INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería Campus Guanajuato
uímica industrial Luis !ngel García de la "osa "eporte de pr#ctica $% &aria'les termodin#micas (I)* +,uipo * Ana Cecilia "end-n "e.es /iana Pardo Arredondo Armando Ulises 0lores Ame1cua +nri,ue Ismael "end-n "e.es $234$3*5
RESUMEN OBJETIVOS Principalmente lo que se busca es conocer las variables termodinámicas como el calor, trabajo, energía libre y entropía de un sistema compuesto por un gas (aire) para encontrar la relación entre ellas.
INTRODUCCIÓN Al analizar las variables termodinámicas de un sistema debemos saber si se trata de un proceso reversible el cual indica que el sistema puede restaurarse al punto de equilibrio o si es un proceso irreversible en el cual como su nombre lo indica no se restaura a su punto de equilibrio pero para ines prácticos se maneja como proceso reversible, aunque lo ideal sería que el calor uera igual que el trabajo en el caso real tenemos que el calor siempre es mayor al trabajo, la entalpia es !nicamente la energía que se gana o se pierde a presión contante, la energía interna es el calor que se gana o se pierde a volumen contante y por ultimo tenemos la entropía que es el orden o desorden de las partículas del sistema.
)AT+"IAL+S 6 "+ACTI&OS U+ P"OPO"CIONA +L LA7O"ATO"IO "aso PP de #$$ ml
Pinza de tres dedos
%uez
&ermómetro
'oporte universal
&apón sin oradar
inamómetro de *$$ %
* matraz +rlenmeyer de *$ ml
* tapón oradado
*$ cm de &ubo de vidrio
-ielo
Pinza para termómetro
* jeringa de $4 ml por e,uipo8
FUNDAMENTOS TEÓRICO. onsideraciones teóricas de &ermodinámica.
Así, los sistemas termodinámicos que podemos estudiar, se pueden clasiicar en/ •
errados/ son aquellos que pueden intercambiar energía, aunque no materia, con los
•
alrededores. Abiertos/ aquellos que pueden intercambiar materia y energía. Aislados/ que no pueden intercambiar ni materia ni energía. -omog0neos/ las propiedades termodinámicas tienen los mismos valores en todos
•
los puntos del sistema. +l sistema está constituido por una sola ase. -eterog0neos/ las propiedades termodinámicas no son las mismas en todos los
• •
puntos del sistema. +l sistema está constituidos por varias ases, separadas entre sí por una 1rontera1 llamada interace. 2uy importante es indicar que las variables termodinámicas solo están deinidas cuando el sistema está en equilibrio termodinámico. +sto signiica que se den simultáneamente tres situaciones/ +quilibrio t0rmico (que la temperatura no cambie). +quilibrio químico (que su composición no cambie). +quilibrio mecánico (que no se produzcan movimientos en el sistema).
Algunos nombres para procesos especíicos en los que el sistema cambia de estado son/ Proceso isot0rmico/ la & permanece constante. Proceso isobárico/ la P permanece constante. Proceso isom0trico/ el " permanece constante.
+l Primer Principio de la &ermodinámica se reiere a que sólo pueden ocurrir procesos en los que la +nergía total del 3niverso se conserva. 'egundo principio/ ualquier proceso que ocurre espontáneamente produce un aumento de entropía del universo.
&ercer principio/ 4a entropía de un elemento puro en su orma condensada estable (sólido o líquido) es cero cuando la temperatura tiende a cero y la presión es de * bar de acuerdo con lo anterior, +n cualquier proceso isot0rmico que implique sustancias puras, cada una en equilibrio interno, la variación de entropía tiende a cero cuando la temperatura tiende a cero.
5elación entre calor y trabajo. 'i calor y trabajo son ambos ormas de energía en tránsito de unos cuerpos o sistemas a otros, deben estar relacionadas entre sí. 4a consolidación de la noción de calor como una orma más de energía, izo del equivalente mecánico un simple actor de conversión entre unidades dierentes de una misma magnitud ísica.
