Reporte quimica

INSTITUTO DE INVESTIGACIÓN Y ENSEÑANZA IBEROAMERICANO A.C BACHILLERATO INCORPORADO A LA B.U.A.P. QUIMICA PARA INGENIERIA AREA DE INGENIERIA SEMESTRE “B”

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INSTITUTO DE INVESTIGACION Y ENSEÑANZA IBEROAMERICANO PROFESORA: I.Q Ma. Teresa Tlatempa Domínguez MATERIA: Química para Ingeniería ALUMNOS: Francisco Ocelolt Nefi Paz Carrasco Joel Ramírez Tenocelo Marcos Iván Sánchez Olvera Liliana Itzel Páez López Samantha Vázquez de Jorge Alan Gabriel Mentado Orozco José Ramón PROYECTO: Proceso Integrador 2° Parcial Reporte de laboratorio GRADO: 3°

GRUPO: “A” AREA: Ingeniería

CICLO ESCOLAR: 2014-2015

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OBJETIVO: Identificar, observar y explicar ¿Qué es un calorímetro? , para que nos sirve y que es lo que sucede en él y entender mejor las leyes de la termodinámica.

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MARCO TEORICO

Por lo general un curso previo de física constituye previa contextualización de algunas nociones fundamentales como energía y su conservación, trabajo, movimiento, calor, temperatura etc. Se da por descontado que todas ellas se conocen en alguna medida al abordar la materia por primera vez.

Esas nociones primitivas se profundizan; se estudian todas las formas de energía que pueden tener que ver con un sistema, se distinguen claramente aquellas magnitudes físicas que son propiedades termodinámicas de aquellas que no lo son, y se diferencian clases de sistemas (abierto, cerrado, aislado, etc). Es en esta etapa donde se tiene un primer feliz encuentro con un racionamiento tan poderoso que será en adelante el santo grial de la interpretación matemática de una enorme cantidad de situaciones físicas prácticas: el principio del balance.

¿Qué es la termodinámica?

La termodinámica puede definirse como el tema de la Física que estudia los procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo.

Sabemos que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro por medios mecánicos. El calor es una transferencia de energía de un cuerpo a un segundo cuerpo que está a menor temperatura. O sea, el calor es muy semejante al trabajo.

El calor se define como una transferencia de energía debida a una diferencia de temperatura, mientras que el trabajo es una transferencia de energía que no se debe a una diferencia de temperatura.

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Al hablar de termodinámica, con frecuencia se usa el término "sistema". Por sistema se entiende un objeto o conjunto de objetos que deseamos considerar. El resto, lo demás en el Universo, que no pertenece al sistema, se conoce como su "ambiente". Se consideran varios tipos de sistemas. En un sistema cerrado no entra ni sale masa, contrariamente a los sistemas abiertos donde sí puede entrar o salir masa. Un sistema cerrado es aislado si no pasa energía en cualquiera de sus formas por sus fronteras.

Previo a profundizar en este tema de la termodinámica, es imprescindible establecer una clara distinción entre tres conceptos básicos: temperatura, calor y energía interna. Como ejemplo ilustrativo, es conveniente recurrir a la teoría cinética de los gases, en que éstos sabemos están constituidos por numerosísimas moléculas en permanente choque entre sí.

La temperatura es una medida de la energía cinética media de las moléculas individuales.

El calor es una transferencia de energía, como energía térmica, de un objeto a otro debida a una diferencia de temperatura.

La energía interna (o térmica) es la energía total de todas las moléculas del objeto, o sea incluye energía cinética de traslación, rotación y vibración de las moléculas, energía potencial en moléculas y energía potencial entre moléculas. Para mayor claridad, imaginemos dos barras calientes de un mismo material de igual masa y temperatura.

Entre las dos tienen el doble de la energía interna respecto de una sola barra. Notemos que el flujo de calor entre dos objetos depende de sus temperaturas y no de cuánta energía térmica o interna tiene cada uno. El flujo de calor es siempre desde el objeto a mayor temperatura hacia el objeto a menor temperatura.

“PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA” El principio del balance se puede expresar de la siguiente manera: Lo que ingresa + Lo que se genera = Lo que sale + Lo que se acumula Si se aplica para la materia en un sistema, se habla de la bien conocida ley de la conservación de la masa, que no se considera una ley de la termodinámica, pero es en todo caso de obligatorio cumplimiento. Cuando se aplica a la energía en un sistema, se habla de la conservación de la energía, el balance energético, o bien del primer principio o primera ley de la termodinámica. Incluso, si se asimila como filosofía de vida puede aplicarse con éxito en llevar con orden las finanzas personales.

