INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
E#u$!- Sup$rior $ I,$,i$r1- M$(,i-
QUIMICA APLICADA PRACTICA No. 3 “TERMODINÁMICA”
Grupo 2EM5
Equipo 4
INTEGRANTES
Ai!"# R$%$# &o#u" '($) Si*+, C-r*$, Su#-,&i*",$) E#-!-,/$ Eri0- Su#-,T$,orio Do*1,u$) I!#$ A!$-,r-
OBJETIVO
El alumno determinará con los datos obtenidos en el laboratorio el trabajo desarrollado en un proceso termodinámico.
MARCO TEÓRICO El estudio del calor y su transmisión en energía se denomina TERMODINMI!". #a ciencia de la termodinámica se desarrolló en los albores de la re$olución industrial% antes &ue se entendieran las teorías atómica y molecular. Esta se basa en la conser$ación de la energía y establece las relaciones entre calor% trabajo y contenido energ'tico. (arte tambi'n del )ec)o de &ue el calor *luye de lo caliente a lo *río y no al re$'s% proporciona la teoría básica de las má&uinas t'rmicas% desde las turbinas de $apor )asta los reactores de *usión% desde los re*rigeradores )asta las bombas de calor. (or lo tanto% el estudio de la termodinámica es importante para la !iencia en general. Es importante para el estudio de la termodinámica% tener claro algunos t'rminos y de*iniciones% tales como+
Termodinámica: !omo ya se )a mencionado% la palabra termodinámica se deri$a de las palabras t)ermos% calor y dynamis% mo$imiento% la termodinámica se desarrolló durante el siglo ,I, por *ísicos &ue se interesaron en el trabajo &ue podían )acer las má&uinas de $apor. En la actualidad la termodinámica es parte esencial de todas las ciencias.
Energía: Es un t'rmino muy utili-ado aun cuando representa un concepto muy abstracto. (or ejemplo cuando alguien se encuentra muy cansado% suele decirse &ue no tiene energía es com/n escuc)ar &ue )ay &ue encontrar nue$as *uentes de energía reno$ables. " di*erencia de la materia% la energía se reconoce por sus e*ectos. No puede $erse% tocarse oler se o pesarse. En gene ral la ener gía se de*i ne como la capacidad para e*ectuar un trabajo. El trabajo es una *orma de energía &ue la de*inimos como el es*uer-o reali-ado en un proceso.
Conservación de la energía: #os cientí*icos )an llegado a la conclusión &ue la energía puede ser de di*erentes *ormas% &ue estas se pueden intercon$ertir entre sí% pero &ue la energía no se puede crear ni destruir. !uando desaparece una *orma de energía debe aparecer otra 0de igual magnitud1% y $ice$ersa. Este principio se resume en la #ey de la conser$ación de la energía+ la energía del uni$erso permanece constante
#os
sistemas termodinámicos se pueden clasi*icar en+
Abieros+ a&uellos &ue pueden intercambiar materia y energía. Cerrados+ son a&uellos &ue pueden intercambiar energía% aun&ue no materia% con los alrededores. Aislados+ &ue no pueden intercambiar ni materia ni energía.
!ro"iedad Termodinámica Es cual&uier característica obser$able y mensurable de un sistema &ue permiten de*inirlo en *orma total y sin ambig2edad. #as propiedades termodinámicas son (resión% 3olumen y Temperatura. #as propiedades pueden ser e4tensi$as e intensi$as 5na propiedad inensiva es a&uella &ue es independiente de la materia. Es decir% tiene el mismo $alor para un sistema &ue para cada una de sus partes consideradas como subsistemas del mismo.
5na propiedad e#ensiva es a&uella &ue si depende de la materia. Es decir una magnitud cuyo $alor es proporcional al tama6o del sistema &ue describe. Esta magnitud puede ser e4presada como suma de las magnitudes de un conjunto de subsistemas &ue *ormen el sistema srcinal.
Esado de $n %isema 7e de*ine como los $alores de todas las propiedades macroscópicas &ue caracteri-an al sistema% como por ejemplo+ composición% energía% presión% temperatura y $olumen. E4presado de otra manera se puede decir &ue el Estado de un 7istema &ueda de*inido% cuando se da el n/mero mínimo de propiedades termodinámicas &ue *ijan el sistema. En la siguiente *igura se )a representado un gas encerrado en un recipiente y las propiedades termodinámicas &ue describen su estado.