2áquinas t0rmicas 6unto a la conversión de trabajo en calor puesta de maniiesto en las e7periencias de 6oule, la transormación eectuada en sentido inverso es ísicamente realizable. 4os motores de e7plosión que mueven, en general, los veículos automóviles y la máquina de vapor de las antiguas locomotoras de carbón, son dispositivos capaces d e llevar a cabo la transormación del calor en trabajo mecánico. +ste tipo de dispositivos reciben el nombre gen0rico de máquinas t0rmicas. +n todas las máquinas t0rmicas el sistema absorbe calor de un oco caliente8 parte de 0l lo transorma en trabajo y el resto lo cede al medio e7terior que se encuentra a menor temperatura. %inguna máquina t0rmica alcanza un rendimiento del cien por cien. +sta limitación no es de tipo t0cnico, de modo que no podrá ser eliminada cuando el desarrollo tecnológico alcance un nivel superior al actual8 se trata, sin embargo, de una ley general de la naturaleza que imposibilita la transormación íntegra de calor en trabajo. 2otores de combustión interna. 'on los que usan com!nmente los automóviles. 'e llaman tambi0n motores de e7plosión. +stos nombres les ueron asignados debido a que el combustible se quema en el interior del motor y no es un dispositivo e7terno a 0l, como en el caso de los motores diesel. +stos motores trabajan en cuatro tiempos que son la admisión, la compresión, la e7plosión y el escape. +n el primer tiempo o admisión, el cig9e:al arrastra acia abajo el 0mbolo,
aspirando en el cilindro la mezcla carburante que está ormada por gasolina y aire procedente del carburador.
+n el segundo tiempo se eect!a la compresión. +l cig9e:al ace subir el 0mbolo, el cual comprime uertemente la mezcla carburante en la cámara de combustión. +n el tercer tiempo, se eect!a la e7plosión cuando la cispa que salta entre los electrodos de la bujía inlama la mezcla, produci0ndose una violenta dilatación de los gases de combustión que se e7panden y empujan el 0mbolo, el cual produce trabajo mecánico al mover el cig9e:al, que a su vez mueve las llantas del coce y lo ace avanzar. Por !ltimo, en el cuarto tiempo, los gases de combustión se escapan cuando el 0mbolo vuelve a subir y los e7pulsa acia el e7terior, saliendo por el mole del automóvil. %aturalmente que la apertura de las válvulas de admisión y de escape, así como la producción de la cispa en la cámara de combustión, se obtienen mediante mecanismos sincronizados en el cig9e:al. e acuerdo a la descripción anterior, comprendemos que si la e7plosión dentro del cilindro no es suave y genera un tirón irregular, la uerza e7plosiva golpea al 0mbolo demasiado rápido, cuando a!n está bajando en el cilindro. +ste eecto de uerzas intempestivas sacude uertemente la máquina y puede llegar a destruirla. uando esto sucede se dice que el motor está 1detonando1 o 1cascabeleando1, eecto que se ace más notorio al subir alguna pendiente. ;ndudablemente que este enómeno tambi0n se observa cuando el automóvil está mal carburado, o sea que no tiene bien regulada la cantidad de aire que se mezcla con la gasolina. 'in embargo, cuando 0ste no es el caso, el cascabeleo se deberá al tipo de gasolina que se está usando, la cual a su vez depende de los compuestos y los aditivos que la constituyen, o sea de su octanaje
METODO EXPERIMENTAL
Parte 1 <
*
&omar *$ ml de aire y sellar su e7tremo.
on un dinamómetro determine la uerza que opone el embolo al desplazamiento.
>
=
;ntroducir la jeringa al vaso con agua despu0s de minutos registre la tem eratura volumen.
olocar el soporte y sistema de calentamiento
#
alentar el agua y registrar el volumen de la jeringa cuando el agua este a ?$@
A ?$@ colocar objetos pesados sobre la jeringa y registrar cuando peso necesita para modiicar el volumen del aire .
Apagar la parrilla y dejar enriar a temperatura inicial
Parte 2 *
<
olocar un tapón de ule con un tubo que este sumergido en el agua.
4lenar un matraz +rlenmeyer con ielo y agua asta el borde.
>
'e marca asta donde llego el agua en el tubo y despu0s de *$ min se ace otra marca asta donde disminuyo.
CALCULOS Buerza para mover el 0mbolo/
Lectura
0uer1a 9N:
0uer1a promedio 9N:
*a $a (a
*85 $84 $84
*8;
álculos/
-
+l 0mbolo de la jeringa se e7pandirá dando un ∆ V .
-
Aora requerimos obtener la presión que se ejerce sobre el 0mbolo, esta presión será la atmos0rica que se debe obtener con la ecuación barom0trica/ − Mg h / RT
P1= P0 e onde/
P C Presión a la altura h (en este caso la altura de la ciudad de 'ilao Dto.) P 0 = Presión al nivel del mar (* atmósera) M C Peso molecular del aire (
P1=( 745 mm / hg )
1 atm 760 mm / hg
=.98 atm
-
P2=
-
A la presión anterior se le debe sumar la presión correspondiente a la uerza que se requirió para vencer el rozamiento y lograr mover el embolo (4ectura del dinamómetro) dividida entre el área del embolo/ F 2 2 2 y A embolo = π r π ( 1.94 cm) ( .43 cm )=2.62 cm =.0026 m C A
Así obtenemos la presión de oposición, se recomienda que ambas presiones la * y la < est0n en atmoseras.
