P3 Esime Quimica Aplicada

PRÁCTICA No.3 “TERMODINÁMICA”

OBJETIVO: El alumno determinará con los datos obtenidos en el laboratorio el trabajo desarrollado en un Proceso Termodinámico.

CONSIDERACIONES TEÓRICAS

La termodinámica puede definirse como el tema de la Física que estudia los procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo.

Sabemos que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro por medios mecánicos. El calor es una transferencia de energía de un cuerpo a un segundo cuerpo que está a menor temperatura. O sea, el calor es muy semejante al trabajo.

El calor se define como una transferencia de energía debida a una diferencia de temperatura, mientras que el trabajo es una transferencia de energía que no se debe a una diferencia de temperatura.

Los procesos físicos por los que se produce la transferencia de calor son la conducción y la radiación. Un tercer proceso, que también implica el movimiento de materia, se denomina convección. La conducción requiere contacto físico entre los cuerpos (o las partes de un cuerpo) que intercambian calor, pero en la radiación no hace falta que los cuerpos estén en contacto ni que haya materia entre ellos. La convección se produce a través del movimiento de un líquido o un gas en contacto con un cuerpo de temperatura diferente.

LEYES DE LA TERMODINÁMICA

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará.

En palabras llanas: "La energía no se crea ni se destruye: solo se transforma". Esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824.

Donde U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Esta ley marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen). También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el primer principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.

Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico.

ENTROPÍA

En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es una magnitud física que, mediante cálculo, permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos.

MATERIAL

1 Vaso de precipitados de 250 ml PDF= 585 mmHg

1 Termómetro 760 mmHg= 1.013x106 dinas/cm2

1 Pinza para vaso membolo= 8g

1 Pinza Universal DINT= 1.82 cm

1 Mechero, anillo y tela c/asbesto 1 cal= 41.3 atm*cm3

1 jeringa de plástico graduada de 20 ml

1 Pesa de plomo grande

PROCEDIMIENTO

Se montó el sistema como corresponde, anotamos el volumen inicial que marcaba la jeringa, y al poner la pesa encima del émbolo, registramos el volumen final, después quitamos la pesa y el volumen que marco, lo registramos.

Se modifico el sistema, ahora ya había calor que influía directamente, presionamos el émbolo, y registramos su volumen, después medimos la temperatura a 60°C, 80°C, 90°C y a temperatura de ebullición, repitiendo los mismos pasos.

CUESTIONARIO

DATOS OBTENIDOS EN LA PRIMERA PARTE

PROCESO A TEMPERATURA CONSTANTE

V1 10 ml

V2 7 ml

V3 8 ml

DATOS OBTENIDOS EN LA SEGUNDA PARTE

V (cm3) T(°C)

9 ml 21°C

11 ml 60°C

12 ml 80°C

14 ml 90°C

15 ml 93°C

II. Considerando que en la primera parte la temperatura permanece constante, calcular el trabajo realizado en un proceso isotérmico.

P V= n R T

W=nRT ln V_2/V_1

PROCESO ISOTÉRMICO

CALCULOS PARA W

P_émbolo= (m*g)/A

P_émbolo=((8g)(9.81 m/s^2 ))/((3.1416) 〖(0.91cm)〗^2 )= (78.48 gm/s^2 )/(.002601 m)=3017.3dinas/〖cm〗^2 =2.26mmHg

P_0=P_DF+ P_émbolo

P_0=585mmHg+ 2.26mmHg=587.26 mmHg=0.772 atm

n= (P_0 V_1)/RT

n= ((0.772 atm)(0.01 l))/((0.082 latm/molk)(294 k))= (0.00772 )/24.108= 3.20 x〖10〗^(-4) mol

W=(3.20 x〖10〗^(-4) mol)(1.987 cal/molk)(294 k ) ln⁡〖0.007l/0.01l〗

W_1=-0.06 cal [El gas se comprimió]

CALCULOS PARA W2

del calculo anterior tenemos que

n= 3.20 x〖10〗^(-4) mol

W=(3.20 x〖10〗^(-4) mol)(1.987 cal/molk)(294 k ) ln⁡〖0.008l/0.007l〗

W_2=0.0249 cal [El gas se expandió*]

III. Con los datos obtenidos en la segunda parte, calcular el trabajo realizado por el gas en cada una de las etapas. Como la presión permaneció constante:

W=P(V_F-V_i)

W_1=0.772 atm( 11〖cm〗^3-9〖cm〗^3 )

W_1=1.544 atm 〖cm〗^3=0.037 calorías

W_2=0.772 atm( 12〖cm〗^3-11〖cm〗^3 )

W_2=0.772 atm 〖cm〗^3=0.018 calorías

W_3=0.772 atm( 14〖cm〗^3-12〖cm〗^3 )

W_3=1.544 atm 〖cm〗^3=0.037 calorías

W_4=0.772 atm( 15〖cm〗^3-14〖cm〗^3 )

W_4=0.772 atm 〖cm〗^3=0.018 calorías

W_(T=) 0.037+0.018+0.037+0.018=0.11 calorías

IV. Trabajo total realizado por el gas

W=P(V_F-V_i)

W_T=0.772(15〖cm〗^3-9〖cm〗^3)

W_T=4.632 atm 〖cm〗^3=0.11 calorías

V. Compare los datos obtenidos en el punto IV y compárelos con la suma de los datos obtenidos del punto III

No hubo ninguna diferencia.

OBSERVACIONES

En la primera parte, me di cuenta de que, al poner la pesa sobre el émbolo de la jeringa, ejercer presión, y retirarla, efectuaba un cambio en el volumen del gas, debido a que, la presión ejercida depende del peso, y aquí no solo era el del émbolo, sino también influía la masa de la pesa. En la segunda parte, observe que, conforme la temperatura iba aumentando, el gas aumentaba su volumen, de igual manera al llegar al punto de ebullición, no se observo en todo el proceso, un desplazamiento de volumen mayor a 2 ml.

CONCLUSIONES

De la primera parte del experimento puedo concluir que, a mayor presión que le apliquemos al sistema, menor será el volumen que registrara, y de la segunda parte del experimento puedo inferir que, en un proceso isobárico, a mayor temperatura, mayor volumen desplazará el gas, esto se debe a que, el vapor del agua, al momento de estar en contacto con el sistema, comienza a mezclarse con el gas, lo que hace que se desplace un volumen mayor. De igual manera, pude comprender el cambio de signos en el trabajo, ya que en el experimento se comprobó que cuando un gas se comprime, el trabajo efectuado en el sistema será negativo, de tal forma que, cuando el gas se expande, el trabajo efectuado será positivo.

BIBLIOGRAFÍA

- Título Química general Autor Ralph H. Petrucci /Pags consultadas 500-503

- Titulo: Química. Conceptos Y Aplicaciones Editorial: Mc Graw-hill /Pags consultadas 287-290

-Título: Química la ciencia central 9 ed /Autor: Theodore Brown /Editorial: Pearson/pags consultadas 300-304

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