!roceso Termodinámico El proceso termodinámico se da cuando cambia el estado de un sistema% en este cambio pueden $ariar una o más propiedades del sistema. (ara describir un proceso se deben especi*icar cada uno de los estados interme dios% lo &ue ocurre al inicio y lo &ue ocurre al *inal del proceso. En todo proceso termodinámico se debe especi*icar el estado inicial y el estado *inal. Ejemplo+ en un recipiente se tiene 89 m# de agua% a 8:;! y < atm de presión 0estado inicial1. 7i el recipiente se introduce en un congelador &ue se encuentra a =>;! 0estado *inal1. 7e )a producido un proceso termodinámico% la $ariable temperatura se )a modi*icado.
!RO!IE&A&E% TERMO&I'(MICA%
#as propiedades termodinámicas son el calor )*+% el raba,o )-+ y la energía inerna )E+.
!alor 0&1 5nidades+ ?% @?% cal
Trabajo 0A1 5nidades+ ?% @?% cal
Energía interna 0E1 5nidades+ ?% @?%cal
El calor en termodinámica se considera como la energía &ue *luye al entrar en contacto 8 sustancias &ue se encuentran a di*erente temperatura. El calor siempre *luye del cuerpo caliente al cuerpo *río. (or con$ención el calor &ue sale de un sistema tiene signo negati$o . mientras &ue el calor &ue ingresa a un tiene signo positi$o. El trabajo ensistema termodinámica siempre representa un intercambio de energía entre un sistema y su entorno. ABC4d AB
[email protected]=81.m AB @g.m8s=8 B < ?oule (or con$ención el trabajo &ue reali-a el entorno sobre el sistema tiene signo positi$o mientras &ue si el sistema el &ue reali-a trabajo sobre el entorno tiene signo negati$o. #a Energía interna% es la suma de todas las energías e4istentes en el sistema 0cin'tica% t'rmica% potencial% etc1. "lgunos autores la representan con la letra 5. No se puede determinar% en *orma absoluta% por lo tanto lo &ue se mide es la $ariación de energía interna del sistema 0Delta E1.
!rimera /e0 de la Termodinámica o /e0 de la Conservación de la Energía #a ley de la conser$ación de la energía constituye el primer principio de la termodinámica y establece que la energ ía no se crea, ni se destruye solo se transforma. !omo consecuencia de ello% un aumento del contenido de energía de
un sistema% re&uiere de una correspondiente disminución en el contenido de energía de alg/n otro sistema.
ay &ue tener en cuenta% &ue debido a &ue la energía puede cambiar de una *orma otra%*orma una *orma de energía perdida por un sistema puede )aberla ganado otro enauna di*erente. Determinar el $alor de la energía de los alrededores siempre será una tarea complicada. En &uímica% generalmente se estudian los cambios asociados al sistema% &ue puede ser un reactor% &ue contenga reacti$os y productos% es decir el sistema será la reacción &uímica &ue se está reali-ando.
!rimera /e0 de la Termodinámica Dentro de la termodinám ica% una consecuenc ia de la ley de la conser$ación de la energía es la llamada (rimera #ey de la Termodinámica% la cual establece &ue la $ariación de la Energía interna de un sistema es igual a la suma de la energía transferida en forma de calor y la energía transferida en forma de trabajo .
!roceso Iso1rmico Recordemos &ue en un proceso isot'rmico% la temperatura se mantiene constante. #a energía interna depende de la temperatura. (or lo tanto% si un gas ideal es sometido a un proceso isot'rmico% la $ariación de energía interna es igual a cero. (or lo tanto% la e4presión de la < #ey de la Termodinámica se con$ierte en+
De tal manera &ue en un proceso isot'rmico el calor entregado al sistema es igual al trabajo reali-ado por el sistema )acia los alrededores. Frá*icamente el A se puede )allar calculando el área bajo la cur$a del diagrama (=3.
!roceso Isobárico Recordemos &ue en un proceso isobárico% la presión permanece constante. #a mayoría de los cambios *ísicos y &uímicos ocurren a presión constante. (or ejemplo% una reacción &uímica% &ue se reali-a en un sistema abierto% la presión es la presión atmos*'rica y 'sta no $aría durante el proceso. !omo )emos $isto a presión constante+
El calor in$olucrado en el proceso a ! 2 ce . se denota como *!3 "plicando la primera ley+
Reordenando la e4presión% podemos llegar a+
#os &uímicos denominan Entalpía 01 al calor de un sistema a presión constante% 7iendo la Entalpía+
• •
(ropiedad e4tensi$a y Cunción de estado. Entonces% en un proceso isobárico la e4presión de la (rimera #ey de la Termodinámica se puede e4presar tambi'n como+
El proceso isobárico% en un diagrama (3+
!roceso Isocórico En un proceso isocórico% el $olumen permanece constante% la $ariación del $olumen sería nula% esto &uiere decir &ue el sistema no ejercería ni recibiría trabajo. 7i la $ariación del $olumen es igual a cero% el trabajo tambi'n será igual a cero.
