Lab. 3 Calor Especifico Liq Fq

CALOR ESPECÍFICO DE LOS LIQUIDOS Carlos Grimaldo Caro1, Keiner Ferreira Ortega2, Ana Yucuna Matapi3, Melissa Rico Sarmiento4,Zharck Atia Díaz5 …, Johannys Ochoa Quintero2 Grupo 19 de laboratorio de Fisicoquímica. Programa de Licenciatura en Biología y Química. Facultad de Educación. Universidad del Atlántico. Km 7 antigua vía a Puerto Colombia. RESUMEN Comprobar el calor específico de una muestra liquida mediante diferentes temperaturas; una muestra fría y una muestra caliente. Se aislaron térmicamente las paredes de sistema y con esto se desea comprobar el calor especifico entre ambas muestras teniendo encuentra la temperatura de equilibrio que hubo en el sistema que se encontraba INTRODUCCIÓN La calorimetría históricamente se desarrolló como una técnica para fabricar aparatos (calorímetro) y procedimientos que fueran útiles para la medición cuantitativa de intercambio de calor, ya sea el calor absorbido o desprendido en un sistema, sobre todo en donde se presentan reacciones de tipo mecánicas, eléctricas, químicas, entre otras. El calor no es energía que se pueda almacenar, es energía en movimiento y que solo puede ser cuantificada cuando es transferida de un sistema a otro, cuando este se encuentra a diferentes temperaturas. En la calorimetría se utiliza un aparato capaz de cuantificar la cantidad de calor que es cedida o absorbida por un sistema, cuenta con un dispositivo capaz de medir la temperatura (termómetro) y un agitador, estos dos dispositivos están ubicados a través de dos orificios en la tapadera del calorímetro, dicho sistema intenta ser lo más adiabático posible para así disminuir la transferencia de calor hacia los alrededores al mínimo. Dicho aparato es llamado calorímetro. Existen diferentes tipos de calorímetros, entre ellos tenemos los siguientes:       

Calorímetro isobárico Calorímetro isocorico Calorímetro adiabático Calorímetro foto acústico Calorímetro isoperibolico Bomba calorimetría Calorímetro artesanal o arcaico.

Estos son solo algunos tipos de calorímetros y cada uno de ellos busca determinar las variaciones en la temperatura bajo diferentes condiciones. Los calorímetros suelen incluir su equivalente (equivalente en agua) y de esta manera facilitar los cálculos, pero para hallar dichos equivalentes se necesita de su capacidad calorífica, dicha capacidad calorífica se calcula a partir de la masa del calorímetro multiplicado por su calor especifico. A esta capacidad calorífica la denominaremos k. como 1 Correo electrónico de contacto: [email protected] 2 Docente a cargo del laboratorio

el calor especifico del agua es 1 cal/°C. gr, esto nos lleva a considerar una masa de K gramos de agua, que absorbería o cedería la misma cantidad de calor que el calorímetro, para la misma variación de temperatura. Por eso a K se le llama equivalente en agua del calorímetro. El valor de K se refiere tanto al recipiente como a sus accesorios; el termómetro y el agitador. Si dentro del calorímetro tenemos una masa de agua M1 a la temperatura T1, y la mezclamos con otra masa de agua M2 a la temperatura T2, una vez alcanzado el equilibrio térmico, el conjunto se encontrará a la temperatura de equilibrio T. Si K es el equivalente en agua del calorímetro y T2 < T < T1, el balance energético es: (M1 c +K) (T1 – T) = M2 c (T – T2) Q cedido

