EQUIPO 4 Secuencia 4IM11
Integrantes CASTREJON URUETA GABRIEL
2008600168
GIL ORTIZ FORTINO
2008600390
TREJO CRUZ ABRAHAM
2007602999
GIL OR
RELACION ENTRE LAS CAPACIDADES CALORIFICAS DE UN GAS QUIMICA INDUSTRIAL II PROFESORA: Ma. Del Roció Romero Sánchez Fecha de Entrega 17/02/2009
Práctica 1 “Relación entre las capacidades caloríficas de un gas” Objetivo general Determinar el valor de la relación Cp / Cv para el aire, por el método de Clement Desormes. Objetivos particulares 1. Identificar en qué momento del experimento se lleva a cabo un proceso adiabático, y cuando un isométrico. 2. Obtener experimentalmente al coeficiente de expansión adiabático de un gas diatómico (aire). 3. Calcular el porcentaje de error obtenido en cada uno de los intentos.
Resumen
En esta práctica se determinó el valor experimental de la relación Cp / Cv, o bien el coeficiente de expansión adiabática para un gas diatómico (aire), con el fin de conocer más a fondo el proceso termodinámico adiabático, así como observar al mismo tiempo un proceso isométrico. El método utilizado fue el de Climent Desormés que consiste en hacer que un gas se expanda de forma adiabática, y después dejar que éste se caliente a volumen constante hasta obtener nuevamente su temperatura inicial; esto lo realizamos repetidas veces y tomamos los 10 datos más favorables, obteniendo como errores experimentales menores al 5 %, esto debido a las fallas realizadas durante el experimento. Esta práctica es útil para estudiar iniciar con el estudio de termodinámica y ejemplificar tanto la ley cero de la termodinámica como la primera ley.
TERMODINAMICA: La termodinámica es una rama de la física que estudia los efectos de los cambios de la temperatura, presión y volumen de los sistemas físicos a un nivel macroscópico. En términos generales estudia las relaciones entre los fenómenos térmicos y los fenómenos mecánicos, es decir la transformación del calor en trabajo y viceversa. Calor significa "energía en tránsito" y dinámica se refiere al "movimiento", por lo que, en esencia, la termodinámica estudia la circulación de la energía y cómo la energía infunde movimiento. El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinámicas son las leyes de la termodinámica, que postulan que la energía puede ser intercambiada entre sistemas físicos en forma de calor o trabajo. También se postula la existencia de una magnitud llamada entropía, que puede ser definida para cualquier sistema. En la termodinámica se estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas, lo que lleva a definir conceptos como sistema termodinámico y su contorno. Un sistema termodinámico se caracteriza por sus propiedades, relacionadas entre sí mediante las ecuaciones de estado. Éstas se pueden combinar para expresar la energía interna y los potenciales termodinámicos, útiles para determinar las condiciones de equilibrio entre sistemas y los procesos espontáneos. Primera Ley de la Termodinámica: También conocido 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; 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 Antoine Lavoisier. La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente: Eentra − Esale = ΔEsistema Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma:
Un gas puede modificar su volumen por cambios en la presión o en la temperatura, lo cual constituye un proceso, y para hacerlo es necesario que intercambie energía, la relación entre presión y el volumen para todos los procesos termodinámicos se puede presentar en forma general por la ecuación: PV “= CTE
PROCESO
FUNCIÒN
VALOR DE “n”
Isobárico Isotérmico Adiabático Isométrico
P=cte T=cte Q=0 V=cte
0 1 Γ ∞
APLICACIÒN DE “n” PV0=P=cte PV1=PV=cte PVγ=PV=cte PV∞=V=cte
Capacidad Calorífica de un Gas: La capacidad calorífica de un cuerpo es razón de la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo en un proceso cualquiera por su cambio de temperatura correspondiente. En una forma menos formal es la energía necesaria para aumentar 1 K su temperatura, (usando el SI) Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica. Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende de la cantidad de material en el objeto, por ejemplo, la capacidad calorífica del agua de una piscina olímpica será mayor que la de de una cucharadita. Al ser una propiedad extensiva, la capacidad calorífica es característica de un objeto en particular, y además depende de la temperatura y posiblemente de la presión. Método Experimental de Clement Y Desormes para Determinar γ Consiste en hacer que un gas se expanda de manera adiabática y después dejar que se caliente a volumen constante hasta obtener nuevamente su temperatura.
Solo se requiere conocer la variación de las presiones del proceso adiabático que es (P2 – P1) y la variación de las presiones de un proceso isotérmico (P3 – P1) entonces tendríamos:
Material y equipo
Sustancia
1 garrafón de vidrio 1 perilla de hule 1 manómetro diferencial (con agua) 1 llave de paso 1 tapón de hule trihoradado Tubería de vidrio y látex
aire
DIAGRAMA DE BLOQUES.
