INSTITUTO POLITCNICO NACIONALUnidad Profesional
Interdisciplinaria de Ingeniera Campus Guanajuato
Qumica industrial Luis ngel Garca de la RosaReporte de prctica
2: Variables termodinmicas3IM1Equipo 1Ana Cecilia Rendn ReyesDiana
Pardo ArredondoArmando Ulises Flores AmezcuaEnrique Ismael Rendn
Reyes26/02/14
RESUMENOBJETIVOS
Principalmente lo que se busca es conocer las variables
termodinmicas como el calor, trabajo, energa libre y entropa de un
sistema compuesto por un gas (aire) para encontrar la relacin entre
ellas.
INTRODUCCIN
Al analizar las variables termodinmicas de un sistema debemos
saber si se trata de un proceso reversible el cual indica que el
sistema puede restaurarse al punto de equilibrio o si es un proceso
irreversible en el cual como su nombre lo indica no se restaura a
su punto de equilibrio pero para fines prcticos se maneja como
proceso reversible, aunque lo ideal sera que el calor fuera igual
que el trabajo en el caso real tenemos que el calor siempre es
mayor al trabajo, la entalpia es nicamente la energa que se gana o
se pierde a presin contante, la energa interna es el calor que se
gana o se pierde a volumen contante y por ultimo tenemos la entropa
que es el orden o desorden de las partculas del sistema.
MATERIALES Y REACTIVOS QUE PROPORCIONA EL LABORATORIOVaso PP de
600 mlPinza de tres dedosNuez
TermmetroSoporte universalTapn sin horadar
Dinammetro de 100 N1 matraz Erlenmeyer de 150 ml1 tapn
horadado
10 cm de Tubo de vidrioHieloPinza para termmetro
1 jeringa de 20 ml por equipo.
FUNDAMENTOS TERICO.Consideraciones tericas de Termodinmica.As,
los sistemas termodinmicos que podemos estudiar, se pueden
clasificar en: Cerrados: son aquellos que pueden intercambiar
energa, aunque no materia, con los alrededores. Abiertos: aquellos
que pueden intercambiar materia y energa. Aislados: que no pueden
intercambiar ni materia ni energa. Homogneos: las propiedades
termodinmicas tienen los mismos valores en todos los puntos del
sistema. El sistema est constituido por una sola fase. Heterogneos:
las propiedades termodinmicas no son las mismas en todos los puntos
del sistema. El sistema est constituidos por varias fases,
separadas entre s por una "frontera" llamada interface.Muy
importante es indicar que las variables termodinmicas solo estn
definidas cuando el sistema est en equilibrio termodinmico. Esto
significa que se den simultneamente tres situaciones:Equilibrio
trmico (que la temperatura no cambie).Equilibrio qumico (que su
composicin no cambie).Equilibrio mecnico (que no se produzcan
movimientos en el sistema).
Algunos nombres para procesos especficos en los que el sistema
cambia de estado son:Proceso isotrmico: la T permanece
constante.Proceso isobrico: la P permanece constante. Proceso
isomtrico: el V permanece constante.
El Primer Principio de la Termodinmica se refiere a que slo
pueden ocurrir procesos en los que la Energa total del Universo se
conserva.Segundo principio: Cualquier proceso que ocurre
espontneamente produce un aumento de entropa del universo.Tercer
principio: La entropa de un elemento puro en su forma condensada
estable (slido o lquido) es cero cuando la temperatura tiende a
cero y la presin es de 1 barde acuerdo con lo anterior, En
cualquier proceso isotrmico que implique sustancias puras, cada una
en equilibrio interno, la variacin de entropa tiende a cero cuando
la temperatura tiende a cero.
Relacin entre calor y trabajo. Si calor y trabajo son ambos
formas de energa en trnsito de unos cuerpos o sistemas a otros,
deben estar relacionadas entre s. La consolidacin de la nocin de
calor como una forma ms de energa, hizo del equivalente mecnico un
simple factor de conversin entre unidades diferentes de una misma
magnitud fsica.
