Practica 4 Quimica Aplicada Esime Zacatenco

Química II

Ingeniería En Comunicaciones y Electrónica

Turno Vespertino

Práctica No. 3

“Termodinámica”

Grupo 2CV4

Equipo: 4

Integrantes:

LOPEZ OLGUÍN CARLOS MIGUEL

CORNEJO VIEYRA JOSÉ CARLOS

Índice

Concepto teórico………………………………………………….3

Objetivo de la práctica……………………………………………9

Material…………………………………………………………….9

Desarrollo de la práctica…………………………………………10

Cuestionario……………………………………………………….11

Conclusiones………………………………….…………………..16

Bibliografía………………………………………….……………..17

Concepto Teórico

Termodinámica:

La termoquímica es un amplio tema llamado termodinámica, que es el estudio científico de la conservación del calor y otras formas de energía. Las leyes proporcionan guías útiles para entender la energética y la dirección de los procesos.

En la termodinámica se examinaran los cambios en el estado de un sistema, que se define por los valores de todas sus propiedades macroscópicas importantes por ejemplo, composición, energía, volumen, temperatura y presión. Se dice que la, composición, energía, volumen, temperatura y la presión son funciones de estado, es decir, propiedades determinadas por el estado del sistema, sin importar como se halla alcanzado esa condición. En otras palabras, cuando cambia el estado de un sistema, la magnitud del cambio de cualquier función de estad depende únicamente del estado inicial y final del sistema y de no de cómo se efectuó dicho cambio.

El estado de cierta cantidad de un gas se especifica por su volumen su presión y su temperatura.

∆V = vf-vi

La letra griega ∆ simboliza cambio, donde vi y vf representan el volumen inicial y final, respectivamente. La energía es otra función de estado. Con la energía potencial como ejemplo, se encuentra que el aumento neto de la energía potencial gravitacional, cuando se parte de un mismo punto para escalar una montaña siempre es el mismo independientemente de como se llegue.

LA PRIMER LEY DE LA TERMODINAMICA.

L a primera ley de la termodinámica, que se basa en la ley de conservación de energía, establece que la energía se puede convertir de una forma a otra, pero no se puede crear ni destruir.

La energía interna de un sistema tiene dos componentes: energía cinética y energía potencial. El componente de la energía cinética consiste en los diversos tipos de movimiento molecular y en el movimiento de los electrones dentro de las moléculas. La energía potencial esta determinada por las fuerzas de atracción entre los electrones y los nucléolos, por las fuerzas de repulsión que existen entre los electrones y entre los núcleos de las moléculas individuales, así como la interacción entre las moléculas.

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA.

La segunda ley de la termodinámica, que es una generalización de la experiencia, es una exposición cuyos artificios de aplicación no existen. Clausius la enuncio como sigue: No es posible para una máquina cíclica llevar continuamente calor de un cuerpo a otro que esté a temperatura más alta, sin que al mismo tiempo se produzca otro efecto (de compensación. En este caso, la segunda ley elimina la posibilidad de que la energía fluya del cuerpo frío al cuerpo caliente y así determina la dirección de la transmisión del calor. La dirección se puede invertir solamente por medio de gasto de un trabajo.

Kelvin (con Planck) enuncio la segunda ley con palabras equivalentes: es completamente imposible realizar una transformación cuyo único resultado final sea el de cambiar en trabajo el calor extraído de una fuente que se encuentre a la misma temperatura. Este enunciado elimina nuestras ambiciones de la máquina térmica, ya que implica que no podemos producir trabajo mecánico sacando calor de un solo depósito, sin devolver ninguna cantidad de calor a un depósito que esté a una temperatura más baja.

TRABAJO Y CALOR

Ya se ha visto que el trabajo se define como una fuerza F multiplicada por una distancia d: w=Fd. En termodinámica el trabajo tiene un significado mucho mas amplio que incluye trabajo mecánico, trabajo eléctrico, trabajo de superficie.

La termodinámica es una parte de la física que estudia las reacciones energéticas que existen en procesos físicos, químicos o biológicos.

Conceptos básicos

Los estudios de la termodinámica se van a referir de ordinario a un sistema entendiéndose por sistema una cantidad limitada de materia, es decir, es una porción del universo que vamos a estudiar de acuerdo con las siguientes particularidades:

1.- un sistema consta de un gran número de entidades (moléculas, átomos, iones, partículas, etc.) no interesa la forma geométrica del sistema.

2.- se acepta que el universo está dividido en dos partes bien diferenciadas una de ellas es el sistema y la otra es el resto del universo que se llama entorno también se omite cualquier consideración acerca de la naturaleza, estructura y extensión del entorno.