Teniendo en cuenta la primera #ey de la Termodinámica% la $ariación de la energía interna será igual al calor.
Obser$en &ue el calor se denota como 0 &3 1% lo &ue nos indica &ue el calor a $olumen constante es igual a la $ariación de energía interna.
Recordemos &ue el calor a presión constante es igual a la 3ariación de la Entalpía. 7i el sistema son gases ideales podemos establecer la siguiente relación+
El gra*ico (3 de un isotermico será+
!roceso Adiabáico En proceso entrega caloradiabático% al entorno el 0&sistema B :1. es un sistema aislado% el sistema no recibe ni 5n ejemplo de sistemas adiabáticos son los termos% se guarda por ejemplo agua caliente y esta se mantiene de esta manera pues no deja salir el calor al entorno. (or lo tanto% al aplicar la (rimera #ey de la Termodinámica% la $ariación de la energía interna dependerá /nicamente del trabajo reali-ado o recibido por el sistema.
"nalicemos lo siguiente% para un proceso "diabático+ •
7i el $olumen de los gases se contrae% entonces la $ariación del $olumen es negati$a% por lo tanto el A tendrá signo positi$o. El entorno ejerce trabajo sobre el sistema. (odemos asegurar &ue+
•
7i el $olumen de los gases se e4pande% entonces la $ariación del $olumen es positi$a% por lo tanto el A tendrásigno negati$o. El entorno recibe trabajo del sistema. (odemos asegurar &ue+
MATERIA/ < 3aso de (recipitados de 89: cmG < Termómetro < (in-as para $aso < Mec)ero% "nillo y tela cHasbesto
< ?eringa de plástico graduada de 8: cmG < (esa de plomo grande
&ATO% (DCB99mmg M'mbolo Bg DintB<.8cm JK:mmg B <.:
<.L atmcmG
!ROCE&IMIE'TO (RIMER" ("RTE <. Monte la jeringa como se indica en la *igura < 0sin la pesa de plomo1% anote el $olumen inicial. 43
" continuación ponga encima del 'mbolo la pesa de plomo *igura 8% presione ligeramente y anote el $olumen 03 1.
L. Cinalmente &uite la pesa de plomo y anote el nue$o $olumen. 7EF5ND" ("RTE <. Monte la jeringa como se indica en la *igura L 8. (resione ligeramente el 'mbolo y tome el $olumen correspondiente a la temperatura ambiente del agua. L. !alentar )asta K:; !% presionar ligeramente el 'mbolo y anotar el $olumen. >. !ontin/e calentando y anotando los $ol/menes a :; !% P:; ! y temperatura de ebullición del agua.
C5E%TIO'ARIO <. Registre los datos obtenidos en el laboratorio+ (RIMER" ("RTE
/ec$ra
Vol$mencm6
V0
cmG
V₁ V₂
J cmG cmG
7EF5ND" ("RTE
Tem"era$ra 8C TB"mbiente T₁2 798 C T₂2 9 8C T₃2 ;9 8C T₄2 <4 8C
Vol$men cm6 cmG P cmG P.9 cmG <: cmG <:.9 cmG
8. 7i consideramos &ue la primera parte de la temperatura permanece constante% calcular el trabajo reali-ado en un proceso
isot'rmico.
W We
=
nRT ln
v2 v1
0.020 0 cal
Wc
=−
0.0200 cal
=
L. !on los datos obtenidos en la segunda parte% calcular el trabajo reali-ado por el gas en cada una de las etapas. !omo la presión permaneció constante+ W
=
P (V f V i )
WT=
−
∑W
W T =0.0467 cal
73 Determinar el trabajo total reali-ado por el gas WT
=
P (V 5 V 1) −
W T =0.0467 cal
=3 !ompare el punto > con el obtenido en el punto L 0sumando los trabajos de cada una de las etapas1. 7i )ay alguna di*erencia indi&ue por &u'. No% no la )ay debido a &ue las condiciones en &ue se reali-ó el e4perimento en la segunda parte% *uer on las mismas% es decir la presión *ue constante y el $olumen *ue $ariando muy poco% lo cual en L y >los podemos &ue el trabajopor calculado *ue por el mismo% ya los &uereacti$os se utili-aron mismosencontrar datos en ambos casos.
