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Capacidad calorifica y entalpia de fusión...

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BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA

FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS

AUTORES: ROSA ALEJANDRA ARELLANO CARMONA VALERIA BETZHABE BONILLA AVALOS JESSICA LIZETH PAREDES ALDAY ASTRID SENYASE PAREDES RUÍZ

No. DE EQUIPO: 7 LICENCIATURA EN QUÍMICO FARMACOBIOLOGO

FECHA DE REALIZACIÓN DE PRÁCTICA: 16 DE FEBRERO DE 2018 FECHA DE ENTREGA: 23 DE FEBRERO DE 2018

PRÁCTICA NO. 3 CAPACIDAD CALORÍFICA Y ENTALPIA DE FUSIÓN

OBJETIVOS OBJETIVOS: Determinar experimentalmente la Capacidad Calorífica de un calorímetro ( calor) y la entalpía de fusión del hielo,

I.

HIPÓTESIS

El agua posee una capacidad calorífica muy elevada, es necesaria una gran cantidad de calor para elevar su temperatura 1°C, si el agua no poseyera esa cualidad, se verían muy afectados o no existirían muchos organismos acuáticos. Si un sistema absorbe calor, su entalpía aumenta y H es un número positivo, pero si el sistema desprende calor, su entalpía disminuye y H es un número negativo, en este caso nuestra entalpia de fusión tendrá un numero positivo, además podemos mencionar que la entalpía de fusión está estrechamente relacionada con las entalpías de evaporación y de sublimación, sin embargo los calores de fusión son inferiores a sus correspondientes calores de vaporización. II.

Introducción

La capacidad calorífica es la relación entre la energía en forma de calor suministrada a un objeto o espécimen y su consecuente aumento de temperatura. La capacidad calorífica de un sistema es la suma de las capacidades caloríficas de sus componentes, es expresada matemáticamente mediante la siguiente ecuación: CT =C Cal + C H

2

O

Donde: CT =¿ Es la capacidad calorífica total

CCal =¿ Es la capacidad calorífica del calorímetro CH

2

O

= es la capacidad calorífica del agua

Un ejemplo de las diferentes capacidades caloríficas de los materiales, lo podemos percibir cuando tocamos madera y metal, estos pueden encontrarse en el mismo entorno a una temperatura constante, sin embargo debido a que cada material tiene una determinada y distinta capacidad calorífica es que la sensación térmica es distinta, la madera tiene una mayor capacidad calorífica (conserva mejor la energía en forma de calor) en comparación con el metal quien tiene una menor capacidad calorífica (almacena menos la energía en forma de calor). Otro ejemplo es el agua de la playa y la arena del desierto (formada entre otros compuestos por Si O2 ), mientras que en la playa la temperatura en la noche es de 19°C y en las tardes llega a los 40°C, la diferencia de temperatura es de 11°C; ahora si comparamos con el desierto que en las noches alcanza una temperatura de -30°C y en las tardes 50°C, siendo su diferencia de temperatura de 80°C, podemos comprender entonces que el agua es el que conserva mejor la energía en forma de calor regulando la temperatura del medio de manera que este no tenga un cambio brusco de temperatura, en cambio el Si O2 tiene una capacidad calorífica débil de manera que no puede conservar la energía en forma de calor y

es capaz de variar su temperatura bruscamente, básicamente podemos decir que el agua tiene una mayor capacidad calorífica que el Si O 2 . En estos ejemplos también podemos notar que la transferencia de energía en forma de calor la medimos mediante la temperatura utilizando distintas escalas como la absoluta (K) o relativa °C que será la que manejaremos en esta práctica, además podemos ver con esto que la relación entre calor y variación de temperatura es proporcional Q∝ ∆ T Q=C ∆ T