3.- existe siempre una integración entre el sistema y el entorno que se llama interacción termodinámica.

4.- se dice que un sistema está en equilibrio cuando se cumplen simultáneamente las dos condiciones siguientes:

a) este sistema es estacionario es decir sus propiedades no varían con el tiempo.

b) no existe ningún flujo de energía entre sistema y entorno.

Tipos de sistemas

La separación entre un sistema y su entorno puede tener límites reales o imaginarios.

Un sistema según sus intercambios con el entorno puede ser:

Aislado no existe ningún tipo de integración con el exterior.

Cerrado es aquel sistema para el cual no es posible ningún intercambio de materia con el exterior, pero si de energía.

Abierto puede intercambiar materia y energía con el exterior. A la envoltura real o imaginaria del sistema se la llama frontera o limite.

Fase es toda región del sistema que tienen propiedades homogéneas. Según esto los sistemas pueden ser homogéneos cuando constan de una sola fase o heterogéneos cuando constan de mas de una sola fase.

HCl (aq) + NaOH (aq) NaCl (aq) + H2O (aq) homogéneo

C6H12O6 (sol) + 6 O2(gas) 6 CO2(gas) + 6 H2O(liq) heterogéneo

El estado de un sistema es el valor que tiene ciertas magnitudes o variables termodinámicas (presión, volumen, temperatura...). Cuando estas variables no se modifican ya hemos dicho que el sistema está en equilibrio termodinámico. En estas condiciones entre sub variables existe una relación que se llama ecuación de estado.

Para definir un sistema hay que elegir una serie de magnitudes (composición química, concentración, presión, temperatura, volumen, densidad, etc.).

Algunas de estas variables tienen un valor definido para cada estado del sistema sin depender de los procesos por los cuales ha pasado el sistema para alcanzar ese estado a este tipo de variables se las llama funciones de estado.

Las más importantes son presión, temperatura, volumen, energía y entropía.

Las variables de estado pueden ser las siguientes:

1.- intensivas son aquellas cuyo valor es independiente de la masa del sistema.

2.- extensivas son aquellas que dependen de la base del sistema.

3.- externas son aquellas que dependen de la posición de cuerpos que no forman parte del sistema son función de las coordenadas de estos cuerpos.

4.- internas son aquellas que dependen, del estado dinámico y de la posición de las partículas que forman parte del cuerpo.

Transformaciones termodinámicas, equilibrios y reversibilidad.

Suponemos que tenemos un sistema y hemos medido las magnitudes necesarias para definirlo, si estas magnitudes se modifican bien de manera espontánea o por influencias externas se dice que el sistema ha experimentado un cambio de estado.

Los sistemas aislados no reciben ninguna influencia y no tienen interés en la termodinámica.

Cuando en un sistema existe equilibrio de fuerzas entre el y el entorno se dice que hay equilibrio mecánico.

Siempre que haya un cambio de estado al cambio de un tiempo el sistema podrá recuperar el equilibrio.

Cuando un sistema en equilibrio mecánico no tiende a experimentar ningún cambio de estructura interna, reacción química o transferencia de materia se dice que está en equilibrio químico.

Cuando un sistema esta en equilibrio mecánico y químico y no experimenta cambios en la temperatura se dice que esta en equilibrio térmico, en este equilibrio tanto el sistema como el entorno tienen que estar a la misma temperatura.

Cuando se alcanzan estos tres tipos de equilibrio se dice que el sistema esta en equilibrio termodinámico y entonces no existe ninguna tendencia a cambio de estado ni por parte del sistema ni del entorno.

Un proceso es reversible cuando tiene lugar de forma que tanto el sistema como el entorno recuperan sus estados iniciales sin ocasionar ningún cambio en el resto del universo.

Es irreversible un proceso que no cumple estas condiciones, que no acaba donde comienza.

Se dice que una transformación es abierta cuando su estado inicial es distinto del final.

Una transformación es cerrada cuando coincide el estado inicial con el final.

Este tipo de procesos se representan mediante una curva cerrada denominada ciclo.

Procesos a propiedad constante

En algunas transformaciones termodinámicas todas las variables pueden sufrir variaciones pero las más importantes son aquellas en las cuales permanecen inalterada algunas de las variables.

Cuando la presión es constante es isobara.

Cuando el calor es constante es adiabática.

Cuando la temperatura es constante es isotérmica.

Suponemos un gas encerrado en un cilindro de paredes rígidas y conductoras de calor y que está en el interior de un baño termostático calentamos el gas haciendo llegar que la energía que forma el calor a través del baño, aumentara la energía interna y la temperatura del gas como no puede ni aumentar ni disminuir el volumen no realiza ningún trabajo, el proceso es a volumen constante.