Mquinas trmicasJunto a la conversin de trabajo en calor puesta
de manifiesto en las experiencias de Joule, la transformacin
efectuada en sentido inverso es fsicamente realizable. Los motores
de explosin que mueven, en general, los vehculos automviles y la
mquina de vapor de las antiguas locomotoras de carbn, son
dispositivos capaces de llevar a cabo la transformacin del calor en
trabajo mecnico. Este tipo de dispositivos reciben el nombre
genrico de mquinas trmicas. En todas las mquinas trmicas el sistema
absorbe calor de un foco caliente; parte de l lo transforma en
trabajo y el resto lo cede al medio exterior que se encuentra a
menor temperatura. Ninguna mquina trmica alcanza un rendimiento del
cien por cien. Esta limitacin no es de tipo tcnico, de modo que no
podr ser eliminada cuando el desarrollo tecnolgico alcance un nivel
superior al actual; se trata, sin embargo, de una ley general de la
naturaleza que imposibilita la transformacin ntegra de calor en
trabajo.Motores de combustin interna.Son los que usan comnmente los
automviles. Se llaman tambin motores de explosin. Estos nombres les
fueron asignados debido a que el combustible se quema en el
interior del motor y no es un dispositivo externo a l, como en el
caso de los motores diesel. Estos motores trabajan en cuatro
tiempos que son la admisin, la compresin, la explosin y el escape.
En el primer tiempo o admisin, el cigeal arrastra hacia abajo el
mbolo, aspirando en el cilindro la mezcla carburante que est
formada por gasolina y aire procedente del carburador.
En el segundo tiempo se efecta la compresin. El cigeal hace
subir el mbolo, el cual comprime fuertemente la mezcla carburante
en la cmara de combustin. En el tercer tiempo, se efecta la
explosin cuando la chispa que salta entre los electrodos de la buja
inflama la mezcla, producindose una violenta dilatacin de los gases
de combustin que se expanden y empujan el mbolo, el cual produce
trabajo mecnico al mover el cigeal, que a su vez mueve las llantas
del coche y lo hace avanzar.Por ltimo, en el cuarto tiempo, los
gases de combustin se escapan cuando el mbolo vuelve a subir y los
expulsa hacia el exterior, saliendo por el mofle del
automvil.Naturalmente que la apertura de las vlvulas de admisin y
de escape, as como la produccin de la chispa en la cmara de
combustin, se obtienen mediante mecanismos sincronizados en el
cigeal.De acuerdo a la descripcin anterior, comprendemos que si la
explosin dentro del cilindro no es suave y genera un tirn
irregular, la fuerza explosiva golpea al mbolo demasiado rpido,
cuando an est bajando en el cilindro.Este efecto de fuerzas
intempestivas sacude fuertemente la mquina y puede llegar a
destruirla. Cuando esto sucede se dice que el motor est "detonando"
o "cascabeleando", efecto que se hace ms notorio al subir alguna
pendiente.Indudablemente que este fenmeno tambin se observa cuando
el automvil est mal carburado, o sea que no tiene bien regulada la
cantidad de aire que se mezcla con la gasolina.Sin embargo, cuando
ste no es el caso, el cascabeleo se deber al tipo de gasolina que
se est usando, la cual a su vez depende de los compuestos y los
aditivos que la constituyen, o sea de su octanaje
METODO EXPERIMENTALParte 1
Tomar 10 ml de aire y sellar su extremo.2Con un dinammetro
determine la fuerza que opone el embolo al desplazamiento. 1
Introducir la jeringa al vaso con agua despus de 5 minutos
registre la temperatura y volumen.4Colocar el soporte y sistema de
calentamiento3
65
A 80 C colocar objetos pesados sobre la jeringa y registrar
cuando peso necesita para modificar el volumen del aire . Calentar
el agua y registrar el volumen de la jeringa cuando el agua este a
80 C
7
Apagar la parrilla y dejar enfriar a temperatura inicial
21Parte 2
Llenar un matraz Erlenmeyer con hielo y agua hasta el borde.
Colocar un tapn de hule con un tubo que este sumergido en el
agua.
3Se marca hasta donde llego el agua en el tubo y despus de 10
min se hace otra marca hasta donde disminuyo.
