica Previo 6
Capacidad térmica específica y entalpia de evaporación del agua Velasco Robles David Rafael Grupo: 02 11 de Marzo 2013
Capacidad térmica específica y entalpia de evaporación del agua
1. Escriba las ecuaciones empleadas para calcular la energía transmitida como calor para variación de temperatura y para cambio de fase. Calor sensible
Se puede calcular en algunos casos simples:
Si el proceso se efectúa a presión constante: Q s = Δ H = mC p(t 2 − t 1)
En donde H es la entalpía del sistema, m es la masa del cuerpo, C p es el calor específico a presión constante (definido como la cantidad de calor requerida para aumentar en un grado la temperatura de la unidad de masa de un cuerpo a presión constante), t 2 es la temperatura final y t 1 es la temperatura inicial del cuerpo.
Si el proceso se efectúa a volumen constante: Q s = ΔU = mC v(t 2 − t 1)
En donde C v es el calor específico a volumen constante, y U representa la energía interna del sistema. Los valores de calor específico varían también con la temperatura ambiente y el estado físico de agregación de las sustancias. Calor latente
Q = mL Donde L es el calor de fusión o de evaporación y m es la masa que cambia de estado. La capacidad térmica específica
El calor específico medio ( ) correspondiente a un cierto intervalo de temperaturas define en la forma:
Donde es la transferencia de energía en forma calorífica en el entre el sistema y su entorno u otro sistema, es la masa del sistema (se usa una n cuando se trata del calor específico molar) y es el incremento de temperatura que experimenta el sistema. El calor específico ( ) correspondiente a una temperatura dada se define como:
se
El calor específico ( ) es una función de la temperatura del sistema; esto es, . Esta función es creciente para la mayoría de las sustancias (excepto para los gases monoatómicos y diatómicos). Esto se debe a efectos cuánticos que hacen que los modos de vibración estén cuantizados y sólo estén accesibles a medida que aumenta la temperatura. Conocida la función , la cantidad de calor asociada con un cambio de temperatura del sistema desde la temperatura inicial T i a la final T f se calcula mediante la integral siguiente:
En un intervalo donde la capacidad calorífica sea aproximadamente constante la fórmula anterior puede escribirse simplemente como:
2. Defina la entalpia.
Es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra H, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno. En palabras más concretas, es una función de estado de la termodinámica donde la variación permite expresar la cantidad de calor puesto en juego durante una transformación isobárica (es decir, a presión constante) en un sistema termodinámico (teniendo en cuenta que todo objeto conocido puede ser entendido como un sistema termodinámico), transformación en el curso de la cual se puede recibir o aportar energía (por ejemplo la utilizada para un trabajo mecánico). En este sentido la entalpía es numéricamente igual al calor intercambiado con el ambiente exterior al sistema en cuestión. Usualmente la entalpía se mide, dentro del Sistema Internacional de Unidades, en julios. El caso más típico de entalpía es la llamada entalpía termodinámica. De ésta, cabe distinguir la función de Gibbs, que se corresponde con la entalpía libre, mientras que la entalpía molar es aquella que representa un mol de la sustancia constituyente del sistema.
3. Diga qué es cada una de las siguientes entalpias: de evaporación, de fusión, de sublimación, de solidificación y de condensación.
La entalpía de vaporización o calor de vaporización es la cantidad de energía necesaria para que la unidad de masa (kilogramo, mol, etc.) de una sustancia que se encuentre en equilibrio con su propio vapor a una presión de una atmósfera pase completamente del estado líquido al estado gaseoso. Se representa por Δ H vap, por ser una entalpía. El valor disminuye a temperaturas crecientes, lentamente cuando se está lejos del punto crítico, más rápidamente al acercarse, y por encima de la temperatura crítica las fases de líquido y vapor ya no coexisten. Generalmente se determina en el punto de ebullición de la sustancia y se corrige para tabular el valor en condiciones normales. La entalpía de fusión o calor de fusión es la cantidad de energía necesaria para hacer que un mol de un elemento que se encuentre en su punto de fusión pase del estado sólido al líquido, a presión constante. Cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno. Es una magnitud de termodinámica (H), cantidad de energía que se puede intercambiar. Teoría de las colisiones Unidades: kJ/mol La sublimación, es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Al proceso inverso se le denomina sublimación inversa; es decir, el paso directo del estado gaseoso al estado sólido. Un ejemplo clásico de sustancia capaz de sublimarse es el hielo seco. Calor de solidificación: Cantidad de calor que desprende la masa de un líquido al solidificarse a su temperatura de congelación. Calor de condensación: Calor que es liberado por la masa de un gas que se encuentra en su punto de ebullición al condensarse en un fluido. 4. Escriba el enunciado de la Primera Ley de la Termodinámica para un sistema cerrado, su expresión matemática y diga el significado de cada uno de sus términos.
