Primera Ley de la Termodinámica

1. Objetivo General

• Evaluar la primera ley de termodinámica y equilibrio térmico, mediante experimentos desarrollados con un simulador, para la determinación del calor y el cambio de energía interna.

1. Objetivos Específicos

• Comparar los datos obtenidos del simulador del calor del calorímetro y el video para el entendimiento de la ley cero.
• Interpretar la variación de energía interna de una reacción química para la compresión del trabajo que éste realiza.
• Conocer cómo se calibra un calorímetro para que las fuentes de error sean disminuidas.

1. Datos recopilados

1. Algoritmo de resolución

1. Calcular el Calor perdido por el calorímetro, del simulador y del experimento, usando los datos iniciales de la tabla 1.

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Para el simulador:

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Para el experimento:

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1. Reacción química que se llevó a cabo:

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1. Con el volumen del gas desprendido y usando la integral, determinar el trabajo P-V a las condiciones empleadas.

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Para el simulador:

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Para el experimento:

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1. A partir del reactivo limitante (Mg), calcular el trabajo teórico producido.

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1. Ilustrar el proceso de expansión que se lleva a cabo en un diagrama P versus V, se relaciona en el gráfico las presiones y volúmenes experimentales, se considera una Temperatura constante.

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Gráfico 1. Diagrama Presión versus Volumen.

1. Determinar el calor de reacción teórico. Hay que recordar que la entalpía de formación de un solo tipo de átomo es cero.

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1. Determinar el calor de reacción experimental a presión constante.

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1. Evaluar el cambio de energía interna del proceso químico.

Para el simulador:

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Para el experimento:

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1. Calcular el porcentaje de error entre los calores de reacción, los trabajos y las energías internas teóricas y experimentales. Estos cálculos se realizaron en el apartado de %E en la hoja de Excel.

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1. Resultados obtenidos

1. Análisis de resultados

La práctica consistió en simular un sistema cilindro-pistón por medio de una reacción química entre el ácido clorhídrico y el magnesio para conocer el trabajo que realiza la reacción y aplicar la primera ley de la termodinámica, la cual dice que en un sistema su energía total y las de sus alrededores permanecerán constantes, es decir, que se conservaran, además de otras importantes funciones de estado como las capacidades caloríficas a volumen constante y a presión constante. (Levine, 2014)

En la primera parte de la práctica, tal y como se lo haría en un laboratorio, se buscó obtener la capacidad calorífica de un calorímetro, la cual consiste en encontrar las distintas partes que absorben la energía que es suministrada al sistema. Hubo una clara distinción entre la capacidad calorífica hallada en la simulación con la que fue hallada en el video, ya que en la simulación se trabajó en condiciones ideales en donde la sumatoria de todos los calores que intervienen en el sistema es igual a cero, esto quiere decir que no se pierde nada de calor por eso obtuvo un resultado de Csim = 0.00 (kJ/Kg°C). Pero es bien conocido que es absolutamente imposible obtener un calorímetro sin ninguna perdida de calor, ya que las paredes del calorímetro aprovechan el calor desprendido por el agua caliente, así sea en pequeñas cantidades como ejemplo la que se obtuvo en el video que fue de Cexp = 0.03 (kJ/Kg°C).

La segunda parte de la práctica se centró en realizar el sistema cilindro-pistón por medio del trabajo producido cuando reacciona el magnesio con el ácido clorhídrico que causa una liberación de gas hidrogeno con la formación de la sal de cloruro de magnesio que permanece en estado acuoso, este tipo de reacción se caracteriza por ser no reversible y exotérmica y en caso de que el ácido clorhídrico fuese más concentrado la reacción sería más energética.

Aunque la reacción entre el ácido clorhídrico y el magnesio es una reacción exotérmica, no existe ningún cambio de temperatura en el sistema cilindro-pistón ya que la reacción se la realiza en un sistema aparte que está conectado por medio de una manguera que sirve para transportar el gas de hidrogeno hacia la probeta haciendo que disminuya el volumen. El sistema se va a enfocar en la variación de energía interna en el proceso de la reacción, en donde se obtiene que el trabajo que realiza esta reacción da como resultado un valor negativo indicando realiza un trabajo hacia el entorno con un desprendimiento de energía. (Atkins, De Paula, & Keeler, 2008)

En la determinación del trabajo P-V, el resultado obtenido es negativo porque el sistema realiza trabajo hacia el entorno y existe una pérdida de energía, y se presentará un aumento de volumen. Además, al trabajar con una presión constante, no se obtendría el resultado real experimental del trabajo del sistema debido a que hay otras presiones presentes, como la del vapor de agua y el hidrógeno molecular, si se tuvieran estas consideraciones, el resultado podría ser un poco mayor. El trabajo P-V realizado con los datos del simulador fue de -3,79 J, mientras que de forma teórica usando la reacción química propuesta en realidad se obtuvo un trabajo de -3,05 J; esto se da debido a que se usaron otras condiciones como la temperatura (que de forma experimental no se midió) y las moles del reactivo limitante Mg. El trabajo P-V del experimento fue de -3,85 J, este tiene un valor muy parecido al del simulador. El porcentaje de error entre los trabajos P-V fue de 1,33 %, tuvieron valores similares de trabajo, aunque el error se cometió en el experimento por la dificultad para observar el volumen de gas hidrógeno en la probeta debido al ángulo de cámara y las diferencias de presión. Hay que considerar el mal funcionamiento de la balanza debido a que no se calibró, por ello, el trabajo de la reacción química fue menor que los otros dos. También la incertidumbre de los instrumentos de medición provocó los errores presentados.

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