Con la primera ley, se puede entender algo de enorme importancia para la tradición de la tecnología: una máquina térmica en la forma de un ciclo de vapor de agua. Es mucho más que una aplicación trivial, pues fue esa idea la que permitió la invención de la máquina de

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vapor durante la revolución industrial, lo cual condujo históricamente a que se sentaran las bases de la termodinámica como la conocemos hoy.

El estudio de esa máquina térmica consiste básicamente en conocer lo que le ocurre al vapor de agua cuando pasa por una caldera, una turbina, una bomba, un enfriador y una válvula, junto con el significado de todos esos términos. Adicionalmente, se trata de un rito de iniciación en el que los ojos del o la aprendiz de ingeniero(a) químico(a) ven por primera vez la luz de un proceso industrial de transformación con materia y energía interactuando.

Esta ley se expresa como: Eint = Q - W Cambio en la energía interna en el sistema = Calor agregado (Q) - Trabajo efectuado por el sistema (W) Notar que el signo menos en el lado derecho de la ecuación se debe justamente a que W se define como el trabajo efectuado por el sistema.

Para entender esta ley, es útil imaginar un gas encerrado en un cilindro, una de cuyas tapas es un émbolo móvil y que mediante un mechero podemos agregarle calor. El cambio en la energía interna del gas estará dado por la diferencia entre el calor agregado y el trabajo que el gas hace al levantar el émbolo contra la presión atmosférica

“SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA” Si se aplica apropiadamente el principio del balance a una magnitud física a la que todo mundo llama entropía, se entra en los terrenos del segundo principio o segunda ley de la termodinámica. Hasta aquí evité emplear la palabra entropía, pero mencionada la segunda ley ya no hay remedio.

No soy tan avezado como para intentar contestar aquí a la pregunta ¿qué es la entropía?

Solo mencionaré que ese espinoso asunto es paso obligado por cualquier proceso de aprendizaje de los fundamentos y acto seguido confesaré que no sé qué rayos es la PROYECTO INTEGRADOR

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entropía. Para poner un hasta aquí a ese particular, me limitaré a citar lo que dijo el físico estadounidense Arnold Sommerfeld cuando se le preguntó por qué no había escrito un libro de termodinámica: “La termodinámica es un tema divertido. La primera vez que pasas por la materia, no la entiendes del todo. La segunda vez, crees entenderla salvo por uno o dos pequeños puntos. La tercera vez estás completamente seguro de que no la entiendes, pero para entonces estás tan acostumbrado a eso que ya no te importa”.

(Cengel, Y.; Boles, M. Thermodynamics: An engineering approach, 5 Ed. 2005.)

Sin embargo, sí me referiré a la segunda ley. Ésta establece que la primera no es criterio suficiente para decidir qué proceso es posible y qué proceso no lo es. Así, se convierte en la expresión de las restricciones que impone la naturaleza: no todo es posible y lo que es posible, tiene un límite y tiene un costo.

Si bien la energía se conserva a lo largo de una transformación tras otra, no siempre estará disponible para que nos podamos valer de ella; eventualmente llegará un momento en que, habiendo la misma energía que en un principio, se tendrá que ya no es energía útil. En esa condición, sacarle partido a esa energía “muerta” no resulta posible.

Esa degradación paulatina de la que es objeto la energía, es en realidad una pérdida, un potencial que se tuvo pero se consumió; es un precio que hubo que pagar. La implicación es que no es posible usar energía sin que una porción se pierda, y el costo consiste en renovar lo perdido.

Una consecuencia muy famosa de la segunda ley es que resulta imposible la existencia de las llamadas máquinas de movimiento perpetuo, o aquellas que usan la misma energía una y otra y otra vez hasta la eternidad, sin que se degrade y sin que pierda disponibilidad. Este hecho está incluso arraigado en la cultura popular; una muestra de ello está en aquella ocasión en la que la inquieta Lisa Simpson presenta orgullosa a su padre, Homero, una máquina de movimiento perpetuo. Él la reprende diciéndole “señorita, en esta casa respetamos las leyes de la termodinámica”.

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Otra interpretación de la segunda ley, particularmente útil para la ingeniería química, está en el hecho de que todo proceso de transformación tiene una condición extrema de máximo rendimiento, mínima degradación y máxima disponibilidad de la energía, que solo es posible de alcanzar en teoría. Se trata de aquel límite que tiene todo aquello que es posible. Tal proceso imaginario, será lo más cercano a algo perfecto sin violar ni la primera ni la segunda leyes.

En el caso de la máquina térmica, la que cuenta con esas características tan particulares, se le estudia como el Ciclo de Carnot en honor al ingeniero francés así llamado, quien por vez primera concluyó que una máquina de vapor real podría tener en sus más atrevidos sueños un aprovechamiento energético máximo bastante inferior al 100%. Cualquier esfuerzo adicional por mejorar la eficiencia, sería completamente inútil.