La variación de energía de un sistema termodinámico cerrado es igual a la diferencia entre la cantidad de calor y la cantidad de trabajo intercambiados por el sistema con sus alrededores. En su forma matemática más sencilla se puede escribir para cualquier sistema cerrado:
Donde: es la variación de energía del sistema, Es el calor intercambiado por el sistema a través de unas paredes bien definidas, y
Es el trabajo intercambiado por el sistema a sus alrededores. Sistemas abiertos
Un sistema abierto es aquel que tiene entrada y/o salida de masa, así como interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, también pued e realizar trabajo de frontera. La ecuación general para un sistema abierto en un intervalo de tiempo es:
O igualmente; Q + W + ∑ minθin − ∑ mout θout = ΔU sistema, in
out
Donde; in representa todas las entradas de masa al sistema. out representa todas las salidas de masa desde el sistema. θ es la energía por unidad de masa del flujo y comprende la entalpía, energía potencial y energía cinética: La energía del sistema es:
La variación de energía del sistema en el intervalo de tiempo considerado (entre t 0 y t ) es:
Sistemas abiertos en estado estacionario El balance de energía se simplifica considerablemente para sistemas en estado estacionario (también conocido como estado estable). En estado estacionario se tiene Δ E sistema = 0, por lo que el balance de energía queda:
Sistema aislado
Es aquel sistema en el cual no hay intercambio ni de masa ni de energía con el exterior. 5. Explique en qué consiste el efecto Joule.
Si en un conductor circula electricidad, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido al choque que sufren los electrones con las moléculas del conductor por el que circulan elevando la temperatura del mismo; este efecto es conocido como efecto Joule. "La cantidad de energía calorífica producida por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente". Matemáticamente: 2
Q = I ·R·t , siendo Q = energía calorífica producida por la corriente expresada en Julios I = intensidad de la corriente que circula R = resistencia eléctrica del conductor t = tiempo 6. Investigue en tablas de propiedades termodinámica la entalpia de evaporación del agua a 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 y 3.0 atmósferas y repórtela en las siguientes unidades: (Btu/lbm), (J/g) y (kJ/kg). atmosferas 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Btu/lbm 970.94 957.395 946.817 938.045 930.434
J/g 258000 2226500 2201900 2181500 2163800
kJ/kg 2258,0 2226,5 2201,9 2181,5 2163,8
7. ¿Qué diferencia hay entre un termo, un vaso de Dewar y un calorímetro? Haga un esquema de cada uno.
Prácticamente es muy parecido un vaso de Dewar y un termo ambos su función es proporcionar aislamiento térmico, disminuir las pérdidas de calor por conducción,
convección o radiación. Utilizado para almacen ar líquidos, fríos o calientes y un calorímetro es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor “suministradas” o “recibidas” por los sistemas. Es decir, sirve para determinar la capa cidad térmica específica del sistema, así como para medir las cantidades de calor que “liberan” o “absorben” los sistemas 8. ¿Qué instrumento se utiliza para medir el consumo de energía eléctrica?
El vatihorímetro, watthorímetro, contador eléctrico o medidor de consumo eléctrico 9. ¿Qué es una fase y qué es un estado?
La fase es cada una de las partes macroscópicas de una composición química y propiedades físicas homogéneas que forman un sistema. Los sistemas monofásicos se denominan homogéneos, y los que están formados por varias fases se denominan mezclas o sistemas heterogéneos. Se debe distinguir entre fase y estado de agregación de la materia. Por ejemplo, el grafito y el diamante son dos formas alotrópicas del carbono; son, por lo tanto, fases distintas, pero ambas pertenecen al mismo estado de agregación (sólido). También es frecuente confundir fase y microconstituyente; por ejemplo, en un ace ro cada grano de perlita es un microconstituyente, pero está formado por dos fases, ferrita y cementita. 10. ¿De qué propiedades termodinámicas dependen los cambios de fase para una sustancia pura?
De la temperatura, la presión y el tiempo