Q=mC ∆T despejando :C=

Q m∆T

Donde: Q= es el la energía en forma de calor ∆ T =¿ Variación de temperatura

m = masa expresada en gramos C= capacidad calorífica Por ello es que la capacidad calorífica es definida como la cantidad de energía en forma de calor para elevar la temperatura, y esto es expresado en calorías por °C es una propiedad extensiva pues depende de la cantidad de materia que se considere. La capacidad calorífica del agua hace que nosotros ocupemos en el laboratorio habitualmente los baños maría para que el agua absorba la energía en forma de calor y de esta manera se transfiera menos a la sustancia que queremos por ejemplo derretir sin que se queme; este mismo principio de funcionamiento se ocupa a nivel industrial en las torres de enfriamiento por ejemplo en las industria fabricante ce carburo de calcio, sus hornos llegan a estar a 2500 °C y para el mantenerlo a esta temperatura se utilizan las torres de enfriamiento que transportan agua y esta almacena a energía de manera que el sistema llegue a un equilibrio de 2500°C. Ahora bien ¿por qué se establece el equilibrio térmico diciendo que este es igual cero?, pues bien por lógica la energía que pierde un sistema es ganada por el otro y por ello es igual a 0. C c +C F =0 Si

establecimos Q ∴Q =−mC ∆ T es negativo por que perdi ó energia en forma de calor C= m∆ T

Entonces el equilibrio entre las capacidades caloríficas será:

−mC ∆ T =+mC ∆T

que

En esta práctica utilizaremos un calorímetro casero el cual tiene que evitar la salida de la energía en forma de calor. III.

Datos

ETAPA I T EqI =¿ 33°C Ca = 1

W fc

ETAPA II H O = 320.5 g m 2

cal g∗° C

∆ H fh = 86.93

T i ( II )¿ = 33°C

= 512.4 g

W ca = 425 g Tf

cal g

CH

= 33°C

2

O

= (4.184 J g-1 K -1 )

T f (III ) = 28°C

T ac = 50°C

m hielo = 11.6 g

T i = 20°C

C cal

= 118.8

cal °C

W cv = 191.9 g

IV.

Cálculos ETAPA I

T EqI seria de 33°C con base en los siguientes cálculos, si: −mC ∆ T =+mC ∆T Entonces T f −95 cal ( 20 g) (T F −2 ) °C ¿= 1 cal −1 ( 10 g ) ¿ g∗° C g∗° C T T EqI Se debe conocer la F pues esta sera la temperatura de equilibrio cal cal −10 T EqI + (900 cal )= 20 g T EqI −40 cal °C °C cal cal +10 T EqI 950 cal+40 cal = 20 T EqI °C °C cal 990 cal= 30 T EqI °C 990 cal T EqI = cal = 33°C 30 °C Ea= (T-Texp.)= 33°C –33°C= 0 ∴ no hubó error experimental Experimentalmente: Teóricamente la

(

( )

(

)

)

( )

( ) ( ) ( )

( )

T ¿ H i(¿ ¿ 2O) T¿ H i(¿ ¿ 2O) T Eq I −T ¿ ¿ H i(¿ ¿ 2O) T Eq I −T ¿ ¿ ¿ −m H O ( C H O ) ¿ 2

2

H i(¿¿ 2 O) T¿ ¿ −m H O ( C H O ) ( T Eq I ) +m H O ( C H O ) ¿ K=¿ ¿ ε=m K +C ¿ Donde m H O = es la masa de agua caliente 87.4 g exactamente C H O = es la capacidad calorífica del agua 1 cal g∗° C T EqI = temperatura de equilibrio 1 H i(¿¿ 2O) = temperatura del agua caliente T¿ m F H O = masa de agua fría 2

2

2

2

2

2

2

(

−87.4 g 1

)

(

)

cal cal ( 33 ° C−50° C )=233.1 g 1 (33 ° C−20 °C ) +ε ( 33 °C−2 g∗° C g∗°C

1 (clase) 485 cal=3030.3 cal + ε( 13 ° C )

−ε =

( −3030.3cal+1485.8 cal ) −1544.2 cal cal = =−118.8 °C 13 °C ( 13 °C )

Comprobación:

1485 cal=3030.3 cal + ε( 13 ° C )

(

1485

l 3030 3

l 1544

)

cal ( 13° C ) °C l

1485 cal=3030.3 cal+ −118.8

W (¿ ¿ ca−W cv ) 2(Ec.8) ( W fc −W ca )(T f −T ac )

( T f −T i )