C(/C5/O% PRIMERA PARTE
!9 2 !C&M> ? !1mbolo
!9 B 93@@4@ am n2 !9V9TR n20:.JJ8J atm104<:QG #1 H 08PJ.<9;10:.:8 atm #Hmol;1 n2 43=<#D9⁴ mol
Fc B nRT /n)VD V9+ Fc208.9LKP4<:Q6 mol10<.PJ calHmol;108PJ.<9;1 #n0JcmGHcmG1 Fc2 G939499 cal Fe B nRT /n)V4 VD+ Fe208.9LKP4<:Q6 mol10<.PJ calHmol;108PJ.<9;1 #n0cmGHJcmG1 Fe2 939499 cal
SEGUNDA PARTE
FeD20:.JJ8J atm10PcmG = cmG1 FeD293@@4@ amcm6 Fe420:.JJ8J atm10P.9cmG = PcmG1 Fe4293;= amcm6 Fe20:.JJ8J atm10<:cmG = P.9cmG1 Fe293;= amcm6 Fe720:.JJ8J atm10<:.9cmG = <:cmG1 Fe7293;= amcm6 FT20:.JJ8J atm1 S L0:.LKL9 cmG1 FT2<.PL<.L atmcmG1
FT29397@ cal FT20:.JJ8J atm10<:.9cmG = cmG1 FT2<.PL<.L atmcmG1 FT29397@ cal
OB%ERVACIO'E% En la primera parte de la práctica% como la temperatura se mantu$o constante pudimos obser$ar el proceso isot'rmico y al reali-ar los trabajos despu's de despejar las *ormulas y sacar las presiones el primer trabajo dio negati$o% lo &ue &uiere decir &ue el gas se estaba comprimiendo. Mientras &ue en el segundo trabajo el resultado *ue positi$o% lo &ue &uiere decir% &ue el gas se estaba e4pandiendo% debido a &ue ejercíamos más presión. En segundo e4perimen to reali-amos un proceso isobárico ya &ue en este caso lo &ue se mantu$o constante *ue la presión y los $ol/menes iban aumentando.
CO'C/5%IO'E% AVI/H% REE% JO%5H. En el primer e4perimento% se tomaron di*erentes lecturas de $ol/menes aplicándole cierta presión con una temperatura constante% a esto podemos llamar un proceso isot'rmico en donde en cada lectura de $olumen aplicando una presión% la temperatura siempre *ue la misma. En el segundo e4perimento de igual *orma se reali-aron toma de lectura de $ol/menes aumentando constantemente la temperatura% comen-ando desde una temperatura ambiente% así )asta llegar a la temperatura de ebullición del agua% conser$ando en este e4perimento la misma presión. " este proceso se le conoce como isobárico. "l corroborar analíticamente% lográbamos apreciar &ue en uno de los cálculos% el resultado era con signo negati$o% sabiendo entonces &ue el gas se comprimía. En el otro cálculo el signo del resultado *ue positi$o% corroborando &ue el gas se e4pandió.
BAE %IMO' CARME' %5%A'A3 En esta práctica se llega a la conclusión de &ue si calentamos el agua en el $aso y se sumerge la jeringa cierta temperatura entonces el calor del agua es trans*erido a la jeringa y esta al gas &ue )ay en la jeringa sellada y por consecuencia el gas al aplicarle distintas *uer-as y a di$ersas temperaturas este se comporta de *orma distinta en cada caso% y )abrá un trabajo de compresión o de e4piación.
TE'ORIO &OMI'K5E I/%E A/EJA'&RA3 #a práctica reali-ada nos muestra cómo se desarrolla el proceso termodinámico de algunas sustancias% mediante la pesa se logró obtener el $olumen de dic)a sustancia de manera &ue al calentar pudimos obser$ar como el proceso termodinámico a*ecta a nuestra sustancia cuando es sometida a distintas temperaturas. JIMH'E E%CA/A'TE ERILA %5%A'A3 En la práctica &ue se lle$ó a cabo pudimos obser$ar los di*erentes procesos como lo son el proceso Isot'rmico donde se mantiene constante y el proceso Isobárico logramos donde la presiónlasetemperatura mantiene constante y mediante cálculos y con$ersiones obtener todos los datos re&ueridos.
BIB/IOKRANA =D. C. 7)ri$er% (. U. "tAins% !. . #ang*ord. Vuimica Inorgánica. Ed. Re$erte 7.". =U)itten% Da$is% (ec@. Vuímica Feneral. 9; ed. Mc FraA ill. = )ttp+HHcorinto.pucp.edu.peH&uimicageneralHunidades=&8Hunidad=<=termodinamica= &uimica.)tml