= Q absorbido

De donde: K = M2c ((T-T_2))/((T_1-T)) – M1c Siendo c el calor específico del agua; c = 1cal/g ºC. Consideraremos que está determinado con un error absoluto de ±0,1 cal/g ºC. Se ha mencionado a la capacidad calorífica y el calor especifico por lo cual se explicará con más detalle que quieren decir estos términos. En la capacidad calorífica se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a toda el área de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). La capacidad calorífica (C) de un sistema físico depende de la cantidad de sustancia o masa de dicho sistema. Mientras que el calor especifico es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). En general, el valor del calor específico depende de dicha temperatura inicial. El calor específico es una propiedad intensiva de la materia, por lo que es representativo de cada sustancia; por el contrario, la capacidad calorífica es una propiedad extensiva representativa de cada cuerpo o sistema particular. Cuanto mayor es el calor específico de las sustancias, más energía calorífica se necesita para incrementar la temperatura. Por ejemplo, se requiere ocho veces más energía para incrementar la temperatura de un lingote de magnesio que para un lingote de plomo de la misma masa. La entalpia es una propiedad extensiva (depende de la cantidad de materia presente) que se puede emplear para obtener el calor absorbido o desprendido por una reacción química. La entalpía es una función de estado. Definición de Entalpía de Formación Primero debemos definir la reacción química de Formación: ésta es la reacción que produce un mol de la sustancia a partir de sus elementos en su forma mas estable. Por ejemplo, la reacción de formación del propano, C3H8 (g) se denota de la manera siguiente: 3 C(grafito) + 4H2(g) → C3H8(g) La entalpía de formación será el calor que se produce o que se necesita para formar un mol de un compuesto a partir de sus elementos en su forma más estable. La entalpía estándar de formación, se denota de la manera siguiente:

Nos indica el calor de formación de los compuestos para condiciones estándares. Por convención los valores de la Entalpías estándar de formación a 298 K, para elementos en su forma más estable, se les asigna el valor de cero. En la tabla siguiente, se muestran entalpías estándares de formación para diferentes sustancias. Observa los valores de estas entalpías para el carbono en sus diferentes estados alotrópicos (grafito, diamante) se puede comprobar que el grafito es la forma elemental más estable del carbono, también analiza los valores del O (g); O2(g) y O3(g). Para una reacción genérica: aA + bB → cC + dD Se puede calcular el Calor de Reacción a partir de las entalpías de formación, de las sustancias que conforman los productos y las que conforman los reactantes. Tengan en cuenta que la variación de cualquier variable está determinada por la diferencia entre la posición final (productos) y la posición inicial (reactantes). Por lo tanto, se puede calcular la Entalpia de reacción estándar de la reacción, como la diferencia entre la sumatoria de las entalpías de formación de productos, menos la sumatoria de las entalpías de formación de los reactantes. El cálculo de la Entalpía de Formación estándar para la reacción genérica planteada, será: Tengan en cuenta que cada valor de entalpía de formación de las sustancias, ya sean reactantes o productos está multiplicada por el indice estequiométrico presente en la reacción. Por lo que primero de l cambio de entalpía coincide con el calor intercambiado en el cambio de fase, ΔH=qp.  La variación de energía interna se calcula con el primer principio, ΔU=qp+w Calentamiento a presión constante sin cambio de fase, comenzamos calculando el trabajo,  .  El calor intercambiado coincide con el cambio de entalpía que puede obtenerse a partir de la siguiente ecuación: ecuación válida a P constante. El cambio de energía interna se calcula con el primer principio: ΔU=qp+w Calentamiento a volumen constante sin cambio de fase, dado que el volumen se mantiene constante w=0 y el calor es igual a la variación de energía interna, que se puede calcular con la ecuación:    El cambio de entalpía debe calcularse a partir del cambio de energía interna con la expresión, ΔH=ΔU+Δ(PV) , que a volumen constante queda: ΔH=ΔU+VΔP. Expansión adiabática de un gas perfecto en el vacío, en una expansión contra en vacío no se realiza trabajo w=0.  Como el proceso es adiabático no hay intercambio de calor q=0. Por el primer principio la variación de energía interna también es nula. El cálculo del