CALCULOS Fuerza para mover el mbolo:LecturaFuerza (N)Fuerza
promedio (N)
1a1.41.8
2a2.0
3a2.0
Clculos: El mbolo de la jeringa se expandir dando un . Ahora
requerimos obtener la presin que se ejerce sobre el mbolo, esta
presin ser la atmosfrica que se debe obtener con la ecuacin
baromtrica:
Donde:P = Presin a la altura h (en este caso la altura de la
ciudad de Silao Gto.)P0 = Presin al nivel del mar (1 atmsfera)M =
Peso molecular del aire (28.8 g/mol)T = Temperatura ambiente en
Kelvin.
A la presin anterior se le debe sumar la presin correspondiente
a la fuerza que se requiri para vencer el rozamiento y lograr mover
el embolo (Lectura del dinammetro) dividida entre el rea del
embolo:=
As obtenemos la presin de oposicin, se recomienda que ambas
presiones la 1 y la 2 estn en atmosferas.= (.98atm) + () = (.98atm)
+(686.8pa)= (.98atm)+(.006878atm)=.9868atm
Ya estamos en condiciones de encontrar el trabajo
termodinmico:
=-(.8198atm)(.0026L)=.00197atm*L=-.00197(=-0166J
Para encontrar el cambio de la energa interna se debe de contar
con la cantidad de moles de aire en la jeringa, para esto
utilizamos la frmula del gas ideal, tomando las condiciones
iniciales, P1 , el V1 ser la lectura tomada dentro de la jeringa
luego de dejarla los 5 minutos dentro del agua (antes de comenzar a
calentar) y T1 ser la temperatura del agua.
==3.37*
Ahora ya podemos aplicar la ecuacin de
Cv=7.17(3.37x)(20.09J/molK)(59K)=0.399725J
De la primera ley de la termodinmica:
= (0.399725J)-(-0.166J)=0.565725J
Donde nos queda:
Sacando las constantes de la integral e integrando,
tendremos:
= (3.37x) (20.09) In (+ (3.37xmol) (8.314) In ()
RESULTADOS Reportar:
n = 3.37*
W =-.00197 (=-0166J
= 0.399725J
Q =0.565725J
=
CONCLUSINHemos visto en el primer apartado de introduccin a la
termodinmica qumica el concepto de sistema y los tipos de sistemas
termodinmicos existentes. Ahora bien, una vez delimitado un sistema
termodinmico, necesitamos conocer para definirlo en profundidad,
adems de la composicin qumica del sistema, el valor de una serie de
variables que determinan el estado del mismo desde un punto de
vista macroscpico. A estas variables se las denomina Variables
Termodinmicas.
CUESTIONARIOParte11. Este Q obtenido, es el calor suministrado
al sistema aire, encuentre el calor total suministrado al agua y
reporte que porcentaje de ese calor fue aplicado al sistema aire,
explique qu pasa con todo el calor restante (Que no se aplico al
sistema aire).
2. Qu sucede al agregar uno y luego dos pesos al embolo de la
jeringa? Explique lo sucedidoObjetoMasa (g)
Matraz 1125
Matraz 2175
Computadora1187
Con el matraz 1 con 125 ml de agua no presento ningn
desplazamiento tampoco con el matraz 2 con 175 ml de agua. Con la
masa de la laptop 1187 gr. Se desplazo de 12 ml de aire a 8 ml.
3. Qu sugerira usted para aprovechar de mejor manera el calor
agregado en el agua, en el sistema aire?Que el sistema fuera
hermticamente cerrado para evitar fugas de calor y solo exista la
interaccin con el sistema de aire
Parte 21. Explique, con sus palabras que entiende por ley cero
de la termodinmica.Si A esta en equilibrio trmico con B y a su vez
B y C estn en equilibrio trmico por lo tanto se puede afirmar que A
y C tambin estn en equilibrio trmico
2. Enuncie e interprete la primera ley de la termodinmicaEl
incremento de la energa interna de un sistema termodinmico es igual
a la diferencia entre la cantidad de calor transferida a unes igual
a la diferencia entre la cantidad de calor transferida a un sistema
y eltrabajo realizado por el sistema asus alrededores.
3. Qu entiende por energa interna, energa trmica y calor?Energa
interna es la energa que est asociada con el movimiento aleatorio y
desordenado de partculas dentro de un sistema tambin es entendida
como la energa microscpica. Energa trmica es la forma de energa que
interviene en los fenmenos calorficos. Cuando dos cuerpos a
diferentes temperaturas se ponen en contacto, el caliente
transfiere energa al froCalores lacantidad de energaque un cuerpo
transfiere a otro como consecuencia de una diferencia
detemperaturaentre ambos.