Conectar el manómetro en el garrafón con los tubos de hule látex
Destapar y tapar simultáneamente el garrafón, registrando las nuevas alturas de las ramas del manómetro
Realizar el cálculo de así como también el cálculo del error experimental
Conectar en las otras conexiones del garrafón la perrilla
Dejar que se estabilicen las ramas, cuidando que no salga ni entre mas aire
Repetir el proceso ahora tomando diferencias de alturas diferentes
Tapar el garrafón con el tapón perforado que contiene las conexiones
Bombear la perilla hasta que la diferencia de las ramas sea de 40cm, registrar alturas
Cálculos y Resultados. H1 50.8 35.8 50.5 35.5 51 37.5 51 38 46 35.2 45.5 35.5 20 30 20 29 21.5 29.1 41.7 34.4
H2 10.3 25.1 10.5 25.5 15 28.5 15 28 17 27.8 16.5 27.6 46 36 45 35.5 41.8 34.2 21.5 29
|
| 40.5 10.7 40 10 36 9 36 10 29 7.4 29 7.9 26 6 25 6.5 20.3 5.1 20.2 5.4
[ 4050 1070 4000 1000 3600 900 3600 1000 2900 740 2900 790 2600 600 2500 650 2030 510 2020 540
% Error
]
882.7941176 663.6764706 879.1176471 658.5294118 849.7058824 651.1764706 849.7058824 658.5294118 798.2352941 639.4117647 798.2352941 643.0882353 776.1764706 629.1176471 768.8235294 632.7941176 734.2647059 622.5 733.5294118 624.7058824
1.3590604
2.92425695
1.33333333 4.76190476 1.33333333 4.76190476 1.38461538
1.0989011
1.34259259
4.1005291
1.37440758 1.82802979 1.3
7.14285714
1.35135135 3.47490347 1.33552632 4.60526316 1.36486486 2.50965251
Datos requeridos para los cálculos: Valor de gama teórico: 1.4 Valor promedio de gama experimental: 1.347 Presión atmosférica de la CD de México: 585 mm de Hg Densidad del agua: 1 g/Ml Densidad del Hg: 13.6 g/ml
EE
Valorteorico Valorexp erimental Valorteorico
EE
1.4 1.347 * 100 1.4
EE=
3.78 %
*100
Análisis
En este experimento trabajamos al manómetro con agua. Primeramente en nuestra tabla de resultados anotamos las diferentes alturas de nuestro manómetro, en la siguiente columna se muestra una relación para calcular la presión manométrica en centímetros de mercurio en base a la densidad del agua, la diferencia de altura del manómetro y la densidad del mercurio. Posteriormente calculamos la presión absoluta uno, que es el resultado de la suma de la presión manométrica y la presión atmosférica, Al destapar y tapar nuestro garrafón con aire (gas diatómico) en una nueva tabla obtuvimos resultados en las ramas del manómetro, anotando las respectivas diferencias de alturas, nuevamente transformamos la presión manométrica en centímetros de mercurio y posteriormente la presión absoluta que corresponde a nuestra presión numero dos. Con estos datos calculamos a nuestro exponente de los procesos adiabáticos (gama) que se dio de la relación de la presión uno menos la presión atmosférica entre la presión dos menos la presión uno de nuestro experimento. Para finalizar calculamos el error experimental. Muchos de nuestros cálculos resultaron con un alto porcentaje de error debido a que no encontrábamos la manera de destapar y tapar el garrafón de forma adecuada. Sin embargo debido a las especificaciones de la profesora debimos de realizarlo las veces necesarias para que los valores reportados solo tuvieran el 5 % de erro como máximo.
Conclusiones
En esta práctica se observó el comportamiento de un gas con el que convivimos diariamente, el aire; un gas diatómico el cual nos sirvió de apoyo para estudiar la relación entre los procesos adiabático e isométrico. Se determinó el valor de la relación Cp / Cv para el aire, que es la relación de las capacidades de calor a presión y volumen constante respectivamente, en donde Cp se refiere al proceso adiabático que fue calculado con la presión absoluto 1 menos la presión atmosférica; y la capacidad de calor a volumen constante que refiere a un proceso isométrico, dicha capacidad se calcula con la diferencia de las presiones 1 y 2. Dicho lo anterior, el método utilizado para este experimento fue el de Climent Desormes, el cual consiste en hacer que un gas se expanda de forma adiabática y después dejar que se caliente a volumen constante hasta obtener nuevamente su temperatura inicial. Al realizar el experimento, se tuvieron que hacer varios intentos para encontrar un método el cual se ajustara mejor a nuestras necesidades, es decir, el que fuera más viable para que nuestro error experimental fuera menor, y nuestra gama se aproximara al valor teórico 1.4 que es el valor teórico para los gases diátomicos. En conclusión, se cumplió el objetivo que fue “Determinar el valor de la relación Cp / Cv para el aire, por el método de Clement Desormes.” Esta práctica es útil para estudiar iniciar con el estudio de termodinámica y ejemplificar tanto la ley cero de la termodinámica como la primera ley.
