Practica 5 Y 6 Termo

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS DEPARTAMENTO DE FORMACIÓN BÁSICA LABORATORIO DE TERMODINÁMICA BÁSICA II

Practica número cinco y seis

“DETERMINACION DEL CALOR TOTAL EN UN PROCESO DE FUSION DE UNA SUBSTANCIA PURA Y DETERMINACION DE LA ESPONTANEIDAD DE LA FUSION DE ESA SUSTANCIA PURA.”

Grupo: 1IM44

Sección: B

Turno: Matutino

Fecha de entrega: Martes 24 de octubre de 2011.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS DEPARTAMENTO DE FORMACIÓN BÁSICA LABORATORIO DE TERMODINÁMICA DE LAS SUSTANCIAS PURAS. Practica número ocho “DETERMINACIÓN DEL CALOR TOTAL EN UN PROCESO DE FUSIÓN DE UNA SUBSTANCIA PURA Y DETERMINACIÓN DE LA ESPONTANEIDAD DE LA FUSIÓN DE ESA SUSTANCIA PURA.” OBJETIVO: Determinar si el proceso es adiabático y espontáneo, mediante los cálculos del calor total transferido y la entropía formada en dicho proceso. FUNDAMENTOS TEÓRICOS. La termodinámica es la Ciencia que estudia la conversión de unas formas de energías en otras. En su sentido etimológico, podría decirse que trata del calor y del trabajo, pero por extensión, de todas aquellas propiedades de las sustancias que guardan relación con el calor y el trabajo. La Termodinámica se desarrolla a partir de cuatro Principios o Leyes: • Principio Cero: permite definir la temperatura como una propiedad. • Primer Principio: define el concepto de energía como magnitud conservativa. • Segundo Principio: define la entropía como magnitud no conservativa, una medida de la dirección de los procesos. •Tercer Principio: postula algunas propiedades en el cero absoluto de temperatura.

LEY CERO.

La Ley cero de la termodinámica nos dice que si tenemos dos cuerpos llamados A y B, con diferente temperatura uno de otro, y los ponemos en contacto, en un tiempo determinado t, estos alcanzarán la misma temperatura, es decir, tendrán ambos la misma temperatura. Si luego un tercer cuerpo, que llamaremos C se pone en contacto con A y B, también alcanzará la misma temperatura y, por lo tanto, A, B y C tendrán la misma temperatura mientras estén en contacto. De este principio podemos inducir el de temperatura, la cual es una condición que cada cuerpo tiene y que el hombre ha aprendido a medir mediante sistemas arbitrarios y escalas de referencia (escalas termométricas). LA PRIMERA LEY La Primera ley de la termodinámica se refiere al concepto de energía interna, trabajo y calor. Nos dice que si sobre un sistema con una determinada energía interna, se realiza un trabajo mediante un proceso, la energía interna del sistema variará. A la diferencia de la energía interna del sistema y a la cantidad de trabajo le denominamos calor. El calor es la energía transferida al sistema por medios no mecánicos. Pensemos que nuestro sistema es un recipiente metálico con agua; podemos elevar la temperatura del agua por fricción con una cuchara o por calentamiento directo en un mechero; en el primer caso, estamos haciendo un trabajo sobre el sistema y en el segundo le transmitimos calor. Cabe aclarar que la energía interna de un sistema, el trabajo y el calor no son más que diferentes manifestaciones de energía. Es por eso que la energía no se crea ni se destruye, sino que, durante un proceso solamente se transforma en sus diversas manifestaciones. LA SEGUNDA LEY Por último, vamos a ver el contenido de la segunda ley de la termodinámica. En términos más o menos sencillos diría lo siguiente: "No existe un proceso cuyo único resultado sea la absorción de calor de una fuente y la conversión íntegra de este calor en trabajo". Este principio (Principio de Kelvin-Planck) nació del estudio del rendimiento de máquinas y mejoramiento tecnológico de las mismas. Si este principio no fuera cierto, se podría hacer funcionar una central térmica tomando el calor del medio ambiente; aparentemente no habría ninguna contradicción, pues el medio ambiente contiene una cierta cantidad de energía interna, pero debemos señalar dos cosas: primero, la segunda ley de la termodinámica no es una consecuencia de la primera, sino una ley independiente; segundo, la segunda ley nos habla de las restricciones que existen al utilizar la energía en diferentes procesos, en nuestro caso, en una central térmica. No existe una máquina que utilice energía interna de una sola fuente de calor.

