termodinamica

TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPEC

DIVISIÓN DE INGENIERÍA QUÍMICA Y BIOQUIMICA

ASIGNATURA: LABORATORIO INTEGRAL II CARRERA:

INGENIERÌA QUIMICA

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DIVISIÓN DE INGENIERÍA QUÍMICA Y BIOQUÍMICA

LABORATORIO INTEGRAL II

ECATEPEC, EDO. DE MÉXICO




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MANUAL DE LABORATORIO INTEGRAL II




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PRESENTACIÓN

El propósito de este manual de actividades experimentales es presentar un material

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INTRODUCCIÓN

Al elaborar este manual se ha buscado como fin característico su estructuración como

un elemento facilitador del aprendizaje de los alumnos, a manera de guía del trabajo en el

laboratorio integral II.

Las características generales de este manual involucran:

1.- Realizar los experimentos apoyándose en esta guía de procedimientos, cuyo objeto

es propiciar un trabajo más independiente por parte del alumno, sobre todo en las etapas

iniciales del curso. Es necesario que el alumno inicialmente siga la secuencia indicada en

esta guía para lograr los objetivos metodológicos.

2.- Abordar otros experimentos a manera de proyectos sencillos en una etapa

posterior, casi al final del curso sin el apoyo de la guía, a fin de que el alumno aplique con

criterio el método experimental, fomentando con ello un trabajo más libre que lo posibilite en

la dirección de autosuficiencia académica.

Algunos elementos teóricos conceptuales de esta ciencia requieren de modelos, los

cuales representaran en este caso a los sistemas en equilibrio termodinámico, será a partir del

conocimiento de los dispositivos y materiales del laboratorio o de su adecuación lo que permitirá

la realización de dichas experiencias, cuyas principales características deberán de situarse en el

redescubrimiento, para así generar estos modelos, los cuales inicialmente se situarán en lo

físico conceptual de manera muy sencilla, para posteriormente poder complejizarlos, ya que ello

permitirá la articulación de una serie de conocimientos que lleve al alumno a establecer y

comprobar las relaciones formales pertinentes.

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INGENIERÌA QUIMICA

En este sentido se habrá de identificar y de reconocer a partir de dichas relaciones,

cuáles son los datos de laboratorio que deberán de tomarse en cuenta, los parámetros físicos,

químicos, biológicos o de cualquier índole que se deberá operar, así como otra información

pertinente que se deberá buscar, tanto en el laboratorio como en la biblioteca u otra fuente. El

alumno en esta situación, está en la posibilidad de tener los elementos teórico-metodológicos

para poder diseñar de manera sencilla los experimentos, elegir un material o sustancia, elaborar

un formato de "Hoja de datos de laboratorio" que contenga toda la información requerida por el

experimento, planear la secuencia de las actividades a desarrollar en el transcurso del mismo,

previendo cuales serán los instrumentos de servicio y de medición que va a requerir.

La realización misma del experimento brindará una amplia gama de experiencias, en este

sentido; el laboratorio será el espacio de la práctica educativa en donde se aprenderá a ejercitar

toda una serie de habilidades básicas del conocimiento requeridas para el logro del perfil

profesional.

El reporte final de la actividad experimental es el producto íntegro del trabajo en

cada temática abordada (VER APENDICE). Deberá cuidarse que refleje cualitativa y

cuantitativamente el trabajo realizado y que muestre la variedad y riqueza de experiencias

asociadas al desarrollo del mismo. Al escribir este reporte se deberá poner énfasis en la

claridad, para lo cual se deberá tener en mente cuáles son los objetivos de la práctica y los logros

de la misma, resaltar aquellos aspectos que se consideren que podrían hacer original o distinta

la realización de la experiencia con respecto a lo que podría ser lo usual, por ejemplo si se

utiliza una sustancia que el alumno propone , si se emplea algún método alternativo para medir

alguna variable o si se desarrolla alguna explicación interesante para algún comportamiento

observado, que se haya podido comprobar que fue importante para obtener mejoras en los

resultados, etc. Esto muestra la creatividad con la que se fue abordada la tarea.

El reporte deberá tener presentes a los potenciales lectores, para que al analizarlo reciban

la impresión deseada, esto es, que puedan apreciar el valor de la actividad.

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Un aspecto importante en el laboratorio es la realización del trabajo en equipo, sobre todo

que será fundamental en tu formación profesional. Un equipo bien integrado discute cada una de

las actividades, toma acuerdos sobre la manera de realizarlas y las lleva a cabo comunicándose

y discutiendo las diversas experiencias, de manera que el reporte resulta un escrito integrado y

no meramente un cúmulo de pequeñas secciones sin un hilo conductor ni coherencia interna.

El trabajo en equipo es una actividad profesional que puede ser mas estimulante

cuando hay una buena relación entre los integrantes del equipo, pero aún si ese no es el caso, el

logro de los objetivos debería ser un aliciente suficiente para llevar a buen término el trabajo; no

siempre es posible trabajar únicamente con las personas más afines a nuestra manera de ser.

El reto en este espacio de trabajo es siempre presente: reflexionar los temas hasta el

punto de llegar a comprenderlos, adquirir la capacidad de razonamiento y aplicar estos

conocimientos a la solución de los problemas que se le presenten en la cotidianidad del

hacer académico y profesional.

La estructuración de la guía de experimentos incluye una relación de saberes,

conocimientos requeridos que son los que el alumno debe de contar para comprender y

realizar el trabajo experimental propuesto, así como de los conocimientos por adquirir, los

cuales se adquirirán a través de la experiencia en el laboratorio.

La naturaleza del material incluye, objetivo, hipótesis, introducción, metodología,

análisis de resultados, conclusiones y un cuestionario para resolver.