+¿

ε calor=−C a ¿ Donde: C a = es la capacidad calorífica del agua W fc = peso final del calorímetro (con agua fría y caliente) 512.4 g W ca = peso del calorímetro con agua fría (a temperatura ambiente) 425 g T f = Temperatura final del agua en el calorímetro (en equilibrio térmico en un proceso 33°C T ac =Temperatura del agua caliente agregada al calorímetro 50°C T i = Temperatura inicial (de equilibrio) del agua en el calorímetro antes de un proceso o reacción 20°C W cv = Peso del calorímetro vacío 191.9 g Sustitución de datos: ε calor =−1 cal

¿−1

cal ( 512.4 g−425 g )(33 °C−50 ° C ) [ +( 425 g−191.9 g )] g∗° C ( 33 ° C−20° C ) [

( 87.4 g ) (17 ° C ) cal [−114.29 g+233.1 g] +(+ 233.1 g )]=−1 ( )

ETAPA II m hielo ∆ H fh =−( m

H2O

C H O + C cal) (T f ( III) −T i ( II ) ) 2

Donde:

mH O ∆ H fh T i ( II ) ¿ T f ( III ) 2

= masa del agua (524-11.6)-191.9= 320.5 g = Entalpía de fusión del hielo = Temperatura inicial (equilibrio II) del agua = Temperatura final (equilibrio III) del agua = Capacidad calorífica del agua (4.184 J g-1 K -1)

CH O Sustitución de datos: 2

( ( )( ) ( ( )

11.6 g ∆ H fh =− 320.5 g 1

11.6 g ∆ H fh =− 320.5

))

cal cal + −118.8 (28 ° C−33 ° C) g∗° C °C

cal cal −118.8 (−5 ° C ) °C °C

−320.5

cal +118.8 ( cal °C ) °C

¿ ¿ 11.6 g ∆ H fh =¿

(

11.6 g ∆ H fh = −201.7

)

cal (−5 ° C ) =1008.5 cal °C ∆ H fh =

cal 1008.5 cal =86.93 g 11.6 g Error

Ea=86.93 −79.7=7.23 E %= V.

7.23 x 100=9.07 % 79.7

Material y reactivos

1 Calorímetro (termo) 1 Probeta de 100 ml 1 Parrilla 1 Termómetro 1 Vaso de precipitados de 250 ml. 1 Balanza granataria Agua destilada Hielo en cubitos

MÉTODO EXPERIMENTAL: Determinación de la Capacidad Calorífica de un calorímetro y de la Entalpía de Fusión del hielo por Calorimetría. DESARROLLO: ETAPA I: DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD CALORÍFICA 1.

Pese el calorímetro vacío (limpio y seco) y anote el dato WCV .

2. Agregue al calorímetro 250 ml de agua destilada y pese inmediatamente; anote el dato Wca . 3. Registre la temperatura del calorímetro cada uno o dos durante 10 minutos ó hasta que se alcance el equilibrio térmico; anote el dato como (Ti). Agite para alcanzar más rápidamente el equilibrio térmico. 4. En un vaso de precipitados caliente 100 ml de agua destilada a 50 ºC, anótelo como Ta; agréguela rápidamente al calorímetro y tápelo; péselo inmediatamente y anote el dato Wfc. Registre la variación de la temperatura del agua en el calorímetro cada uno o dos minutos durante 10 minutos ó hasta que se alcance el equilibrio térmico; anote el dato como (Tf). Agite para alcanzar más rápidamente el equilibrio térmico. No tire el agua del calorímetro. ETAPA II: DETERMINACIÓN DE LA ENTALPÍA DE FUSIÓN DEL HIELO 1. Verifique la temperatura del calorímetro y anótela como TiII .

2. Agregue, lo más rápido posible, un cubo de hielo al calorímetro y tápelo. Pese el calorímetro y anótelo como Wch. 3. Registre la variación de la temperatura del calorímetro durante 10 minutos ó hasta que se alcance el equilibrio térmico; anote el dato como Tf III. Agite para alcanzar más rápidamente el equilibrio térmico. REPORTE:  Anote sus datos experimentales en una tabla.  Utilice la ecuación (8) para calcular la capacidad calorífica del calorímetro 2. ¿Qué consideración termodinámica se hace al deducir la ecuación (8)?

