Objetivo: El alumno determinara con los datos obtenidos en el laboratorio el trabajo desarrollado en un proceso termodinámico. Material:
1 vaso de precipitados de 250 ml. 1 termómetro. 1 pinza para vaso. 1 pinza universal. 1 mechero, anillo y tela c/asbesto. 1 jeringa de plástico graduada de 20 ml. 1 termómetro. 1 pesa de plomo grande.
Reactivos: PDF = 585mmHg 760mmHg = 1.013x106 dinas/cm2 M embolo = 8g. D int = 1.82 cm. 1 cal = 41.3 atm*cm3
Procedimiento. Primera parte.
1. Monte la jeringa como se indica en la figura 1 (sin la pesa de Plomo), anote el volumen inicial, a continuación ponga arriba del embolo la pesa de plomo, presione ligeramente y anote el volumen final (V2), a continuación quite la pesa de plomo y anote el nuevo volumen. Segunda parte.
1. Monte la jeringa como se indica en la figura 2. 2. Presione ligeramente y tome el volumen correspondiente a la temperatura ambiente del agua. 3. Calentar hasta 60°C, presionar ligeramente y anotar el volumen. 4. Continúe calentando y anotando los volúmenes a 80°C, 90°C y temperatura de ebullición del agua. Nota: el embolo de la jeringa debe estar lubricado.
Cuestionario Registre los datos obtenidos en el laboratorio.
Considerando que en la primera parte la temperatura permanece constante, calcular el trabajo realizado en un proceso isotérmico. W=nRTln(V2V1) Con los datos obtenidos en la segunda pate, calcular el trabajo realizado por el gas en cada una de las etapas. Como la presión permaneció constante: W=P(Vf-Vi) Determinar el trabajo total realizado por el gas. W=P(V5-V1) Compare el punto 4 con el obtenido en el punto 3 (sumando los trabajos de cada una de las etapas). Si hay alguna diferencia indique porque.
Cálculos PEmbolo=FA=mgA=8g98cm-22.60cm2=0.003015385x106dinascm2 P1=PDF+PEM=0.7797434x106 dinas cm-2+0.003015x106dinascm2=0.781758x106dinas cm-2 P1=0.781758x106dinas cm-2(760mmHg)1.013x10-6dinas cm-2=589.69 mmHg P1=589.69mmHg(1atm)760mmHg=0.77atm Tabla 1. n=P1V1RTamb=0.77 atm5x10-4l0.082 atm lmol °K293 °K=1.60x10-5mol Tabla 2. W=P(Vf-Vi) W1=PV2-V1=0.77atm5.5cm3-5cm3=0.385 W1=PV2-V1=0.77atm5.5cm3-5cm3=0. 385 atm cm3 W1=9.32x10-3cal(4.184 J)1cal=0.038 J W2=PV3-V2=0.77atm6cm3-5.5cm3=0.385 W2=PV3-V2=0.77atm6cm3-5.5cm3=0. 385 atm cm3 W2=9.32x10-3cal(4.184 J)1cal=0.038 J W3=PV4-V3=0.77atm6.3cm3-6cm3=0.231 W3=PV4-V3=0.77atm6.3cm3-6cm3=0. 231 atm cm3 W3=5.59x10-3cal(4.184 J)1cal=0.023 J W4=PV5-V4=0.77atm6.7cm3-6.3cm3=0.308 W4=PV5-V4=0.77atm6.7cm3-6.3cm3= 0.308 atm cm3 W4=7.45x10-3cal(4.184 J)1cal=0.031 J WT=PV5-V1=0.776.7cm3-5cm3=1.309 WT=PV5-V1=0.776.7cm3-5cm3=1. 309 atm cm3 WT=1.309 atm cm3(1 cal)41.3 atm cm3=0.031x10-3cal WT=0.031x10-3cal(4.184 J)1cal=0.129 J WTmetodo1=0.031x10-3cal=0.031x10-3 WTmetodo1=0.031x10-3cal=0.0 31x10-3 cal=WTmetodo2 WTmetodo1=0.13 J≈0.129 J=WTmetodo2
Consideraciones teóricas de Termodinámica. Así, los sistemas termodinámicos que podemos estudiar, se pueden clasificar en:
Cerrados: son aquellos que pueden intercambiar energía, aunque no materia, con los alrededores. Abiertos: aquellos que pueden intercambiar materia y energía. Aislados: que no pueden intercambiar ni materia ni energía. Homogéneos: las propiedades termodinámicas tienen los mismos valores en todos los puntos del sistema. El sistema está constituido por una sola fase. Heterogéneos: las propiedades termodinámicas termodinámicas no son las mismas en todos los puntos del sistema. El sistema está constituidos por varias fases, separadas entre sí por una "frontera" llamada interface. Muy importante es indicar que las variables termodinámicas solo están definidas definidas cuando el sistema está en equilibrio termodinámico. Esto significa que se den simultáneamente tres situaciones: Equilibrio térmico (que la temperatura no cambie). Equilibrio químico (que su composición no cambie). Equilibrio mecánico (que no se produzcan movimientos en el sistema). Algunos nombres para procesos específicos en los que el sistema cambia de estado son: Proceso isotérmico: la T permanece constante. Proceso isobárico: la P permanece constante. Proceso isométrico: el V permanece constante. El Primer Principio de la Termodinámica se refiere a que sólo pueden ocurrir procesos en los que la Energía total del Universo se conserva. Segundo principio: “Cualquier proceso que ocu rre espontáneamente produce un aumento de entropía del universo” Tercer principio: “La entropía de un elemento puro en su forma condensada estable (sólido o líquido) es cero cuando la temperatura tiende a cero y la presión es de 1 bar” de acuerdo con lo anterior, “En