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I N D I C E

PRACTICA No 1 CARACTERIZACIÒN DE UN SISTEMA TERMODINAMICO 6

PRACTICA No 2ESTUDIO DE LOS SISTEMAS GASEOSOS 11

PRÁCTICA No. 3PRESION DE VAPOR 23

PRACTICA No 4CAPACIDAD CALORIFICA 28

PRACTICA No 5CONVERSIÓN DE ENERGIA; EQUIVALENTE DE TRABAJO EN CALOR 35

PRACTICA No 6“TERMOQUIMICA DE LAS DISOLUCIONES” 40

PROYECTOS PROPUESTOS 42

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PRACTICA No. 1

TÍTULO DE LA ACTIVIDAD EXPERIMENTAL: “CARACTERIZACIÒN DE UN SISTEMA TERMODINAMICO”




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PRÁCTICA No. 1“CARACTERIZACIÒN DE UN SISTEMA TERMODINAMICO "

I.- RELACIÓN DE CONOCIMIENTOS:

Conocimientos requeridos Conocimientos por adquirir

Calculo diferencial e integralSistemas de UnidadesMagnitudes e instrumentos de mediciónConceptos de error, precisión y exactitud.

Propiedades termodinámicas; intensivas yextensivas.Concepto de sistema, fronteras y alrededores.Diferentes tipos de sistemas y paredesCuantificación de las propiedades de un sistema.

II.- OBJETIVO:

Caracterizar a un sistema termodinámico en función de sus propiedades macroscópicas extensivas o intensivas:sugerencia : Densidad, punto de ebullición, punto de fusión, composición, volumen específico, temperatura , coeficiente de expansión térmica para líquidos, etc.

III.- HIPÓTESIS:Será planteada por el alumno

V.- INTRODUCCIÓN:

Las propiedades termodinámicas son aquellas que describen un estado macroscópico de un sistema por ejemplo la presión, temperatura, volumen, velocidad, densidad, calor especifico, etc. Podemos considerar como las más importantes la presión, volumen y temperatura, ya que son fáciles de medir y de ellas se pueden derivar otras propiedades.

Las propiedades termodinámicas se clasifican en Extensivas e Intensivas:

a) Extensivas: son aquellas que dependen de la cantidad de masa que contiene el sistema, por ejemplo el volumen, peso, energía, entalpía, entropía, etc.

b) Intensivas: son aquellas que no dependen de la cantidad de masa que contiene el sistema, entre ellas están presión, temperatura, densidad, composición, índice de refracción, punto de ebullición, viscosidad, volumen específico, etc.

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Un sistema termodinámico es una región en el espacio o una colección fija de materia encerrada por una frontera real o imaginaria, la cual puede ser rígida o flexible, y el sistema puede estar fijo o moviéndose en el espacio. Los sistemas termodinámicos tienen interacciones con su entorno; tales interacciones implican la transferencia de algún producto a través de la frontera del sistema. El entorno se define como todo aquello que es externo al sistema. Hay tres tipos de sistemas: cerrados, abiertos y aislados.

La termodinámica trata de las transformaciones de la energía y las relaciones entre las propiedades de los sistemas. Una propiedad se define formalmente como cualquier característica observable de un sistema, de aquí la importancia de caracterizar al mismo.

VI.- EXPERIMENTO:

El material necesario para la experimentación deberá de ser seleccionado de acuerdo al resultado de la siguiente guía de procedimientos:

6.1 GUIA DE PROCEDIMIENTOS.

1. Elija un sistema termodinámico para su caracterización, el cuál deberá ser analizado, discutido y aprobado por su profesor asesor.

________________________________________________________________________

2. Proponga un procedimiento que permita la determinación de algunas propiedades del sistema elegido, haciendo uso del método científico experimental anexo.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. De acuerdo al punto anterior, clasifique las propiedades en intensivas y extensivas.a) Intensivas: ____________________________________________________________

__________________________________________________________________________b) Extensivas: ____________________________________________________________

__________________________________________________________________________

4. Lleve a cabo la experimentación haciendo uso de la metodología propuesta, tomando información pertinente y tabulando los datos obtenidos, utilizando para ello los sistemas de unidades inglés e Internacional.

5. Mediante discusión grupal analice la información obtenida.

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VIII.- CONCLUSIONES:

En función del punto anterior, elabore las conclusiones que permitan el logro del objetivo planteado de manera inicial.

IX.- CUESTIONARIO:

1. ¿Qué es la termodinámica? Haga una distinción clara entre la termodinámica clásica y la termodinámica estadística.

2. Explique con sus propias palabras cada uno de los siguientes conceptos: a) Sistema termodinámicob) Propiedadc) Propiedad intensiva y extensivad) Estado y proceso

3. Defina los siguientes conceptos:a) Densidadb) Punto de fusiónc) Punto de ebulliciónd) Índice de refraccióne) Composiciónf) Energía interna, temperatura

4. La densidad del agua es de 1000 Kg/m3. Calcule el volumen ocupado por 1 Kg de agua en el Sistema Inglés y en el SI.

5. Un recipiente rígido contiene 0.5 Kg de vapor de agua seco saturado, con un volumen específico de 1.673 m3/Kg. ¿Cuál es el volumen del recipiente?

X.- BIBLIOGRAFÍA

No. Autor / Año Título Editorial / Edición

1 Kart C. Rolle TERMODINÁMICA 6ª Edición, Pearson Prentice Hall.

2 Russel y Adebiyi TERMODINÁMICA CLASICA Addison Wesley Iberoamericana.

3 Castellan, G: W. FISICOQUÍMICA 2ª Edición, Addison

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Wesley Longman

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PRACTICA No. 2

TÍTULO DE LA ACTIVIDAD EXPERIMENTAL: ESTUDIO DE LOS SISTEMAS GASEOSOS




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PRÁCTICA No. 2ESTUDIO DE LOS SISTEMAS GASEOSOS

PROBLEMA 1. Determinación experimental de la relación cuantitativa entre la presión y el volumen de un gas a temperatura constante.