El concepto de entropía fue introducido por primera vez por R. J. Clausius a mediados del siglo XIX. Clausius, ingeniero francés, también formuló un principio para la Segunda ley: "No es posible proceso alguno cuyo único resultado sea la transferencia de calor desde un cuerpo frío a otro más caliente". En base a este principio, Clausius introdujo el concepto de entropía, la cual es una medición de la cantidad de restricciones que existen para que un proceso se lleve a cabo y nos determina también la dirección de dicho proceso. Vamos ahora a hablar de las tres acepciones más importantes de la palabra entropía. ¿QUÉ ES LA ENTROPÍA? La entropía se define como una medida de la termodinámica, que representa a la fracción de energía en un sistema que no está disponible para poder realizar o llevar a cabo un trabajo específico. También se define como una medida del orden o restricciones para llevar a cabo un trabajo La entropía surgió en una primera instancia en el campo de la física, pero en la actualidad es aplicable a muchas otras áreas, como por ejemplo la administración y la economía. Éstos últimos en el sentido de un flujo de energías, siendo la entropía una energía negativa que entorpece la ejecución del trabajo; la entropía en un sistema representa la tendencia al desorden o desorganización propia del trabajo. Por el contrario a la entropía, se encuentra la neguentropía que se refiere a la energía positiva del sistema, es decir, le da mayor fluidez a las energías circundantes. La entropía no es un valor absoluto. Se mide calculando la diferencia de la entropía inicial de un sistema (Si) y la entropía final (Sf). Por lo tanto la entropía de un sistema sólo se puede calcula si este último ha sufrido variaciones en las condiciones normales del sistema. La entropía posee el símbolo S. Algunos sistemas pueden revertir los cambios que se pudieron haber realizado, a esto se les llama proceso reversible, cuya variación de entropía es cero. En cambio si el cambio de las condiciones en el sistema no puede volver a la normalidad se habla de un proceso irreversible, donde su entropía sería mayor que cero. En la naturaleza sólo se han visto procesos irreversibles. Por lo tanto se concluye que los sistemas tienden al desorden, en otras palabras, a aumentar su entropía. Con la segunda ley de la termodinámica se concluyó que en un sistema, la entropía nunca puede decrecer, y en el caso de que haya alcanzado la máxima entropía, el sistema no podrá experimentar cambios, de esta manera habría alcanzado su máximo equilibrio.

ENUNCIADO DE CLAUSIUS.

El término "entropía" lo introdujo el físico alemán Rudolf J. E. Clausius en 1850 para representar el grado de uniformidad con que está distribuida la energía, sea de la clase que sea. Cuanto más uniforme, mayor la entropía. Cuando la energía está distribuida de manera perfectamente uniforme, la entropía es máxima para el sistema en cuestión. Clausius observó que cualquier diferencia de energía dentro de un sistema tiende siempre a igualarse por sí sola. Si se coloca un objeto caliente en contacto con otro frío, el calor fluye de manera que el primero se enfría y el segundo se calienta, hasta que ambos quedan a la misma temperatura. Si tenemos dos depósitos de agua comunicados entre sí y el nivel de uno de ellos es más alto que el del otro, la atracción gravitatoria hará que el primero baje y el segundo suba, hasta que ambos niveles se igualan y la energía gravitatoria queda distribuida uniformemente. Clausius afirmó por tanto que en la naturaleza era regla general que las diferencias en las concentraciones de energía tendían a igualarse. O digámoslo así: que "la entropía aumenta con el tiempo". El estudio del flujo de energía desde puntos de alta concentración a otros de baja concentración se llevó a cabo de modo especialmente complejo en relación con la energía térmica. Por eso, el estudio del flujo de energía y de los intercambios de energía y trabajo recibió el nombre de "termodinámica", que en griego significa "movimiento de calor". Con anterioridad se había llegado ya a la conclusión que la energía no podía ser destruida ni creada. Esta regla es tan fundamental que se la denomina "primer principio de la termodinámica". La idea sugerida por Clausius que la entropía aumenta con el tiempo es una regla general no menos básica, y se denomina "segundo principio de la termodinámica". ENTROPÍA Y ORDEN En la mayoría de los procesos naturales intervienen billones y billones de átomos que se pueden mover en infinidad de direcciones. Si, por casualidad, la disposición de átomos estuviera en un principio sometida a alguna clase de orden, es casi seguro que cualquier movimiento aleatorio, cualquier cambio espontáneo, disminuiría ese orden, o por decirlo de otra manera, aumentaría el desorden.