4. Cmo se relacionan trabajo y calor en un proceso cclico?Los
procesos cclicos son la base de todas las mquinas y motores, que
operan de forma peridica. En un proceso cclico la energa total al
final del proceso es la misma que al principio, por tratarse de una
funcin de estado. Por tanto
Si desglosamos el calor y el trabajo entre lo que entra y lo que
sale
nos queda
lo que nos dice que en un proceso cclico lo que entra es igual a
lo que sale.5. Qu es un proceso adiabtico y cmo se expresa la
primera ley en estos procesos?
El sistema es un sistema aislado no recibe ni entrega calor al
entorno Q=0 Por lo tanto al aplicar la 1era ley de termodinmica, la
variacin de la energa interna depende nicamente del trabajo
realizado o recibido por el sistema 6. A qu es igual la variacin de
energa interna en un proceso a volumen constante?
Como no existe variacin en el volumen la expresin queda:
7. Qu significa que la energa interna es funcin de estado? El
calor y el trabajo son tambin funciones de estado?Su variacin slo
depende del estado inicial y final y no del camino desarrollado.
Son funciones de estado: presin, temperatura, energa interna,
entalpa; no lo son: calor, trabajo. Las funciones de estado deben
cumplir dos requisitos: 1) al dar valores a unas cuantas funciones
de estado, se fijan automticamente los valores de todas las otras y
2) cuando cambia el estado de un sistema, los cambios en las
funciones de estado dependen slo de los estados inicial y final del
sistema, y no de cmo se logra el cambio.
8. Qu es la mquina de Carnot, desde el aspecto de un modelo
matemtico? CD Absorcin de calorQinen un proceso isotermo a
temperaturaTc. DA Enfriamiento adiabtico hasta la temperatura del
foco fro,Tf. AB Cesin de calorQoutal foco fro a temperaturaTf. BC
Calentamiento adiabtico desde la temperatura del foco fro,Tfa la
temperatura del foco caliente,Tc.Aplicando este resultado al caso
de un gas ideal, se llega a que el rendimiento de una mquina que
operara segn el ciclo de Carnot es
9. En un ciclo termodinmico cualquiera, que valores tendrn la
energa interna y la entalpia? Por qu? 10.- Si tenemos la grafica de
P vs V, De qu manera podemos obtener el trabajo?Se puede encontrar
el punto donde se interceptan las lneas de la presin y del cambio
de volumen, ya que por definicin el trabajo es igual a la presin
multiplicada por el cambio de volumen.
11.- Qu se demuestra o explica con la segunda ley de la
termodinmica?La segunda ley de la termodinmica indica que es
imposible para cualquier mquina actuando por si mismo llevar calor
continuamente desde un cuerpo a otro que se encuentra a una
temperatura ms alta.Esta ley implica que para llevar calor
continuamente desde un cuerpo fro a otro ms caliente es necesario
suministrar energa o trabajo por una fuente externa.
12.- Qu ley establece que solo cuerpos calientes pueden
transferir calor a cuerpos fros, y no de forma viceversa?Ley cero
de la termodinmica
13.- Exprese su concepto de entropa y explqueloLa entropa se
explica en la segunda ley de la termodinmica y es una medida de
orden entre las molculas, entre ms entropa ms desorden y entre
menos entropa ms orden.Adems esta permite determinar la parte de la
energa que no puede usarse para hacer un trabajo.
14.- Cmo se comporta la entropa en procesos reversibles, y en
irreversibles?
La entropa de un sistema aislado que experimenta un cambio
siempre se incrementa. En un proceso reversible la entropa del
sistema aislado permanece constante, y en uno irreversible esta
aumenta.
15.- Cmo relacionamos la tercera ley de la termodinmica con el
cero absoluto?Debido a que esta ley afirma que no se puede alcanzar
el cero absoluto en cierto nmero de etapas ya que al llegar al cero
absoluto cualquier proceso de un sistema fsico se detiene.
BIBLIOGRAFIAhttp://www2.ib.edu.ar/becaib/cd-ib/trabajos/Gobbi.pdfhttp://termodinamica12.mxhttp://www.lfp.uba.arhttp://arquimedes.matem.unam.mx/