PROBLEMA 2. Determinación experimental de la relación cuantitativa entre la temperatura y el volumen de un gas a presión constante (determinación del cero absoluto)

PROBLEMA 3. Determinación experimental de la relación cuantitativa entre la presión y la temperatura de un gas a volumen constante.



Calculo diferencial e integralMagnitudes e instrumentos de medición (manómetro, termómetro)Conceptos de error, precisión y exactitud.Conceptos de presión, temperatura.Ley cero de la termodinámica

Concepto de gas idealLeyes de los gasesPropiedades de los fluidos purosRelaciones cuantitativas entre propiedades de las sustancias.

II.- OBJETIVO:

Encontrar las relaciones cuantitativas entre las propiedades macroscópicas de los gases a partir de una actividad experimental que permita obtener la ecuación general del estado gaseoso.


V.- INTRODUCCIÓN:

De los tres estados de agregación en los que se conforma la materia, es el estado gaseoso el que presenta una mayor facilidad para su estudio, además de entender que este tipo de fluidos son los de mayor utilidad en los procesos termodinámicos. El estado gaseoso

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es una de las sustancias de mayor interés en ingeniería y se le puede definir como un sistema que tiene una composición química uniforme en todas sus partes; como sustancia pura debe de cumplir con ciertos requisitos para su estudio, tal como ser una sustancia macroscópicamente homogénea en su composición.

El estado termodinámico de una sustancia gaseosa se fija mediante la especificación de dos propiedades termodinámicas intensivas independientes. Aunque se puede elegir entre varias propiedades, son más adecuadas aquellas que son posible medir con facilidad en el laboratorio; la presión, temperatura y volumen.

GASES IDEALES Y REALES

Por motivos de estudio conviene clasificar a los gases en: a) ideales y b) no ideales o reales. El gas ideal obedece ciertas leyes, mientras que los reales las cumplen bajo ciertas condiciones. En los gases ideales el volumen ocupado por las propias moléculas es insignificante en comparación con el volumen total, lo cual solo se cumple de forma parcial ya que existen restricciones a tal condición. Para los gases reales las condiciones influyen en las propiedades, resultando claro que un gas ideal es hipotético.

Por el estudio de los gases se han llegado a establecer sus leyes o generalizaciones que constituyen el punto de partida de la conducta gaseosa en general. Las leyes son:

a) Ley de Boyleb) Ley de Charlesc) Ley de Gay-Lussac

Estas leyes conducen a una interrelación que permite establecer la ecuación conocida como ley combinada de los gases ideales o ley general del estado gaseoso.

VI.- EXPERIMENTO:

REACTIVOS:

No Características Cantidad

1 Mercurio El necesario2 Agua La necesaria3 Hielos Lo necesario

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MATERIAL DE LABORATORIO:

No Material Cantidad

1 Soporte universal completo 1

2 Matraz erlenmeyer de 250 ml con tapón de 1 orificio 13 Pinzas universales 1

4 Termómetro 1

5 Tubo de vidrio 10 cm aprox

6 Jeringa de plástico graduada ( 30 ml ) 1

7 Hojas milimétricas 2

8 Dinamómetro de 50 N 1

9 Parrilla eléctrica o mechero de bunsen 1

10 Baño maría 1

11 Globo 1

12 Silicón para sellar, masking tape El necesario

13 Vernier 1

14 Manómetro de vidrio en U 50 cm aprox

15 Matraz kitazato de 250 ml con tapón de 2 orificios 1

16 Manguera de latex 2 tramos de30 cm

17 Pinza mohr 1

El material necesario para la experimentación deberá de ser seleccionado de acuerdo al resultado de la siguiente guía de procedimientos:

6.1 GUIA DE PROCEDIMIENTOS.

1. Elija un problema los tres problemas sugeridos al inicio. ________________________________________________________________________________________________

2. Seleccione el material necesario para la experimentación.

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________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. Prediga mediante una hipótesis la relación cuantitativa que existe entre las variables del problema seleccionado. Exprese su hipótesis también en lenguaje matemático.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. Para contrastar (comprobar si es correcta o no) su hipótesis, proponga un procedimiento para llevar acabo la experimentación, tratando de minimizar las fuentes de error

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5. Cuando el asesor apruebe su procedimiento, lleve acabo la experimentación y ordene sus datos en una tabla.

6. A partir de los datos de la tabla grafique en papel milimétrico los datos obtenidos en el punto anterior.

7. Si no obtuvo en la grafica una línea recta, linealícela mediante algún método. ¡Asesórese con su profesor!

8. Analice e interprete la gráfica.

9. Calcule el valor constante entre dos estados termodinámicos consecutivos de sus resultados experimentales y escriba la ecuación correspondiente.

10. A partir de la ecuación obtenida valore si su hipótesis de trabajo fue correcta o no.

11. Mediante discusión grupal analice su problema seleccionado.


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IX.- CUESTIONARIO:

1. Explique con sus propias palabras cada uno de los siguientes conceptos:

a) Gas ideal. Dé condiciones aproximadas para que la fase gaseosa de una sustancia pura se comporte como un gas ideal.b) Ecuación del gas ideal y leyes de los gases.c) ¿Qué es un gas perfecto? Dé dos ejemplos. d) Proceso isotérmico e) Proceso isobáricof) Proceso isocórico g) Proceso adiabático

2. ¿Cuál es la diferencia entre un barómetro y un manómetro? 3. Si tanto el volumen como la presión de un gas ideal se duplican, ¿Cuál es la razón de las temperaturas absolutas?