cambio de entalpía puede realizarse con la ecuación, ΔH=ΔU+PΔ(PV)=ΔU+nRΔT=0.  En este proceso no puede existir cambio de temperatura ya que supondría cambio en la energía interna del gas. Ley de Hess: Hess enuncio una ley muy importante aplicada a la termoquímica. ¨La variación de Entalpía en una reacción química va ser la misma si esta se produce en una sola etapa o en varias etapas¨. Es decir, que la suma de los ∆H de cada etapa de la reacción nos dará un valor igual al ∆H de la reacción cuando se verifica en una sola etapa. Esta ley ha sido muy utilizada para la resolución de problemas que a veces causan muchas dificultades para los alumnos, pero en realidad veremos que es sencilla. Básicamente nos dan varias reacciones, pero nos preguntan por una en especial. Entonces lo que tenemos que hacer es, combinarlas de tal forma que luego de cancelar varios términos solo nos quede la reacción específica que nos preguntan. Se usan movimientos matemáticos, como multiplicación, inversión y cambio de signo, etc. METOGOLOGIA EXPERIMENTO 1 – DETERMINACIÓN DE CALOR ESPECIFICO DE UN REFRIGERANTE PARA MOTOR Se hizo uso de la herramienta tecnológica o simulador para la determinación de calor especifico de un refrigerante para motor. Haciendo uso de la balanza, dos matraces Erlenmeyer, vaso de icopor agregando 25 ml y se determinó su masa. Se aísla térmicamente de las paredes a una temperatura (60 – 80 °c y 25 y 35°C) . Se registró las dos muestras de temperatura y así se logra determinar el calor específico. Pregunta: ¿El compuesto? Y tendrá mayor capacidad calorífica que el etilenglicol (2.200 J/g °C)? El etilenglicol es menor porque se utilizó un refrigerante para motor por sus propiedades y refrigerantes como: Una gran capacidad calorífica que permita la conductividad térmica necesaria para evacuar el calor sobrante del funcionamiento del motor, punto de ebullición, temperatura de congelación baja, entre otras. ¿Qué son el calor específico y la capacidad calorífica de una sustancia? El calor específico es la cantidad de calor que se necesita por unidad de masa para elevar la temperatura un grado Celsio. La relación entre calor y cambio de temperatura, se expresa normalmente en la forma que se muestra abajo, donde c es el calor específico. Esta fórmula no se aplica si se produce un cambio de fase, porque el calor añadido o sustraído durante el cambio de fase no cambia la temperatura.

El calor específico del agua es 1 caloría/gramo °C = 4,186 julios/gramo °C que es mas alto que el de cualquier otra sustancia común. Por ello, el agua desempeña un papel muy importante en la regulación de la temperatura

(Enfriamiento de la muestra A)

(Enfriamiento de la muestra B )

Q caliente + Q frio =0 Q= MM fría x Cesp x( Eequilibrio – Tmfria) +Mm caliente (Teq-Tm caliente)= 0 Cesp= 1 ÷ Mm fría ( Teq – Tm fría) + Mm cal (Tequilibrio- Tm caliente) Cesp= 1 ÷ 5 gr (50 °c -30 °c) + 4.6 gr (50°c -70°c) Cesp= 1 ÷ 5 gr (20 °c) + 4.6 gr (-20°c) =

1÷ (100 gr/°c + -92 gr/°c)

= 1÷ 8 gr/°c =0,125 gr/ °c EXPERIMENTO 2 – UN CAFÉ CON LA TEMPERATURA DESEADA Se hizo uso de la herramienta tecnológica o simulador llamado laboratorio virtual: problema de café para determinar la cantidad de leche requerida para la mezcla de café con

leche a una temperatura de 90°C, haciendo uso de 2 vasos de precipitados de 250mL , un matraz de 1000mL , solución de café 250mL y leche 100 mL . Donde se agregó 250mL de café con una temperatura de 95°C y 15.57mL de leche con una temperatura de 10°C en los vasos precipitados, se mezcló las cantidades mencionadas anteriormente en el matraz de 1000mL permitiendo la verificación de los cálculos obtenidos.

Cesp= 4.186J/g

Teq= 90°

Tleche = 10°

M café = 250g

Tcafé = 95°

M leche * Cesp * ( Teq – Tleche) + M café * Cesp (Teq - Tcafé)= 0 M Leche * 4.186 J/g (90°c - 10°c) + 250 gr * 4.186 J/g (90°c - 95°c) = 0 M Leche * 4.186 J/g (80°c) + 250 g * 4.186 J/g (-5°c) = 0 M Leche * 4.186 J/g (80°c) + 1046.5 J/°c (-5°c) = 0 M Leche * 334.88 J/g - 5232.5 J = 0 M Leche * 334.88 J/g = 5232.5 J M Leche =

5232.5 J 334.88 J /g

M Leche = 15.57 g