cualquier proceso isotérmico que implique sustancias puras, cada una en equilibrio interno, la variación de entropía tiende a cero cuando la temperatura tiende a cero” . Calor y trabajo Relación entre calor y trabajo Si calor y trabajo son ambos formas de energía en tránsito de unos cuerpos o sistemas a otros, deben estar relacionadas entre sí. La consolidación de la noción de calor como una forma más de energía, hizo del equivalente mecánico un simple factor de conversión entre unidades diferentes de una misma magnitud física. Máquinas térmicas Junto a la conversión de trabajo en calor puesta de manifiesto en las experiencias de Joule, la transformación efectuada en sentido inverso es físicamente realizable. Los motores de explosión que mueven, en general, los vehículos automóviles y la máquina de vapor de las antiguas locomotoras de carbón, son dispositivos capaces de llevar a cabo la transformación del calor en trabajo mecánico. Este tipo de dispositivos reciben el nombre genérico de máquinas térmicas. En todas las máquinas térmicas el sistema absorbe calor de un foco caliente; parte de él lo
transforma en trabajo y el resto lo cede al medio exterior que se encuentra a menor temperatura. Ninguna máquina térmica alcanza un rendimiento del cien por cien. Esta limitación no es de tipo técnico, de modo que no podrá ser eliminada cuando el desarrollo tecnológico alcance un nivel superior al actual; se trata, sin embargo, de una ley general de la naturaleza que imposibilita la transformación íntegra de calor en trabajo. MOTORES DE COMBUSTION INTERNA. Son los que usan comúnmente los automóviles. Se llaman también motores de explosión. Estos nombres les fueron asignados debido a que el combustible se quema en el interior del motor y no es un dispositivo externo a él, como en el caso de los motores diesel. ¿CÓMO TRABAJAN LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA? Estos motores trabajan en cuatro tiempos que son la admisión, la compresión, la explosión y el escape. En el primer tiempo o admisión, el cigüeñal arrastra hacia abajo el émbolo, aspirando en el cilindro la mezcla carburante que está formada por gasolina y aire procedente del carburador.
En el segundo tiempo se efectúa la compresión. El cigüeñal hace subir el émbolo, el cual comprime fuertemente la mezcla carburante en la cámara de combustión. En el tercer tiempo, se efectúa la explosión cuando la chispa que salta entre los electrodos de la bujía inflama la mezcla, produciéndose una violenta dilatación de los gases de combustión que se expanden y empujan el émbolo, el cual produce trabajo mecánico al mover el cigüeñal, que a su vez mueve las llantas del coche y lo hace avanzar. Por último, en el cuarto tiempo, los gases de combustión se escapan cuando el émbolo vuelve a subir y los expulsa hacia el exterior, saliendo por el mofle del automóvil.
Naturalmente que la apertura de las válvulas de admisión y de escape, así como la producción de la chispa en la cámara de combustión, se obtienen mediante mecanismos sincronizados sincronizados en el cigüeñal. De acuerdo a la descripción anterior, comprendemos que si la explosión dentro del cilindro no es suave y genera un tirón irregular, la fuerza explosiva golpea al émbolo demasiado rápido, cuando aún está bajando en el cilindro. Este efecto de fuerzas intempestivas sacude fuertemente la máquina y puede llegar a destruirla. Cuando esto sucede se dice que el motor está "detonando" o "cascabeleando", efecto efecto que se hace más notorio al subir alguna pendiente. Indudablemente que este fenómeno también se observa cuando el automóvil está mal carburado, o sea que no tiene bien regulada la cantidad de aire que se mezcla con la gasolina. Sin embargo, cuando éste no es el caso, el cascabeleo se deberá al tipo de gasolina que se está usando, la cual a su vez depende de los compuestos y los aditivos que la constituyen, o sea de su octanaje.