4. La temperatura de un cilindro cerrado que contiene aire a 25ª C y con una presión de 760 mmHg se eleva a 100ª C. ¿Cuál es la nueva presión?

5. Una habitación mide 5 m x 6 m x 4 m. ¿Cuál es la masa de aire contenida en la habitación si la temperatura es de 20 ª C y la presión es de 1 atm? 6. Un gas a 0.1 MPa con un volumen de 2 m3 se comprime a un volumen de 0.5 m3 a temperatura constante. Si el gas se comporta como un gas ideal, ¿Cuál es la nueva presión?

X.- BIBLIOGRAFÍA




3 Castellan, G: W. FISICOQUÍMICA 2ª Edición, Addison Wesley Longman

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Presiòn de vapor, Sustancia pura, Procesos de cambio de fase de sustancias puras, Lìquido saturado, vapor saturado, tablas de vapor

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PRACTICA No. 3

TÍTULO DE LA PRÁCTICA:

“PRESIÒN DE VAPOR”




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PRÁCTICA No. 3PRESION DE VAPOR

Problema 1.- Determinar experimentalmente la presión de vapor de diferentes sustancias puras a una misma temperatura.

Problema 2.- Determinar experimentalmente la curva temperatura-presión de vapor de una sustancia pura (agua).



PresiónPresión absolutaPresión de vaporDiagrama P-T del aguaPresión manométricaLíquidos manométricosTipo de errores

Presión de vapor, Sustancia pura, Procesos de cambio de fase de sustancias puras, Líquido saturado, vapor saturado, tablas de vapor

II.- OBJETIVOS:

-Reconocer experimentalmente que una sustancia pura liquida es susceptible de evaporarse y que la presión que ejerce su vapor se denomina presión de vapor, y que es diferente para varias sustancias a una determinada temperatura.

-Medir la presión de vapor de una sustancia pura (agua) en un intervalo de temperaturas en un sistema vapor-liquido para trazar el diagrama de P – T correspondiente


V.- INTRODUCCIÓN:

La presión de vapor saturada de una sustancia es la presión adicional ejercida por las moléculas de vapor sobre la sustancia y sus alrededores en condiciones de saturación. Un líquido se evapora cuando las moléculas logran escaparse de su superficie; en su movimiento por encima del líquido chocando con las demás moléculas difundiéndose en un sistema abierto o interactuando con las paredes del recipiente en un sistema cerrado, en este caso algunas chocan con la superficie del líquido y se unen a él.

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Cuando la velocidad de evaporación es igual a la velocidad de condensación el sistema se encuentra en equilibrio. La presión de vapor de un líquido es esa fuerza con la cual las moléculas del líquido se mueven y aumenta a medida que lo hace la temperatura.

La evaporación de los líquidos y el fenómeno de la presión de vapor pueden explicarse mediante la teoría cinética molecular. La evaporación tiene lugar cuando las moléculas de alta energía situadas en la superficie del líquido se separan de las moléculas vecinas y escapan a la fase gaseosa. Un líquido volátil es aquel en el que existe una atracción muy pequeña entre las moléculas. Debido a esta débil atracción intermolecular, una gran parte de ellas poseen energía suficiente para escapar del líquido, con lo que puede tener lugar la evaporación a temperatura ambiente.

Esta presión es conocida como presión saturada de vapor del líquido correspondiente. En tanto se mantiene esta, el líquido no exhibe más tendencia a evaporarse, pero a una presión menor hay una nueva trasformación hacia la fase de gas, y otra mas elevada se verifica una condensación, hasta restablecer la presión de equilibrio.

Para un liquido cualquiera la vaporización va acompañada de absorción de calor y la cantidad de este, para una temperatura y presión dadas, requeridas para calentar cierto peso de liquido se conoce con el nombre de calor de vaporización y es la diferencia de entalpía de vapor y liquido, esto es, Hv = Hr - Hl, donde Hv es el calor de vaporización y Hr y Hl las entalpías de vapor y de liquido.

En una evaporización Hv es positiva siempre, mientras que en una condensación es negativa y numéricamente igual al calor absorbido en la vaporización. Como cabe esperar la definición de H; Hv es la diferencia entre la energía interna del vapor y del liquido Ev = Ev -El y el trabajo de expansión en el cambio de fase; es decir

Hv = Ev + P Vv

donde P es la presión de vapor y Vv = Vv - V l

Hay varios procedimientos de medir la presión de vapor de un líquido que se clasifican en estáticos y dinámicos. En los primeros se deja que el líquido establezca su presión de vapor sin que haya ningún disturbio, mientras que en los dinámicos el líquido hierve o se hace pasar una corriente inerte de gas a través del mismo.

La línea de separación entre esos métodos no es muy clara siempre, y un procedimiento particular es a veces, una combinación de los dos.

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La presión ejercida por las moléculas de vapor en equilibrio con el líquido a una determinada temperatura se llama presión de vapor del líquido. La presión de vapor depende de la temperatura y de la clase del liquido, puesto que depende de la naturaleza de las interacciones entre las moléculas de la sustancia; un compuesto como el agua tiene una presión de vapor mas baja que el éter porque las moléculas de agua tienen fuerzas de atracción intermolecular mayores que las moléculas del éter.

VARIACION DE LA PRESION DE VAPOR CON LA TEMPERATURA

La presión de vapor de un líquido, es constante a una temperatura dada, pero aumenta si lo hace la temperatura hasta el punto crítico del líquido. Es fácil de comprender el aumento de la presión de vapor teniendo en cuenta la teoría cinética. Al aumentar la temperatura es mayor la porción de moléculas que adquieren la energía suficiente para escapar de la fase liquida, y en consecuencia se precisa mayor presión para establecer un equilibrio entre el vapor y el liquido. Por encima de la temperatura critica la tendencia de escape de las moléculas es tan elevada que ninguna presión aplicada es suficiente para mantenerlas unidas en el estado liquido, y toda la masa persistente como gas.