Cuestionario 1. ¿En qué momento del experimento se lleva a cabo los procesos: a) adiabático y b) isométrico? Explique brevemente. El proceso adiabático se presenta cuando destapamos el garrafón y el gas sufrió una expansión en el volumen y/o un enfriamiento, debido a que el volumen se redujo, las partículas ya no chocaban tanto entre sí. El proceso isotérmico se presentó cuando tapamos el garrafón, el gas se enfría y absorbe poca energía del medio ambiente, solo se puede percibir una pequeña parte del proceso cuando las ramas de agua se tratan de nivelar. Pero en si el proceso nunca se termina, porque necesita mucho más energía del medio ambiente para llegar a su temperatura inicial, deberíamos de dejar el sistema del garrafón por mucho más tiempo en reposo para que se acumulara la energía suficiente y las ramas llegaran a su altura original. 2. ¿Por qué no se lleva a cabo de manera física el proceso isotérmico? Porque la temperatura no se mantiene constante en todo el proceso, puesto que primero esta a temperatura ambiente, después se enfría y para que regrese a su temperatura original se necesita mucho más energía. Nos podemos dar cuenta de esto observando las ramas del manómetro. 3. En una expansión adiabática el gas se enfría. ¿Cómo explica esto si Q=0? Porque la distancia entre las partículas aumenta, (como es una expansión el volumen esta aumentando) y esto ocasiona que haya menos choques entre las partículas de gas, por lo tanto la energía disminuye, y el gas se enfría. 4. Calcule el porcentaje de desviación entre el valor obtenido para (promedio) en comparación con el valor teóricamente esperado. Se encuentra en el análisis de resultados.
5. Calcule los volúmenes y las temperaturas para dos procesos de expansión de 1 mol de aire que inicialmente está a condiciones normales de presión y temperatura (CNPT), uno isotérmico y el otro adiabático utilizando el valor obtenido para . Proceso isotérmico. n= 1 mol de aire, T = 273 k, PV=cte o P1V1=P2V2 P (atm) V (L)
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 22.4 24.88 27.99 31.98 37.31 44.77 55.96 74.62 111.93 223.86
Proceso adiabático. n = 1 mol de aire, PV = cte o P1V1 = P2V2
P (atm) V (L) Tk
1 22.4 273
0.9 61.65 182.09
0.8 67.06 176.06
0.7 73.77 169.47
0.6 82.36 162.16
0.5 94.95 153.19
0.4 111.36 143.73
0.3 136.76 132.39
0.2 182.7 117.9
0.1 299.75 96.72
6. Trace en una hoja de papel milimétrico, en los ejes P en función de V, los datos de las dos tablas anteriores, correspondientes a las curvas de los procesos isotérmico y adiabático. Interprete los resultados obtenidos.
Procesos Adiabatico e Isotermico 1.2 1 Presión
0.8 0.6
Proceso isotermico
0.4
Proceso adiabatico
0.2 0 0
50
100
150
200
250
Volumen
La línea azul representa una isoterma. En debido a que existe una regularidad en su trazo, se puede apreciar que la temperatura es constante. En el caso de la línea roja se nota claramente como la temperatura cambia, al igual que la presión y el volumen, que son las características de un proceso adiabático
7. ¿Qué condiciones permiten que un proceso sea adiabático? Fundamente su respuesta en términos de: a)rapidez de la realización del proceso, b) aislamiento del sistema y c) términos de la ecuación de la primera ley de la Termodinámica a) Debe de ser ligeramente rápido para que se pueda dar una expansión adiabática favorable, b) El sistema debe de ser cerrado o aislado para que el gas inicial no esté en contando con la presión atmosférica y no exista intercambio de energía. c) La ecuación de la primera ley de la termodinámica, en este proceso se genera un trabajo calor y energía interna. 8. En un proceso adiabático, para qué se utiliza ? Se utiliza como constante para poder obtener las presiones, volúmenes y temperaturas en procesos adiabáticos. (Calcular condiciones de estado) y saber qué tipo de gas se está utilizando. 9. Describa brevemente el ciclo d refrigeración, ilustrando su respuesta con un esquema E Los sistemas de compresión son los encargados de la refrigeración en un sistema; emplean cuatro elementos en el ciclo de refrigeración: compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador. En el evaporador, el refrigerante líquido se evapora y absorbe calor del espacio que está enfriando y de su contenido. A continuación, el vapor pasa a un compresor movido por un motor que incrementa su presión, lo que aumenta su temperatura (entrega trabajo al sistema). El gas sobrecalentado a alta presión se transforma posteriormente en líquido en un condensador refrigerado por aire o agua. Después del condensador, el líquido pasa por una válvula de expansión, donde su presión y temperatura se reducen hasta alcanzar las condiciones que existen en el evaporador.
El siguiente diagrama de presión – entalpía muestra el ciclo de refrigeración:
Bibliografía QUIMICA GENERAL SUPERIOR 5 EDICION EDIT INTERAMERICANA PP 569 - 575 QUIMICA GENERAL UNIVERSITARIA EDIT FONDO EDUCATIVO INTERAMERICANO PP 81-82 Y 166- 180 QUIMICA BASICA PRINCIPIOS Y ESTRUCTURAS EDIT LIMUSA PP 397 – 408