Suponemos que tenemos un gas en un deposito provisto con un embolo a este gas le sometemos a presión constante mediante una carga de bolas. El sistema está dentro de un termostato hacemos pasar calor al interior del gas, aumentando poco a poco la temperatura del termostato y vernos que el embolo asciende hasta que dejamos de calentar. Al ascender el embolo el gas cede energía potencial a las bolas, es decir el sistema cede energía al exterior en forma de trabajo y absorbe energía del exterior en forma de calor, como la presión de las bolas no ha variado el proceso es a presión constante. Si enfriamos poco a poco el proceso seria inverso y comprimiríamos a presión constante.

Suponemos un deposito que tiene un buen aislamiento térmico y no es posible que le llegue al gas ninguna energía en forma de calor a través de las paredes, la presión interior del gas se contrarresta con carga de bolas puesta encima del embolo, empezamos a quitar bolas, una por una y lentamente con lo que el gas se expansionara y el embolo ira ascendiendo poco a poco. El gas tiene que suministrar continuamente energía potencial a las bolas, esto lo hace a costa de su energía interna que irá disminuyendo y por tanto su temperatura también ira bajando y el gas se enfría, como el proceso ha sucedido sin intercambio de calor es a calor constante. El proceso inverso sería una compresión adiabática (sin cambio de calor) aumentaría la energía interna y el gas se calentaría.

Suponemos un cilindro con un gas en su interior introducido en un baño termostático, ponemos encima del embolo una carga de bolas y vamos aumentando esa carga, las bolas cederán su energía potencial al gas con lo que el gas toma energía en forma de trabajo y se va calentando, el calor producido con este aumento de temperatura será absorbido por el baño termostático realizando el proceso a temperatura constante. Si el proceso fuera a la inversa tendríamos una expansión adiabática.

Trabajo mecánico

Trabajo es siempre el resultado de la acción de una fuerza mecánica, eléctrica, etc. a lo largo de una distancia. Suponemos que una masa de gas a una presión P encerrada en un cilindro provisto de un embolo de sección o área S ocupa un volumen V a una temperatura T imaginamos que el gas se expansiona y el embolo se desplaza recorriendo una distancia infinitesimal dx y aumentando su volumen una cantidad infinitesimal dv. Al desplazarse el embolo habrá realizado un trabajo también infinitesimal.

dW = F dx P = F/S; F= P S

dW= P S dx = P dv

Objetivo de la práctica: El Alumno Determinará Con Los Datos Obtenidos En El Laboratorio el Trabajo Desarrollado en un Proceso termodinámico.

Material:

1 Vaso de Precipitados de 250 ml.

1 Termómetro.

1 Pinza para Vaso.

1 Pinza Universal.

1 Mechero, Anillo y Tela c/ Asbesto.

1 Termómetro.

1 Pesa de Plomo Grande.

Desarrollo de la práctica:

Monte la jeringa como se monta en la figura (sin la Pesa De Plomo), Anote el Volumen Inicial, a Continuación Ponga Arriba del embolo la Pesa Plomo, presione Ligeramente y Anote el Volumen Final(V2), A Continuación quite la Pesa y Anote el Nuevo Volumen.

-

Segunda Parte

Monte la Jeringa Como Se Indica en La Figura.

Presione Ligeramente y tome el Volumen Correspondiente A la Temperatura Ambiente del Agua.

Calentar Hasta 60º C, Presionar Ligeramente y Anotar el Volumen.

Continúe Calentando y Anotando Los Volúmenes a 80º C. y a 90º C.

Cuestionario:

1.-Registre Los Datos Obtenidos en el Laboratorio.

Primera parte:

T 22°C

V1 10cm3

V2 9cm3

V3 10cm3

Segunda parte:

V(cm³) T (ºC.)

V1=10cm3 Ambiente

V2=12cm3 60

V3=14cm3 80

V4=15cm3 90

V5=15.5cm3 100*

*El termómetro no registro 100 grados Celsius en el momento de ebullición. La temperatura registrada fue de 93°C.

Considerando que en la Primera Parte le temperatura Permanece Constante Calcular El Trabajo Realizado en Un Proceso Isotérmico.

W= n R T In(V2 / V1).

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 (Vf – Vi).

Determinar el trabajo Total Realizado Por El Gas.

(V4 – V1).

Compare el Punto 4 Con el Obtenido en el Punto 3 (Sumando los Trabajos de Cada una de Las Etapas). Si Hay Alguna Diferencia indique Porque.