Los líquidos formados por moléculas polares son menos volátiles y solamente una pequeña parte posee energía suficiente para librarse de esta fuerte atracción mutua.

VI.- EXPERIMENTO:

REACTIVOS:


1 Mercurio 50 ml2 Éter etílico 10 ml3 Alcohol etílico 10 ml4 Acetona 10 ml5 Tetracloruro de carbono 10 ml6 Agua corriente, hielos La necesaria, 1 bolsa



1 Soporte universal completo y varilla metálica 2

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2 Probeta graduada de 10 ml 13 Pinza de nuez, pinza para termómetro 1 de cada una

4 Pinza para bureta 2

5 Termómetro de -10 a 110°C 1

6 Tubo de vidrio de 7 mm de diámetro 70 cm aprox

7 Tubo capilar o un tubo de plástico doblado en U 8 cm

8 Vaso de p.p de 2 litros y de 50 ml 1 de cada uno

9 Hojas milimétricas 2

10 Agitador de vidrio 1

11 Mechero de bunsen 1

12 Jeringa de 5 ml con aguja 1

13 Silicón para sellar, masking tape El necesario

14 Vernier 1

PROCEDIMIENTO DEL PROBLEMA 1

1. Mediante calentamiento selle un extremo del tubo de vidrio de 7 mm, dejando abierto el otro extremo.

2. Coloque el mercurio proporcionado dentro del vaso de p.p. de 50 ml3. Mediante la jeringa coloque mercurio dentro del tubo sellado, casi a su totalidad,

¡tenga mucho cuidado con el manejo del mercurio porque es venenoso, use guantes de cirujano!

4. Deje el mercurio restante en el vaso de p.p. de 50 ml5. Tape con el dedo índice (use guantes) el extremo abierto e invierta el tubo y sumérjalo

ligeramente dentro del vaso de p.p. que contiene el mercurio restante, tal como se muestra en la figura 3.1 “barómetro” (sujete bien el tubo de vidrio por medio de un soporte universal).

6. Introduzca una o dos gotas de éter dentro del barómetro, haciendo uso para ello de una jeringa y del tubo en U, ello permitirá que suba éste hacia la parte superior de la columna de mercurio evaporándose. El espacio situado por encima del mercurio se satura rápidamente, es decir, se establece rápidamente un equilibrio entre la fase líquida y la fase gaseosa de la muestra, y la presión ejercida por el vapor es la que hace bajar la columna de mercurio. El descenso de la columna de mercurio indica directamente la presión de vapor de la muestra.

7. Mida la distancia que desciende el mercurio en el tubo y anótelo. d= __________ mm

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8. Efectué nuevamente todo este procedimiento partiendo del punto 2, de forma similar para los demás solventes.

9. Organice los datos obtenidos para cada solvente mediante una tabla.10. Con los datos anteriores efectúe cálculos para la determinación de la presión de

vapor de cada solvente, transformando los valores de mmHg a atm y Pa.

PROCEDIMIENTO DEL PROBLEMA 2

Una muestra de aire está contenida en una probeta graduada invertida, sumergida en un vaso de precipitado de 2 L. El agua es calentada hasta unos 80 ºC y el gas contenido se satura de vapor de agua rápidamente a esta temperatura. La temperatura del baño de agua y el volumen de gas de la probeta deben anotarse. Se deja enfriar el baño de agua y se va leyendo la temperatura y el volumen de gas a intervalos de 2 ºC. El número de moles de aire está siempre constante, pero el número de moles de agua presente en la fase gaseosa va a variar con la temperatura.

Sabiendo el número de moles de aire (naire) en la muestra gaseosa, la presión parcial de aire (Paire) puede ser calculada a cada temperatura y la presión de vapor de agua (Pagua) puede ser obtenida por la diferencia entre la presión barométrica (Patm) y la del aire.

El número de moles de aire en la mezcla se conoce de las medidas de volumen, temperatura y presión a temperaturas cercanas a 0 ºC, donde el contenido de vapor de agua es menor del 1 % y por lo tanto podemos considerarlo despreciable. A continuación se enumeran paso a paso lo expresado en este párrafo.

1. Llenar con agua destilada una probeta graduada de 10 ml dejando un volumen libre de aproximadamente 2 ml, medido desde el borde. Cubrir el extremo con un dedo e invertir rápidamente introduciéndola en el vaso de precipitado de 2 L, que ha sido llenado previamente con agua, tal como se muestra en la figura 3.2.

2. Agregar más agua al vaso de 2 L si fuera necesario para que el gas dentro de la probeta quede totalmente cubierto de líquido. Luego calentar con un mechero de laboratorio hasta aproximadamente 80 ºC. Nota: agitar (con cuidado) el agua del baño para evitar gradientes de temperatura.

3. Leer el volumen de aire con una aproximación de 0,1 ml y la temperatura del baño con una apreciación de 0,1 ºC.

4. Una vez que llegó aproximadamente a 80 ºC, retirar el fuego para permitir que el agua comience a enfriarse. A medida que el agua se va enfriando se deben ir tomando medidas de volumen y de temperatura a intervalos de 2 ºC, hasta alcanzar 60 ºC.

5. Al llegar a la temperatura de 60 ºC, enfriar rápidamente el sistema quitando el agua caliente y agregando hielo hasta que cubra toda la probeta. Medir a una temperatura de aproximadamente 3 ºC, el volumen correspondiente.

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6. Tener la información de la presión atmosférica en el laboratorio

Figura 3.1 Barómetro para la determinación de la presión de un líquido.