Se considera la que la cantidad de calor desprendido o absorbido por el sistema termodinámico en un proceso, es en general indefinido pues este depende de la trayectoria que siga el proceso, también la Capacidad Calorífica lo será, a menos que se especifiquen condiciones de Volumen o Presión constantes.

4. Utilizando la ecuación (11) calcule la entalpía de fusión del hielo. La masa del agua será igual a Wch - Wcv. 5. Deduzca las unidades de la calor  y de la H fh por separado. cal cal y ∆ H fh = ε calor = °C g 6. Calcule el porcentaje de error de la H fh con respecto a el valor reportado. cal = 6.93 Ea ( ∆ H fh ¿ = 80 cal/g - 86.93 g 6.93 x 100=8.66 % E%= 80 7. Diga cuales fueron las posibles fuentes de error en el desarrollo de su práctica. Probablemente el no medir el volumen de agua exactamente y el que pesáramos el calorímetro sin el termómetro y con agua con los 250 mL de agua los cual favoreció a que nuestras pesados fueran más inexactas, y finalmente el que aumentáramos bruscamente la temperatura de manera que el agua sobrepasara los 50°C. 8. ¿En qué unidades se expresan las siguientes magnitudes: calor, capacidad calorífica y entalpía de fusión? Calor, en termodinámica se mide el calor en unidades de trabajo y experimentalmente Joule, Mayer, etc., 1 cal internacional = 4.186 J 1 Kwh=860 Kcal 1J = 0.2389 cal Capacidad calorífica como hemos visto se define como la cantidad de calo necesaria para incrementar 1 grado K (o Celsius) su temperatura, por lo tanto sus unidades son cal/mol*K ó cal/ g *°C. Entalpía de fusión la entalpia de fusión del agua es 79.7 cal/g por lo tanto las unidades son cal/ g. 9. Investigue valores de capacidad calorífica para diferentes sustancias. Aluminio 900 J/Kg*°C Berilio 1830 J/Kg*°C Cadmio 230 J/Kg*°C Cobre 390 J/Kg*°C Germanio 0.32 J/Kg*°C Oro 130 J/Kg*°C Hierro 450 J/Kg*°C

CONCLUSIONES: El agua posee una capacidad calorífica muy elevada, es necesaria una gran cantidad de calor para elevar su temperatura 1°C. Si un sistema absorbe calor, su entalpía aumenta y H es un número positivo, pero si el sistema desprende calor, su entalpía disminuye y H es un número negativo, en este caso efectivamente nuestra entalpia de fusión tuvo un valor positivo. La ecuación calorimétrica sirve para determinar cantidades de energía en forma de calor si se conoce la masa del cuerpo, su calor especifico y la diferencia de temperatura, pero además permite definir la caloría como unidad del calor. Tal como lo suponíamos en la hipótesis al agregar agua a distintas temperaturas el valor del calorímetro cambio. La temperatura final quedo entre la primera y última temperatura, es decir entre la temperatura ambiente y la máxima que alcanzamos que fueron 20ºC y 50 ºC. Hemos aprendido que la capacidad calorífica es una propiedad que nos permite determinar que tanto puede una material o sustancia almacenar la energía en forma de calor.

BIBLIOGRAFÍA: [1] Jaramillo Sánchez J.A., Andrés Cabrerizo D., Anton Bozal J.L. (2004). Física. Prueba Específica. Prueba de Acceso a la Universidad Para Mayores de 25 años. Segunda edición. Editorial MAD S.L España. p 186. [2] Roldán Viloria J. (2002). Prontuario básico de fluidos Editorial Thompson Paraninfo S.A. Madrid-España. p 102. [3] Jürg Waser. (1972). Termodinámica química fundamental . Editorial Reverte S.A. Barcelona-España. p 99 [4] Galán García J.L. (1987). Sistemas de unidades físicas Análisis químico e instrumental moderno. Editorial Reverte S.A. Barcelona-España. pp 102,103. [5] Ibáñez Mengual J.A., Martin Rodríguez E., Zamarro Minguell J.M. (1989). Física Ediciones universidad de Murcia. Madrid-España. pp 308-311....