Todo esto es, gruesamente, una pasada por el cuerpo teórico básico de la termodinámica clásica. Su estudio y apropiada comprensión es absolutamente necesaria; sin esos cimientos firmes, no se prosperará en las aplicaciones. Como bien reza el refrán: “no hay nada más práctico que una buena teoría”.

La primera ley nos dice que la energía se conserva. Sin embargo, podemos imaginar muchos procesos en que se conserve la energía, pero que realmente no ocurren en la naturaleza. Si se acerca un objeto caliente a uno frío, el calor pasa del caliente al frío y nunca al revés. Si pensamos que puede ser al revés, se seguiría conservando la energía y se cumpliría la primera ley.

En la naturaleza hay procesos que suceden, pero cuyos procesos inversos no. Para explicar esta falta de reversibilidad se formuló la segunda ley de la termodinamica, que tiene dos enunciados equivalentes: Enunciado de Kelvin - Planck : Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo.

Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea la transferencia continua de energía de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo.

TERCERA LEY DE LA TERMODINAMICA Ley Cero de la Termodinámica (de Equilibrio): PROYECTO INTEGRADOR

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"Si dos objetos A y B están por separado en equilibrio térmico con un tercer objeto C, entonces los objetos A y B están en equilibrio térmico entre sí".

Como consecuencia de esta ley se puede afirmar que dos objetos en equilibrio térmico entre sí están a la misma temperatura y que si tienen temperaturas diferentes, no se encuentran en equilibrio térmico entre sí.

Tercera Ley de la Termodinámica.

La tercera ley tiene varios enunciados equivalentes: "No se puede llegar al cero absoluto mediante una serie finita de procesos" Es el calor que entra desde el "mundo exterior" lo que impide que en los experimentos se alcancen temperaturas más bajas. El cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible y se caracteriza por la total ausencia de calor. Es la temperatura a la cual cesa el movimiento de las partículas. El cero absoluto (0 K) corresponde aproximadamente a la temperatura de - 273,16ºC. Nunca se ha alcanzado tal temperatura y la termodinámica asegura que es inalcanzable.

"La entropía de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinámico tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero".

"La primera y la segunda ley de la termodinámica se pueden aplicar hasta el límite del cero absoluto, siempre y cuando en este límite las variaciones de entropía sean nulas para todo proceso reversible". 

MATERIAL

En principio el proyecto se elabora con conocimientos adquiridos en clase y con la proporción de información desarrollada de los pasos a seguir sobre la experimentación de la termodinámica aplicada en un contenedor común y casero para la comprensión de temperaturas.

Es indispensable para el proyecto que los integrantes lean e interpreten los pasos dados y como se debe llevar a cabo la composición del calorímetro, se deben seguir los pasos y los materiales para un buen desarrollo del mismo calorímetro.

Lo expuesto anteriormente se reduce a la comprensión de temperaturas activas y reactivas que se pueden encontrar pero tomando en cuenta los siguientes materiales.

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Lata de aluminio perfectamente limpia

Este tendrá la función de almacenar el líquido que en éste caso será agua •

Un vaso de unicel con tapa del mismo materia(el cual debe ser extenso para la buena elaboración del experimento)

Con el conservaremos el calor dentro del calorímetro y obstruirá un cambio de temperaturas •

Dos popotes de plástico, delgados y flexibles

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Fungirán como un método para mezclar los dos líquidos y templar temperaturas •

Termómetro (el cual será de temperaturas mayores)

Con el podremos visualizar las temperaturas dentro del calorímetro •

Embudo(se puede utilizar otro método para diluir el líquido dentro del recipiente)

Es una forma de introducir el líquido dentro del calorímetro sin necesidad de abrir el mismo •

Fomi

Es un medio de conservación de calor y se envolverá con él la lata •

Algodón

Es otro método de conservación de calor y mejor postura del calorimetro •

Silicón frio

Es una forma en la cual podamos sellar el calorímetro si es necesario •

Bisturí, cortador o tijeras

Se pueden hacer modificaciones fáciles con un medio de disección •

Probeta de 50ml

Con esta se medirán las sustancias a experimentar •

Parrilla de calentamiento(algún medio para que el agua llegue a una temperatura alta)

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PROCEDIMIENTO

1) Recorta la lata de aluminio y quítale la parte superior 2) Forrar la parte exterior de la lata con fomi, pegándolo con silicón frio. Esto servirá

como aislante PROYECTO INTEGRADOR

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3) Elaborar una tapa de fomi o unicel ,que coincida con el diámetro de la boca de la

lata y cierre perfectamente 4) Para fabricar el agitador, flexiona los popotes, recorta dos de ellos justo en la

parte flexionada, pégalos a un popote largo, formando una especie de aspas y sella la punta con silicón.

5) Abrir los dos orificios, uno para el agitador y otro para el termómetro.