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Figura 3.2 Dispositivo para determinación de presión de vapor a diferentes temperaturas.

Cálculos

1. El uso de una probeta graduada invertida de 10 ml, involucra un pequeño error sistemático debido a que el menisco de la interfase vapor de agua-líquido está invertido. Se ha estimado que la introducción de volúmenes conocidos de aire en un cilindro lleno de agua, involucra un error de 0,2 ml si el cilindro está graduado hasta 10 ml, por lo tanto, en este caso todos los volúmenes deben ser corregidos restándoles 0,2 ml para compensar el error del menisco invertido.

2. Usando los valores medidos de volumen y temperatura del punto 5 y la presión atmosférica, calcular el número de moles de aire. Suponga que la presión de vapor de agua es despreciable comparada con la presión atmosférica a estas bajas temperaturas.

3. Para cada temperatura, calcule la presión parcial del aire en la mezcla de gases.

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4. Calcule la presión de vapor de agua a cada temperatura y grafique en papel milimétrico

5.-Si no obtuvo en la grafica una línea recta, linealícela mediante algún método. ¡Asesórese con su profesor! 6.-Encuentre el valor de la presión de vapor de agua a 67ºC usando el gráfico.7.-Analice e interprete la gráfica8.- Mediante discusión grupal analice su problema seleccionado.



IX.- CUESTIONARIO:

1. Defina presión de vapor2. Explique por que es importante especificar la temperatura a la que se mide la presión de vapor de un líquido.3. Explique porqué el agua acaba evaporándose en un recipiente abierto, a temperatura ambiente de -20 °C aún cuando normalmente hierve a 100 °C5. Explique porqué la tela mojada se siente fría al ponerla sobre la frente.6. Explique que quiere decir que el líquido y el vapor están en equilibrio en un recipiente

cerrado.7. Proponga un razonamiento que explique porque la nieve se evapora directamente sin

licuarse en un día muy seco.8. Porque los alimentos se cocinan más rápido en olla de presión que en olla abierta.

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INGENIERÌA QUIMICA

9. Explique porque un “huevo de 3 minutos” cocido en un campamento en las alturas del himalaya no sabe tan bien como cuando se cocina en un campamento al nivel del mar.

10. ¿Qué presión hay que alcanzar para que el agua hierva a 20 °C?

X.- BIBLIOGRAFÍA





4 Chang Raymond QUIMICA Mc Graw Hill, 6ª ed.

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INGENIERÌA QUIMICA



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PRACTICA No. 4


“CAPACIDAD CALORIFICA ”




INGENIERÌA QUIMICA

PRÁCTICA No. 4“CAPACIDAD CALORIFICA”

Problema 1.- Determinar experimentalmente la capacidad calorífica de un calorímetro simple.



Interacciones, energía y trabajoConcepto de calorConcepto de entalpíaCalores específicos y su relación con la energía interna y entalpíaEquilibrio térmicoTemperaturaLey cero de la termodinámicaSistemas cerrados y abiertosConcepto de calorímetro

Constante calorimétricaPrimera ley de la termodinámicaRelación de temperatura-calorSistemas adiabáticosCapacidades caloríficas de líquidos y sólidos

II.- OBJETIVOS:

Determinar la capacidad calorífica de un calorímetro simple y poder utilizarla para obtener la capacidad calorífica de otras sustancias.

III.- HIPÓTESIS: Será planteada por el alumno

V.- INTRODUCCIÓN:

Consideraciones teóricas:

Se define capacidad calorífica molar (C) como la cantidad de calor en calorías necesaria para aumentar 1 °C la temperatura de una mol de sustancia; si la masa considerada es un gramo, la capacidad calorífica se denomina calor específico. Las unidades respectivas usuales son: caloría/mol K y caloría/g K.

La ecuación general que define a la capacidad calorífica es:

La capacidad calorífica y el calor específico de las sustancias pueden determinarse si el proceso se efectúa a volumen o a presión constante, designándose Cv y Cp respectivamente; sus valores varían en función de la temperatura.

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En el caso de los gases el valor de Cp es mucho mayor que Cv (Cp=Cv+R, en donde R=1.987 cal/mol K), mientras que en los líquidos y sólidos esta diferencia es mucho menor.

Para las medidas experimentales de la capacidad calorífica, es necesario recordar que el calor ganado debe de ser igual al calor perdido:

Qg=Qp

(mCpΔT)g =(mCpΔT)p

Por esta razón se debe conocer la capacidad calorífica del recipiente donde se efectúa la medida puesto que también consume calor.

El calor ganado o el calor perdido en un determinado proceso que se lleva a una presión constante, como nuestro caso, a la presión ambiente se le denomina; entalpía.

La función entalpía es particularmente útil como una medida de la energía que acompaña tanto a las reacciones químicas como a los procesos en general, a presión constante. No obstante, es deseable disponer de una función que describa la dependencia de la entalpía con la temperatura a presión constante. Esta función es la capacidad térmica. Por otra parte, las sustancias difiere entre si en la cantidad de energía que se necesita para producir, a una masa dada, un determinado aumento en su temperatura. La cantidad de energía térmica,

VI.- EXPERIMENTO:

REACTIVOS:


1 Agua corriente La necesaria



1 Vaso de poli estireno o un termo 2

2 Soporte universal completo 1

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3 Probeta de 100 ml 1

4 Termómetro de precisión 2

5 Vaso de p.p de 500 ml 1


7 Mechero de bunsen 1

VII. PROCEDIMIENTO

7.1 Con la ayuda del material enlistado construya un calorímetro como el de la figura 4.1

7.2 Destape el calorímetro y vierta 150 ml de agua (V1) aproximadamente. Tápelo y agite hasta obtener una lectura constante de temperatura (T1 ) Anote los datos

7.3 En una probeta graduada coloque 50 ml de agua (V2 ) a 40 °C aprox. Agregue el agua rápidamente al calorímetro y mida su temperatura (T2) justo antes de la adición. __________________________________________________________________________

7.4 Tape el calorímetro, agite cuidadosamente, espere a que llegue el equilibrio térmico y registre la temperatura final del equilibrio (T3 ).