De acuerdo con el segundo principio de la termodinámica, la entropía del universo está en constante aumento; es decir, la distribución de energía en el universo está constantemente igualándose. Puede demostrarse que cualquier proceso que iguala las concentraciones de energía aumenta también el desorden. Por consiguiente, esta tendencia a incrementar el desorden en el universo con los movimientos aleatorios libres de las partículas que lo componen no es sino otro aspecto del segundo principio, y la entropía cabe considerarla como una medida del desorden que existe en el universo. Miradas las cosas de esta manera, es fácil ver la mano del segundo principio por doquier, porque los cambios naturales actúan claramente en la dirección del desorden; para restaurar el orden hace falta un esfuerzo especial, y su esfuerzo cae sobre nuestras espaldas. Los objetos se descolocan, las cosas se desordenan, los vestidos se ensucian... Y para tener las cosas a punto es preciso estar constantemente arreglando y limpiando el polvo y ordenando. Quizá sirva de consuelo pensar que todo esto es el resultado de una gran ley cósmica. TRANSFERENCIA DE ENTROPIA. La entropía esta relacionada con la aleatoriedad del movimiento molecular (energía térmica), por esto, la entropía de un sistema no decrece si no hay cierta interacción externa. Ocurre que la única manera que el hombre conoce de reducir la energía térmica es transferirla en forma de calor a otro cuerpo, aumentando así la energía térmica del segundo cuerpo y por ende su entropía. Por otro lado transfiriendo energía térmica es posible reducir la entropía de un cuerpo. Si esta transferencia de energía es reversible, la energía total permanece constante, y si es irreversible la entropía aumenta. De lo anterior se concluye que el calor es un flujo de entropía. En el caso de la transferencia de energía mecánica y de trabajo, no hay un flujo directo de entropía. Si la transferencia de energía mecánica en un sistema se realiza con irreversibilidad se producen aumentos de entropía en el sistema, es decir se generan entropía. Esta generación de entropía trae consigo una perdida de trabajo utilizable debido a la degradaciones la energía mecánica producido por la irreversibilidades presentes como lo es el roce.

IRREVERSIBILIDAD Y ENTROPÍA.

Ahora nos podríamos preguntar : ¿De que depende la reversibilidad de un proceso?. Una respuesta a esto es decir que la variación de entropía es el criterio que permite establecer el sentido en que se producirán un proceso determinado que cumpla con el primer principio de la termodinámica. las variaciones de entropía por que desde su punto de vista algo se ha "perdido" cuando se ha producido un proceso irreversible, en una maquina de vapor y/o en una turbina. Lo que se ha perdido, sin embargo, no es energía, sino una oportunidad. La oportunidad de transformar energía térmica en energía mecánica. Puesto que la energía interna de una sustancia que evoluciona en una maquina térmica se recupera generalmente por absorción del calor, decimos que lo que se pierde es una oportunidad de convertir calor en trabajo mecánico. Es imposible extraer calor de una única fuente y hacer funcionar una maquina cíclica; en cambio podríamos hacer funcionar una maquina entre dos fuentes, una caliente y otra fría, extrayendo calor de una y entregándosela a la otra, y disponiendo de una parte de ese calor para producir trabajo mecánico. Una vez que las fuentes han alcanzado la misma temperatura, esta oportunidad esta irremediablemente perdida. Por lo tanto cualquier proceso irreversible en una maquina térmica disminuye su rendimiento, es decir, reduce la cantidad de trabajo mecánico que puede obtenerse con una cierta cantidad de calor absorbido por la sustancia que evoluciona. PRINCIPIO DEL AUMENTO DE ENTROPIA. Todos los procesos reales son irreversibles. Se producen a una velocidad con diferencia s finitas de temperatura y de presiones de diferentes partes de un sistema o entre un sistema y el medio ambiente. En mecánica se introducen los conceptos de energía, cantidad de movimiento y otros por que se conservan. La entropía no se conserva, sin embargo, excepto en los procesos reversibles y esta propiedad no familiar, o falta de propiedad de la función entropía, es una razón del por que existe cierto misterio sobre el concepto de entropía. Cuando se mezcla un vaso de agua caliente con uno de agua fría, el calor entregado por el agua caliente es igual al recibido por el agua fría, sin embargo la entropía del agua caliente disminuye y la del agua fría aumenta; pero el aumento es mayor que la disminución por lo que la entropía total del sistema aumenta. ¿De donde ha salido esta entropía adicional? .La respuesta es que ha sido creada durante el proceso de mezcla. Por otra parte, una vez que fue creada, la entropía no puede ser destruida. El universo debe cargar con este aumento de entropía. "La energía no puede ser4 creada ni destruida”, nos dice el primer principio de la termodinámica. “La entropía no puede ser destruida, pero puede ser creada", nos dice el segundo principio.

Material y sustancias utilizadas.