Cálculos:

Datos:

P_DF=585mmHg

760mmHg=1.013×〖10〗^6 dinas/〖cm〗^2

m_émbolo=8g

D_int=1.82cm

r_int=0.91cm

1 cal=41.8 atm*〖cm〗^3

g=9.81 m/s^2 =981 cm/s^2

T=22.5°C=295.65 K

Operaciones ejercicio 2:

W=nRTLn(v_2/v_1 )

n=(P_1 V_1)/RT

P_1=P_DF+P_émbolo

P_émbolo= F/A

F=masa×aceleración

F=8g×980 cm/s^2

F=7840 dinas

A=π×r^2

A=π×〖(0.92 cm)〗^2

A=2.6〖 cm〗^2

P_émbolo= (7840 dinas)/(2.6〖 cm〗^2 )=3,015.385 dinas/〖cm〗^2

=0.003015385×〖10〗^6 dinas/〖cm〗^2

P_DF en dinas=(585 mmHg)/(760 mmHg)× 1.013×〖10〗^6 dinas/〖cm〗^2

= 0.779743×〖10〗^6 dinas/〖cm〗^2

P_1=P_DF+P_émbolo=0.779743×〖10〗^6 dinas/〖cm〗^2 +0.003015385×〖10〗^6 dinas/〖cm〗^2

=0.782758×〖10〗^6 dinas/〖cm〗^2

(0.782758×〖10〗^6 dinas/〖cm〗^2 )/(1.013×〖10〗^6 dinas/〖cm〗^2 )×760mmHg=587mmHg

P_1=587mmHg×(1 atm)/760mmHg=0.772 atm

n=(0.772 atm×0.01L)/(0.082×295.65 K)=3.18×〖10〗^(-4) mol

W=3.18×〖10〗^(-4) mol(0.082057)(295.65K)Ln(9/10)

=-8.1282×〖10〗^(-4) J

*Negativo debido a que el gas se comprime

Operaciones ejercicio 3:

W=P(V_f-V_i)

W=P(V_2-V_1)

W=0.78atm(12〖cm〗^3-10〖cm〗^3 )

W=1.56 atm〖cm〗^3

1.56 atm〖cm〗^3×(1 cal)/(41.3 atm〖cm〗^3 )=0.037 cal

W=P(V_3-V_2)

W=0.78atm(14〖cm〗^3-12〖cm〗^3 )

W=1.56 atm〖cm〗^3

1.56 atm〖cm〗^3×(1 cal)/(41.3 atm〖cm〗^3 )=0.037 cal

W=P(V_4-V_3)

W=0.78atm(15〖cm〗^3-14〖cm〗^3 )

W=0.78 atm〖cm〗^3

0.78 atm〖cm〗^3×(1 cal)/(41.3 atm〖cm〗^3 )=0.0186 cal

W=P(V_5-V_4)

W=0.78atm(15.5〖cm〗^3-15〖cm〗^3 )

W=0.39 atm〖cm〗^3

0.39 atm〖cm〗^3×(1 cal)/(41.3 atm〖cm〗^3 )=0.0093 cal

Operaciones ejercicio 4:

WTot=P(V_5-V_1)

WTot=0.78atm(15.5〖cm〗^3-10〖cm〗^3 )

WTot=4.29 atm〖cm〗^3

4.29 atm〖cm〗^3×(1 cal)/(41.3 atm〖cm〗^3 )=0.102 cal

Operaciones ejercicio 5:

WTot=0.037 cal+0.037 cal+0.0186 cal+0.0093 cal=0.102 cal

0.102 cal=0.102 cal

Conclusiones:

LOPEZ OLGUÍN CARLOS MIGUEL

En la practica concluí que, al aplicarle diferente temperatura a al agua, y dentro de ella una jeringa, el volumen crece, a tal grado que puede que si presión varié, ya sea que se de por el calor o por la densidad del agua, así que esta practica es muy buena porque nos ayuda a comprender los diferentes conceptos, en los cuales la practica se dicta. Así como también observe que si le aplicábamos un peso diferente a la jeringa, vuelve a variar la presión y el volumen, a cierta temperatura como ya lo mencione.

CORNEJO VIEYRA JOSÉ CARLOS

Al realizar esta práctica he comprendido de mejor manera la relación que existe entre la expansión de un gas y la compresión del mismo. Al comprimirse un gas se obtiene un trabajo negativo mientras que al expandirse el trabajo es positivo. Muchos procesos químicos y biológicos implican cambios de volumen en un gas. Pero un buen ejemplo sería el de los motores de combustión interna, proceso que sirve para generar energía.

Bibliografía:

Química Undécima edición. Raymond Chang. McGraw-Hill.

Química General. Jerome L. Rosenberg. McGraw-Hill.

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