Poposició n= P1 + P2
1.8 N
C (.G?atm) H (
2
0026 m
) C (.G?atm) H(#?#.?pa)C (.G?atm)H
(.$$#??atm)C8<;2;atm
-
Ia estamos en condiciones de encontrar el trabajo termodinámico/ W =− Poposició n ∆ V =− P oposició n ( V 2 −V 1 )
CJ(.?*G?atm)
101.325 J
(.$$<#4)C.$$*GatmK4CJ.$$*G(
-
1 atm∗ L
C=4*22>
Para encontrar el cambio de la energía interna
( ∆ U ) se debe de contar con la
cantidad de moles de aire en la jeringa, para esto utilizamos la órmula del gas ideal, tomando las condiciones iniciales, P 1 , el V 1 será la lectura tomada dentro de la jeringa luego de dejarla los minutos dentro del agua (antes de comenzar a calentar) y T 1 será la temperatura del agua. PV n= RT C
-
( .813 atm ) (.01 L ) atmL .082 ( 284 ) C(8(?@ mol
Aora ya podemos aplicar la ecuación de
−4
10
∆ U =n c V aire ∆ T
mol
J vC.* !g " ∆ U =¿
-
(
1 !g 1000 g
(>.>7
−4
10
)( ) 28 g
1 mol
=10.9 J / mol "
)(<$.$G6EmolFL)(GFL)C48(<
e la primera ley de la termodinámica/ ∆ U =# + W $espe%an&o# : # =∆ U −W C ($.>GG<6)J(J$.*##6)C482?$>
−nRT
∫
∆ '=
# Re( T
=∫
∆ U −W = T
∫
n c V &T T
−∫
− P&V T
=∫
n c V &T T
−∫
V T
&V
onde nos queda/ ∆ ' =∫
n c V &T T
+∫ nR
&V V
'acando las constantes de la integral e integrando, tendremos/ ∆ ' =n c V ln
T 2 T 1
+ nR ln
V 2 V 1 C (>.>7 −4
(>.>7
10
−3
∆ ' =1.75 ) 10 J "
RESULTADOS "eportar% n B (8(?@
−4
10
B=844*
mol
101 * 325 J 1 atm∗ L
B=4*22>
−4
10
J ) (<$.$G mol " ) ;n (
J mol) (?.>*= mol " ) ;n (
0.012 0.010
)
353 294
¿ H
∆ U B 48(<
B482?$> ∆' B
−3
1.75 ) 10
J "
CONCLUSIÓN -emos visto en el primer apartado de introducción a la termodinámica química el concepto de sistema y los tipos de sistemas termodinámicos e7istentes. Aora bien, una vez delimitado un sistema termodinámico, necesitamos conocer para deinirlo en proundidad, además de la composición química del sistema, el valor de una serie de variables que determinan el estado del mismo desde un punto de vista macroscópico. A estas variables se las denomina "ariables &ermodinámicas.
CUESTIONARIO Parte1 *8 +ste o'tenidoD es el calor suministrado al sistema aireD encuentre el calor total suministrado al agua . reporte ,ue porcentaje de ese calor fue aplicado al sistema aireD eEpli,ue ,uF pasa con todo el calor restante 9ue no se aplico al sistema aire:8 $8 uF sucede al agregar uno . luego dos pesos al em'olo de la jeringaH +Epli,ue lo sucedido Objeto Masa (g) Matraz 1 125 Matraz 2 175 Computado 1187 ra on el matraz * con *< ml de agua no presento ning!n desplazamiento tampoco con el matraz < con * ml de agua. on la masa de la laptop **? gr. 'e desplazo de *< ml de aire a ? ml.
(8 uF sugeriría usted para aproecJar de mejor manera el calor agregado en el aguaD en el sistema aireH Mue el sistema uera erm0ticamente cerrado para evitar ugas de calor y solo e7ista la interacción con el sistema de aire
Parte 2 *8 +Epli,ueD con sus pala'ras ,ue entiende por le. cero de la termodin#mica8
'i A esta en equilibrio t0rmico con N y a su vez N y están en equilibrio t0rmico por lo tanto se puede airmar que A y tambi0n están en equilibrio t0rmico
$8 +nuncie e interprete la primera le. de la termodin#mica +l incremento de la energía interna de un sistema termodinámico es igual a la dierencia entre la cantidad de calor transerida a unes igual a la dierencia entre la cantidad de calor transerida a un sistema y el trabajo realizado por el sistema a sus alrededores.