FACTORES CONVERSION COMUNES
1 pulgada (1") = 2,54 cm 1 pie (1') = 30,48 cm l libra (1 lb) = 0,4536 kg 2202,6 libras = 1 tonelada (1 ton) 1 lb/pulg² = 6,895 kPa 1 pulg de mercurio (Hg) = 3,386 kPa 1 pulg agua = 249 Pa 1 atmósfera (1 atm) = 101,325 kPa 1 BTU (British Thermal Unit) = 1,054 kJ 1 hph = 2,685 MJ 1 hp = 746 W 1,34 hp = 1 kW
CONVERSION DE TEMPERATURA
ºC = (ºF - 32)x 0,555 ºF = 1,8xºC + 32 CONVERSION DE PRESIÓN
1 atmósfera (1 atm) = 40,68 pulg agua 1 atmósfera (1 atm) = 0,76 pulg mercurio 1 atmósfera (1atm) = 14,70 lb/pulg² 1 atmósfera (1atm) = 101300 NT/m² 1 pulgada de agua = 0,1868 cm mercurio 1 pulgada de agua = 0,03613 lb/pug² 1 pulgada de agua = 249,1 NT/m² 1 pulgada de mercurio = 0,1934 lb/pulg² 1 pulgada de mercurio = 1333 NT/m² 1 libra/pulgada² = 6895 NT/m²
CONVERSIÓN DE ENERGÍA 1 Unidad térmica británica = 1 Btu = 0,0003929 hp-hora
1 Unidad térmica británica = 1 Btu = 777,9 pie-libra 1 Unidad térmica británica = 1 Btu = 252 calorías 1 Unidad térmica británica = 1 Btu = 0,000293 kw-hora 1 caballo de fuerza-hora = 1 hp-hora = 1980000 pie-libra 1 caballo de fuerza-hora = 1 hp-hora = 641400 calorías 1 caballo de fuerza-hora = 1 hp-hora = 0,7457 kw-hora 1 pie-libra = 1 pie-lb = 0,3239 cal 1 pie-libra = 1 pie-lb = 37660000 kw-hora 1 caloría = 1 cal = 0,000163 kw-hora kw -hora 1 Unidad térmica británica/hora = 1 Btu/hora = 0,2161 lb-pie/seg lb -pie/seg 1 Unidad térmica británica/hora = 1 Btu/hora = 0,0003929 hp 1 Unidad térmica británica/hora = 1 Btu/hora = 0,07 cal/seg 1 Unidad térmica británica/hora = 1 Btu/hora = 0,000293 kw 1 libra-pie/seg = 1 lb-pie/seg = 0,001818 hp 1 libra-pie/seg = 1 lb-pie/seg = 0,3239 cal/seg 1 libra-pie/seg = 1 lb-pie/seg = 0,001356 kw 1 caballo de fuerza = 1 hp = 178,2 cal/seg 1 caballo de fuerza = 1 hp = 0,7457 kw 1 caloría/segundo = 1 cal/seg = 0,004186 kw CONSTANTES DE INTERÉS
Calor específico del agua a 0ºC
4217.6 J/K·kg
1 cal/K·g
Calor específico del aire seco a presión constante y 0ºC
1004.67 J/K·kg
0.24 cal/K·g
Calor específico del aire seco a volumen constante
717.63 J/K·kg
0.171 cal/K·g
Calor específico del hielo a 0ºC
2106 J/kg·K
0.5 cal/K·g
Calor específico del vapor agua a 0ºC 0 ºC (presión constante)
1850 J/K·kg
0.44 cal/K·g
Calor específico del vapor agua a 0ºC 0 ºC (volumen constante)
1390 J/K·kg
0.331 cal/K·g
Calor específico del vapor agua a 15ºC 1 5ºC (presión constante)
1875 J/K·kg
Calor latente de fusión del hielo a 0ºC
0.334 · 106 J/kg
Calor latente de sublimación del agua a 0ºC
2.83 · 106 J/kg
Calor latente de vaporización del agua a 0ºC
2.50 · 106 J/kg
595 cal/g
Calor latente de vaporización del agua a 100ºC
2.26 · 106 J/kg
540 cal/g
Calor latente de vaporización del agua a 20ºC
2.45 · 106 J/kg
585 cal/g
Conclusión: Si calentamos el agua en un recipiente r ecipiente y una jeringa tiene contacto con
80 cal/g
el agua que se está calentando entonces el calor del agua es transferido a la jeringa y esta al gas que hay en la jeringa sellada y por lo siguiente el gas al aplicarle diferentes tipos de fuerzas y a diversas temperaturas este se comportara de forma diferente para cada caso.
Bibliografía: Umland Bellama. Química general 1°ed. Internacional Thomson, 2000. D. f. Shriver, P. W. Atwins, C. H. Langford. Química inorgánica. Ed. Reverte S. A. Whitten, Davis, Peck. Química Química general. 5°ed. Mc Graw Hill. Shelman Alan Shelman Sharon Russkoff Leonel. Conceptos básicos de química. Compañía edit. Continental SA DE CV. MEXICO. Raymond Chang. Química. 6°ed. Mc Graw Hill.