7.5 Para calcular la capacidad calorífica del calorímetro (que será una constante), a partir de los datos medidos anteriormente, investigue en la bibliografía o el marco teórico arriba indicado la expresión u ecuación correspondiente, y escríbala:

7.6 Anote el resultado obtenido con sus respectivas unidades.

7.7 Identifique las fuentes de error en su determinación:

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7.8 Proponga un apoyo estadístico para minimizar los errores, aplíquelo a la experimentación. Anote y discuta de nuevo el resultado.

7.9 Para determinar el calor específico de otra sustancia, investigue en la bibliografía de que manera me sirve ó puede ser utilizada la constante del calorímetro calculada en esta actividad experimental.

Fig. 4.1 Calorímetro para determinación de calor específico



IX.- CUESTIONARIO:

1. ¿Qué es calor? ¿Cuál es la diferencia entre calor y energía térmica? ¿En qué condiciones se transfiere el calor de un sistema a otro?

2. Define con tus palabras capacidad calorífica e indica cuál es la diferencia con el calor específico. ¿Cuál es la propiedad extensiva y cuál intensiva?

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3. ¿Cómo es la capacidad calorífica de los sólidos, líquidos y los gases en general?

4. ¿Qué importancia representa conocer la capacidad calorífica específica de una sustancia?

5. ¿Por qué se dice que la capacidad calorífica del agua es grande comparada con la de los metales?

6. Defina calorimetría y describa dos calorímetros de uso común.

7. Una muestra de 466 g de agua se calienta desde 8.5ª hasta 74.6 0C. Calcule la cantidad de calor absorbido por el agua.

X.- BIBLIOGRAFÍA






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PRACTICA No. 5


“CONVERSIÓN DE ENERGIA; EQUIVALENTE DE TRABAJO EN CALOR”




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PRÁCTICA No. 5“CONVERSIÓN DE ENERGIA; EQUIVALENTE DE TRABAJO EN CALOR”

PROBLEMA: Determinar experimentalmente la relación trabajo-calor a partir de la utilización de una resistencia eléctrica introducida en un recipiente con agua durante un determinado tiempo, para encontrar la equivalencia entre calorías y joules.



Interacciones, energía y trabajoConcepto de calorConcepto de entalpíaTemperaturaTrabajo eléctricoTrabajo mecánicoLey cero de la termodinámica

Principio de conservación de la energíaEl Joule como unidad de calor y de trabajo.Equivalente mecánico de calorRelaciones corriente eléctrica-calorFactor de conversión de una forma de trabajo a calor.

II.- OBJETIVO:

Determinar experimentalmente el equivalente de trabajo en calor.


V.- INTRODUCCIÓN:

La transmisión del calor de un cuerpo a otro puede observarse en dos formas. La transmisión puede causar o un cambio de temperatura, o un cambio de estado. La cantidad de calor transmitida puede medirse en términos de algunos de los efectos físicos que produce. Ejemplos de estos efectos son el cambio en volumen, o e resistencia eléctrica.

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El valor promedio del trabajo externo o energía intercambiada entre un sistema y sus alrededores, debido a los intercambios internos de energía que se producen como resultado de colisiones entre las moléculas del sistema y las moléculas de los alrededores se denomina calor. No se debe considerar el calor como una forma nueva de energía o una forma diferente de energía. Calor es sólo un nombre dado a una forma especial de trabajo o de intercambio de energía entre las partículas de dos sistemas.

El calor Q se considera positivo cuando corresponde a un trabajo externo neto efectuado sobre el sistema y es negativo si es equivalente a un trabajo externo neto ejercido por el sistema. En el primer caso se dice que el sistema absorbió calor y en el segundo caso, que el sistema liberó calor.

La caloría se introdujo en un principio como unidad para medir el calor cuando la naturaleza de éste era desconocida. Pero la caloría es simplemente otra unidad que mide trabajo y energía y no calor exclusivamente. Así pues, como calor es energía, se puede medir también en Joules. Encontrar la equivalencia entre Joules y calorías es el propósito de esta actividad experimental; fue determinada primero por Joule en una serie de experimentos iniciados en 1843 y con frecuencia se le ha llamado "equivalente Joule". Es usual denominarlo equivalente mecánico del calor y, el valor que se usa es de 1 caloría = 4.1840 J.

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El calentador de inmersión que se usará en esta actividad experimental trabaja como una resistencia conectada a una fuente de poder, por un fenómeno denominado "efecto Joule", libera calor.

VI.- EXPERIMENTO:

REACTIVOS:


1 Agua corriente La necesaria



1 Vaso de poli estireno de 1 litro o un termo con tapa 1

2 Cronometro 1

3 Termómetro de -10 a 110 °C 1



6 Calentador de inmersión 1

VIII. PROCEDIMIENTO

8.1 Vierta agua suficiente en el vaso de unicel para cubrir totalmente el calentador de inmersión, ciérrelo bien y mida la temperatura inicial con el termómetro que está ubicado en la tapa del recipiente. 8.2 Encienda el calentador y el cronómetro.