Esquema

DESARROLLO EXPERIMENTAL 1. Calibrar la balanza granataria de doble platillo. 2. Pesar el calorímetro, con el agitador y clasificarlo como masa del aluminio. 3. Armar el calorímetro, colocando el agitador y el termómetro, en los orificios de la tapa. 4. Con el termómetro, hacer lectura de la temperatura ambiente. 5. Lavar y secar la probeta graduada de 250 ml. 6. Medir 150 ml de agua en la probeta graduada. 7. Agregar al vaso interior del calorímetro los 150 ml de agua. 8. Con el agitador, agitar el agua contenida en el calorímetro en mas menos cinco minutos y hacer lectura de la temperatura inicial o hasta que esta se estabilice. 9. Agregar un trozo

de hielo, tapando y destapando rápidamente el

calorímetro, hasta que la temperatura se estabilice en más menos 2°C y todo el hielo este disuelto, registrando esta como temperatura final. 10. Con la probeta medir el volumen final del agua. 11. Hacer los cálculos correspondientes. 12. Realizar las graficas que correspondan a los cálculos realizados. 13. Elaborar las conclusiones.

Un termómetro

1 agitador de vidrio

Calorímetro cenco de mezcla

Hielo

Balanza Granataria

Franela

Probeta Graduada

EQUIPO UTILIZADO.

CALCULOS Y RESULTADOS TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES TEMPERATURA VOLUMEN TEMPERATURA MASA VOLUMEN TEMPERATURA AMBIENTAL INICIAL Vi INICIAL tI CALORIMETRO FINAL VF FINAL tF 21°C 150 ml 21°C 38.4gr. 197 ml 1.5°C

TABLA DE ECUACIONES A UTILIZAR EN LOS CALCULOS No. 1

ECUACIÓN

QTOTAL  QCalorímetro  QAgua  QHielo

Q  Joules

SIMBOLOGÍA Q = calor

QCAL  nAl Cpmedio del  Al T

n = mols CP = J/mol K T=K

n = mols CP=capacidad calorífica.

3

QH 2O  nH 2OCpmedio del  H 2O T

Q = Joules

H2O = agua

4

QHIELO  QSENSIBLE  QLATENTE

Q = Joules

Q = calor

5

QSEN  DEL H 2O  nH 2O  delC p  MEDIOT

Q = Joules

2

DEL HIELO

6

7

HIELO

QLatente  de  fusión  Bibliográfico  de mHielo del  hielo

TdS  dQ

UNIDAD

m = gramos

m = masa

S =Joules /K

S = entropía.

λ = calorías /g

hielo

λ =calor latente De fusión.

S  nCP Ln

T final

Tinicial  S SISTEMA  S ALREDEDORES

CP = Joule/mol-K

8

STOTAL

9

S SISTEMA  SCAL  S AGUA  S HIELO  S H 2O  DE  HIELO

10

11

12

T final mAl )CP  medio Ln PM Al ALUMINO Tinicial T final V  S AGUA  H 2O H 2O CP  medio del Ln PMH 2O agua Tinicial (v  VINICIAL ) HIELO S HIELO  FINAL HIELO THIELO

SCALORÍMETRO  (

13

S AGUA DEL  HIELO

∆S = Joules /K

mAl = g

MAl = masa del aluminio.

ℓ = g /cm3

ℓ = densidad del agua.

(VFinal  VInicial ) media T CP  medioLn Final PM H 2O TInicial

S ALREDEDORES 

 QALREDEDORES TAMBIENTE

CP  del  agua  (8.712  1.25 x10 3 T  0.18 x10 6 T 2 ) R líquida

14

CP  del  4.80  0.00322 T  alumínio

caloría grado  mol

 H 2O  0.99998  3.5 x105 t  6 x10 6 t 2 

∆S=cambio de entropía.

gramo cm3

PM = peso molecular del agua.

TABLA DE RESULTADOS QSENSIBLE DEL QAGUA

HIELO

QLATENTE DEL QCALORIMETRO

2917.3955cal 70.3597cal -133.9880cal

∆SAGUA DEL

HIELO

QT

3749.2850cal

768.2612cal

∆SCALORIMETRO -0.4713

∆SAGUA -10.26

HIELO

0.2568

∆SHIELO

∆SALREDEDORES

13.7261

∆SSISTEMA 3.2516 ∆Stotal 0.6416

ANALISIS DE RESULTADOS El calor al tener un signo negativo indica que se perdió calor, la entropía total al ser mayor a cero me indica que es un proceso irreversible y espontaneo ya que las entropías con signo positivo indican que se desordena molecularmente la reacción. El calor del calorímetro y del agua son negativos porque fluyen desde el sistema, por lo que disminuye su energía interna. El calor sensible y latente y del hielo son positivos porque fluyen hacia el sistema.

CONCLUSIONES. Se trato de un proceso irreversible y espontaneo ya que la transferencia de energía térmica fue mayor que cero. Por lo que el sistema tendió al desorden, en otras palabras, a aumentar su entropía. El agua del hielo aumento su temperatura sin cambiar su estado de agregación ni su composición entonces gana un calor sensible. El agua del calorímetro disminuye su temperatura sin cambiar su estado de agregación ni su composición entonces pierde un calor sensible. Por lo que la entropía total del sistema aumenta.