6) Acomodar la lata de aluminio en el interior del vaso de unicel y rodear el espacio

que queda vacío entre la lata y el vaso con algodón, haciendo que el montaje quede fijo.

7) Realiza ahora en la tapa de unicel los mismos dos orificios, para el agitador y el

termómetro.

8) Introducir en los orificios de ambas tapas el agitador y el termómetro, el agitador

debe llegar casi hasta el fondo y el termómetro un poco más arriba para evitar que ambos choquen durante la agitación.

9) Cubrir con las tapas para evitar la pérdida de calor.

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CALIBRACION DEL CALORIMETRO 1) Medir en una probeta 50 ml de agua (destilada o purificada), equivalente a 50 g

(m1) y vaciar en el recipiente interno del calorímetro PROYECTO INTEGRADOR

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2) Tapar el sistema y agitar 3) Observar y anotar la temperatura a intervalos de 5 minutos. Cuando se haya

establecido, esta temperatura se anotara como T1.

4) Con la parrilla de calentamiento, calentar el agua hasta su ebullición y medir con

la probeta de 50 g de agua (m2), tratando que la temperatura T2 sea de aproximadamente de 80° C. Debe medirse justo antes de verterla al vaso interno del calorímetro. Vacía el agua caliente con ayuda de un embudo por el orificio donde se coloca el termómetro.

5) Cuando entren en contacto m1 y m2 agitar constantemente. Observar y anotar la

temperatura a intervalos de cinco minutos hasta que la temperatura se estabilice.

Esta temperatura se reporta como Tf. 6) Repetir el experimento tres veces. Es importante trabajar bajo las mismas

condiciones, por lo que el contenido interno se debe enfriar a temperatura ambiente antes de repetir el experimento.

7) Reportar los resultados obtenidos en una taba.

Se busca visualizar temperaturas altas, por ello necesitamos éste medio Y todos estos instrumentos se complementaron en la elaboración del siguiente calorímetro.

Se logra identificar como las temperaturas no tendrán contacto con el exterior y por ende no tendrán cambios hasta que se vierta la segunda sustancia Posterior a la elaboración del calorímetro comienza la experimentación y esta consiste en verter una primera sustancia dentro y medir su temperatura con el calorímetro cerrado para buscar una temperatura promedio y tomarla como T1 En la comprensión de este experimento se necesita una segunda sustancia la cual debe estar a una temperatura de 80°C la cual se vierte dentro en conjunto con la primera sustancia moviendo el agitador hecho con los popotes para conformar una tercera temperatura o una temperatura resultante que se conformara como T f repitiendo el experimento 3 veces y promediar una constancia entre las temperaturas Img 1.- se vacía el agua purificada Imga 2.- se vacia la M2 de 80 ° temperatura ambiente M1 PROYECTO INTEGRADOR

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Img 3.- Se disuelven ambas sustancias

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Img 4.- Se le saca la Tf a ambas sustancias cuando ya fueron disueltas

Muestra

M1 (g)

M2 (g)

T1(°C)

T2(°C)

Tf(°C)

1

50 ml

50 ml

24°

80°

41°

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2

50 ml

50 ml

23°

80°

43°

3

50 ml

50 ml

24°

80°

45°

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CALCULOS

Para concluir con el experimento se determina una formula en la cual podemos conocer la capacidad calorífica del termómetro y esta se determina con lo siguiente Ce m2(T2-Tf)=(C + Ce m1)(Tf-T1)

Tomando en cuenta que: Ce = 1.0cal/g°C T1 =24° T2 =80° Tf =41° m1 y m2 =50g

Tendría como resultado despejando C C= [[1cal/g°C*50g(80°-41°)]-1cal/g°C*50g]/41°-24° C= [[50cal/°C(39°)]-50cal/°C]17° C= [1950cal-50cal/°C]17° C= (1950cal/°C)/17° PROYECTO INTEGRADOR

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C= 380 cal/°C

Y ésta sería nuestra capacidad calorífica

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CONCLUSION

Concluimos con un extenso conocimiento, tomamos muchos conocimientos previos dados en clase pero también investigaciones propias y por ello logramos conformar diversas posturas dentro del mismo equipo que de la misma forma, en equipo resolvimos y colaboramos para aclarar dudas o expectativas del proyecto. Nuestros conocimientos fueron rectificados y aclarados también con la ayuda de nuestra profesora y conformamos una mejor idea de la termodinámica y como funciona en el cambio de temperaturas, como se aplica y conservan el comportamiento de la fusión de dos temperaturas.

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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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http://www.biblioteca.upibi.ipn.mx/Archivos/Ma terial%20Didactico/MANUAL %20TERMOFINAL2008.pdf http://www.ingenieriaquimica.org/foros/leyes-latermodinamica http://www.jfinternational.com/mf/tercera-leytermodinamica.html

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