8.3 Espere a que la temperatura aumente con el paso del tiempo, tomando sus valores a intervalos constantes de tiempo.

8.4 Investigue en la biblioteca como se calcula el calor del sistema en función de la masa y la temperatura ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________

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8.5 Averigüe en cualquier fuente de información que relación o ecuación nos da el trabajo eléctrico del circuito en función del voltaje y la intensidad ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________

8.6 Construya una gráfica en papel milimétrico con los datos de su experimentación, interpretelos, analícelos y proponga algunas conclusiones ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________

8.7 Investigue como se calcula el equivalente mecánico de calor.



IX.- CUESTIONARIO:

1. ¿El calor es trabajo o es energía? Explique2. ¿En qué consiste el experimento de Joule para la determinación del equivalente mecánico del calor?3. ¿En qué unidades se mide el calor? ¿En qué unidades se mide el trabajo?4. ¿Qué es un calentador de inmersión? 5. ¿Qué es potencia eléctrica y qué unidades tiene?6. A partir de la ley de Ohm, la intensidad de corriente y la potencia, encuentra una relación entre la potencia, la resistencia, intensidad y el voltaje.7. ¿Cómo se miden la resistencia y el voltaje?8. Compare su resultado del equivalente mecánico del calor con el valor aceptado de 4.186 joules/caloría. Calcule el error relativo de su valor. 9. Discuta las razones por las cuales el valor obtenido por usted difiere del valor aceptado, ¿fue menor o mayor?, ¿podría explicar por qué resultó de uno u otro modo? 10. ¿Cuántas calorías de calor se llevarían 200 ml de agua a 20ºC para calentarla hasta 80ºC? ¿Cuánto tiempo tomaría calentar el agua si se usa un calentador de 50 watts de potencia? Muestre sus cálculos.

X.- BIBLIOGRAFÍA


1 Kart C. Rolle TERMODINÁMICA 6ª Edición, Pearson

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Prentice Hall.




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PRACTICA No. 6


“TERMOQUIMICA DE LAS DISOLUCIONES”




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PRÁCTICA No. 6“TERMOQUIMICA DE LAS DISOLUCIONES”

PROBLEMA: Encontrar la relación entre el calor involucrado en un proceso de formación de una solución y la cantidad de soluto presente.



Interacciones, energía y reacción químicaConcepto de calor Concepto de reacción químicaReacciones endotérmicas y exotérmicasConcepto de solución y preparaciónConcepto de entalpíaCalor específicoLey de Hess

Entalpía de formaciónCalores de solución y diluciónCalor diferencial de disoluciónCalor de neutralización; en ácidos y basesCalor de formación de ionesEnergía reticular

II.- OBJETIVO:

Demostrar que toda reacción química involucra un cambio energético.


V.- INTRODUCCIÓN:

La relación entre las reacciones químicas y la energía se observó desde la antigüedad. El hombre prehistórico aprendió por prueba y error a producir una chispa (frotando pedernal) e iniciar la combustión de la madera para obtener calor y fuego. La primera formalización de la relación entre energía y las reacciones químicas fue el concepto de calórico, la cual fue una de las teorías surge trato de dar razón de los hechos y fenómenos de la naturaleza en donde se involucraba la energía calorífica.

De las reacciones químicas que más importancia representan para el ser humano están aquellas en donde se obtiene energía para los procesos de la vida; oxidación de carbohidratos, lípidos o proteínas de los alimentos, las cuales generalmente se presentan en solución, es decir disueltas en solventes adecuados, generalmente agua.

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Desde el marco de referencia formal es la termoquímica la parte de la fisicoquímica que estudia la relación de calor y las reacciones químicas.

VI.- EXPERIMENTO:

REACTIVOS:


1 Agua corriente La necesaria2 Ácido sulfúrico concentrado, fosfórico o nítrico El necesario3 Hidróxido de sodio, hidróxido de potasio El necesario




2 Bureta de 25 ml 2

3 Termómetro de precisión 1

4 Matraz aforado de 100 ml 35 Agitador de vidrio 1

6 Pizeta de 250 ml 1

IX. PROCEDIMIENTO

8.1 Proponga un experimento para determinar el calor normal de formación de una solución, se sugiere hacerlo con ácidos fuertes y bases fuertes.

8.2 A través de una discusión con su asesor deberá de diseñarse el experimento en el que se determine el calor involucrado en la disolución de diferentes sustancias.

8.3 A partir del análisis efectuado en la experimentación proponga un modelo teórico que permita establecer de que manera se lleva a cabo el fenómeno de disolución

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IX.- CUESTIONARIO:

1. Defina los siguientes términos: Entalpía de disolución, calor de hidratación, calor de dilución, energía reticular.

2. ¿Por qué la energía reticular de un sólido siempre es una cantidad positiva y porque la hidratación de iones siempre es una cantidad negativa?

3. ¿Por qué es peligroso agregar agua a un ácido concentrado como el ácido sulfúrico durante un proceso de dilución?

4. La estequiometría se basa en la ley de la conservación de la masa, ¿en cual ley se basa la termoquímica?

5. Describa dos procesos exotérmicos y dos endotérmicos.6. La entalpía estándar de formación de iones en disoluciones acuosas se obtiene

asignando, en forma arbitraria, un valor de cero para los iones hidrogeno; esto es:

a) Para la siguiente reacción:HCl(g) →H+(ac) + Cl-(ac) ΔH° = -74.9 kJ

Calcule para los iones Cl-. b) Sabiendo que para los iones OH- es -229.6 Kj/mol, calcule la entalpía de neutralización cuando 1 mol de un ácido monoprótico fuerte como el HCl se titula con 1 mol de una base fuerte (como KOH) @ 25 0C.

X.- BIBLIOGRAFÍA






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PROYECTOS PROPUESTOS

1. Procesos cíclicos en un sistema gaseoso.2. Máquinas térmicas3. Cálculos de eficiencia de diferentes ciclos de potencia y refrigeración.

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termodinamica

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