(8 uF entiende por energía internaD energía tFrmica . calorH +nergía interna es la energía que está asociada con el movimiento aleatorio y desordenado de partículas dentro de un sistema tambi0n es entendida como la energía microscópica. +nergía t0rmica es la orma de energía que interviene en los enómenos caloríicos. uando dos cuerpos a dierentes temperaturas se p onen en contacto, el caliente transiere energía al río alor es la cantidad de energía que un cuerpo transiere a otro como consecuencia de una dierencia de temperatura entre ambos.
58 C-mo se relacionan tra'ajo . calor en un proceso cíclicoH 4os procesos cíclicos son la base de todas las máquinas y motores, que operan de orma periódica. +n un proceso cíclico la energía total al inal del proceso es la misma que al principio, por tratarse de una unción de estado. Por tanto
'i desglosamos el calor y el trabajo entre lo que entra y lo que sale
nos queda
lo que nos dice que en un proceso cíclico lo que entra es igual a lo que sale.
8 uF es un proceso adia'#tico . c-mo se eEpresa la primera le. en estos procesosH +l sistema es un sistema aislado no recibe ni entrega calor al entorno MC$ Por lo tanto al aplicar la *era ley de termodinámica, la variación de la energía interna depende !nicamente del trabajo realizado o recibido por el sistema
28 A ,uF es igual la ariaci-n de energía interna en un proceso a olumen constanteH omo no e7iste variación en el volumen la e7presión queda/
?8 uF significa ,ue la energía interna es funci-n de estadoH +l calor . el tra'ajo son tam'iFn funciones de estadoH 'u variación sólo depende del estado inicial y inal y no del camino desarrollado. 'on unciones de estado/ presión, temperatura, energía interna, entalpía8 no lo son/ calorD tra'ajo. 4as unciones de estado deben cumplir dos requisitos/ *) al dar valores a unas cuantas unciones de estado, se ijan automáticamente los valores de todas las otras y <) cuando cambia el estado de un sistema, los cambios en las unciones de estado dependen sólo de los estados inicial y inal del sistema, y no de cómo se logra el cambio.
;8 uF es la m#,uina de CarnotD desde el aspecto de un modelo matem#ticoH • • • •
O Absorción de calor Qin en un proceso isotermo a temperatura T c. OA +nriamiento adiabático asta la temperatura del oco río, T f . AON esión de calor Qout al oco río a temperatura T f . NO alentamiento adiabático desde la temperatura del oco río, T f a la temperatura del oco caliente, T c.
Aplicando este resultado al caso de un gas ideal, se llega a que el rendimiento de una máquina que operara seg!n el ciclo de arnot es
<8 +n un ciclo termodin#mico cual,uieraD ,ue alores tendr#n la energía interna . la entalpiaH Por ,uFH
*48= Si tenemos la grafica de P s &D /e ,uF manera podemos o'tener el tra'ajoH 'e puede encontrar el punto donde se interceptan las líneas de la presión y del cambio de volumen, ya que por deinición el trabajo es igual a la presión multiplicada po r el cambio de volumen.
**8= uF se demuestra o eEplica con la segunda le. de la termodin#micaH 4a segunda ley de la termodinámica indica que es imposible para cualquier máquina actuando por si mismo llevar calor continuamente desde un cuerpo a otro que se encuentra a una temperatura más alta. +sta ley implica que para llevar calor continuamente desde un cuerpo río a otro más caliente es necesario suministrar energía o trabajo por una uente e7terna.
*$8= uF le. esta'lece ,ue solo cuerpos calientes pueden transferir calor a cuerpos fríosD . no de forma iceersaH 4ey cero de la termodinámica
*(8= +Eprese su concepto de entropía . eEplí,uelo 4a entropía se e7plica en la segunda ley de la termodinámica y es una medida de orden entre las mol0culas, entre más entropía más desorden y entre menos entropía más orden.
Además esta permite determinar la parte de la e nergía que no puede usarse para acer un trabajo.
*58= C-mo se comporta la entropía en procesos reersi'lesD . en irreersi'lesH 4a entropía de un sistema aislado que e7perimenta un cambio siempre se incrementa. +n un proceso reversible la entropía del sistema aislado permanece constante, y en uno irreversible esta aumenta.
*8= C-mo relacionamos la tercera le. de la termodin#mica con el cero a'solutoH ebido a que esta ley airma que no se puede alcanzar el cero absoluto en cierto n!mero de etapas ya que al llegar al cero absoluto cualquier proceso de un sistema ísico se detiene.
BIBLIOGRAFIA http!!"""2.#$.e%&.ar!$e'a#$!'%(#$!tra$a)*+!G*$$#.p%, http!!ter-*%#a-#'a12.-/ http!!""".0,p.&$a.ar http!!ar&#-e%e+.-ate-.&a-.-/!
