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LABORATORIO DE QUÍMICA GENERAL QMC 100

PRACTICA Nº 10 DOCENTE: MEJIA ESTUDIANTE: LAURA FECHA:

ING.

RENE

GABRIEL

UNIV. BISMARK LOPEZ 12/12/20 La Paz-Bolivia

PRÁCTICA Nº 10 CALORIMETRIA 1 OBJETIVO GENERAL 

Comprobar la ley de conservación de la energía, en sistemas sin reacción química.

1.1     

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Determinar la capacidad calorífica del calorímetro. Determinar el calor latente de fusión del agua. Calcular teórica y experimentalmente el calor absorbido o liberado en una mezcla. Determinar experimentalmente la temperatura de equilibrio de una mezcla. Determinar experimentalmente el calor específico de un cuerpo desconocido.

2 FUNDAMENTO TEORICO 2.1. Calor

El calor es la transferencia de energía a través de la frontera de un sistema debida a una diferencia de temperaturas. Capacidad calorífica y calor específico La capacidad calorífica es una propiedad del sistema en su conjunto y depende de las propiedades de todas las partes del sistema. Además, como se ha indicado, no tiene el mismo valor para un proceso a presión constante que para uno a volumen constante. La unidad de la capacidad calorífica es la de una energía dividida por una temperatura, en el SI se mide en J/K (aunque aún existen tablas donde aparece en cal/°C). En el caso de una sustancia pura (agua, o un gas ideal, o incluso una mezcla de gases como el aire), la capacidad calorífica es una propiedad extensiva, proporcional a la cantidad de sustancia. A partir de ella se define una propiedad específica: la capacidad calorífica por unidad de masa, más conocida como calor específico Calor Sensible Cuando el calor agregado o eliminado de una sustancia provoca un cambio de temperatura en el mismo, a este calor se le llama calor sensible,

Calor Latente El calor latente es aquel calor que, agregado o eliminado de una sustancia, provoca un cambio de estado en el mismo, de sólido a líquido, de líquido a gaseoso, de sólido a gaseoso, etc. este calor al contrario que el calor sensible, no provoca un cambio de temperatura.

Determinación de la Capacidad Calorífica El capítulo de la química que estudia los cambios energéticos que acompañan a una reacción química se denomina Termoquímica. Las reacciones químicas van acompañadas de transferencia de energía, que puede manifestarse en forma de calor absorbido (reacción endotérmica) ó calor desprendido (reacción exotérmica) Reactivos  Productos H = +/ Calor Cuando una reacción se lleva a cabo a presión constante, los cambios de calor que ocurren se denominan entalpía (H). La Entalpía de reacción se expresa normalmente en unidades de Calorías/mol ya sea de reactivo ó producto Por convención se establece que la entalpía es de Signo negativo para procesos exotérmicos. La medida del calor intercambiado durante un proceso se realiza mediante un calorímetro que básicamente es un dispositivo aislado con una cámara de reacción rodeada de agua donde se detectan los cambios de temperatura con ayuda de un termómetro y a través de estas medidas medir la cantidad de calor intercambiado. El calor desarrollado por reacción u otro proceso físico Qp en la cámara de reacción que se halla inicialmente a una temperatura T1, actúa de tal modo que la temperatura final del calorímetro cambia hasta T2. Por el principio de conservación de la energía se puede expresar:

Calor cedido por reacción u otro proceso físico = Calor ganado por el calorímetro El calor ganado por el calorímetro es: Q g = m ac e agua (T2-T1) + m cc e cal(T 2-T 1)

Donde: ma es la masa del agua que rodea al erlenmeyer ce agua es el calor específico del agua mc es la masa de los componentes del calorímetro (vaso de precipitados, termómetro, agitador, etc.) ce cal es el calor específico promedio de los componentes del calorímetro. Si el calor ganado es igual al calor perdido: Q ganado = - Q perdido Q ganado = ma c e agua (T2 - T1 ) + m cc e cal(T2 - T1)

Q ganado = (mac e agua + mcc e cal )(T2 - T1)

Y si definimos la capacidad calorífica del calorímetro como: C cal = m ac e agua + m cc e cal

Podemos escribir la ecuación como: Qganado = Ccal (T2 - T1)

De tal modo que conociendo la capacidad del calorímetro y las temperaturas inicial y final se puede determinar el calor cedido por la reacción ocurrida en el matraz erlenmeyer. En el proceso de calibración del calorímetro se determina la capacidad calorífica del calorímetro C cal. En este proceso se introduce una masa m a de agua a temperatura de ebullición Tb en el matraz erlenmeyer y se espera hasta que el sistema alcance el equilibrio térmico con temperatura T2. El calor perdido por el agua caliente en el matraz erlenmeyer será: Q perdido = - m ac e agua(T 2 - T b)

Por lo tanto: C cal(T 2 - T 1) - m ac e agua(T 2 - T b)

Y el valor de C cal se puede calcular por:

Ccal =

-mac e agua (T2 - Tb ) (T2 - T1 )

Nótese que la capacidad del calorímetro es función de las masas de los componentes del calorímetro y del agua que rodea al erlenmeyer, por lo tanto, ni la masa de agua ni los componentes deben cambiar durante la sesión experimental.

3 MATERIALES Y REACTIVOS 3.1 ITEM 1 2 3 4 5 6 7 8

Materiales

MATERIAL Calorímetro Vaso de precipitado Termómetro Matraz erlenmeyer Hornilla Vaso de precipitado Termómetro y/o termocupla Balanza

CARACTERÍSTICA 600 ml 125 ml 250 ml Eléctrica

CANTIDAD 1 1 1 1 1 2 1 1

9 10 11 12 13

Varilla de vidrio Piseta Cilindros metálicos Horno de secado Probeta 3.2

ITEM 1 2

Eléctrico 50 ml

1 1 1 1 1

Reactivos

REACTIVO Agua destilada Hielo

CARACTERÍSTICA

CANTIDAD 50 g 50 g

4 Procedimiento 4.1   

Introduzca el vaso de precipitado en el calorímetro con 50 ml de agua potable. El matraz erlenmeyer (cámara de reacción) se colocará en el interior del vaso de precipitados rodeado de agua. El termómetro estará en el agua que rodea a la cámara de reacción juntamente con un agitador para mantener la temperatura (T1) del agua uniforme. 4.2

   

  

Calibración del calorímetro

Permita que se establezca el equilibrio térmico en el calorímetro y registre la temperatura T1 Caliente 50 cm3 de agua a temperatura de ebullición Tb y añada al matraz erlenmeyer Después que se ha alcanzado el equilibrio térmico, registre la temperatura de equilibrio T2. Retire el matraz erlenmeyer y determine la masa de agua introducida por diferencia de peso entre el matraz lleno y el matraz vacío. 4.3



Preparación del calorímetro

Determinación del calor de fusión del hielo

Permita que se establezca el equilibrio térmico en el calorímetro y registre la temperatura T1. Añada al matraz erlenmeyer lavado y seco varios cubos de hielo y permita que estos se fundan. En el momento en que el último trozo de hielo haya fundido, registre la temperatura del agua que rodea al matraz T2. Retire el matraz erlenmeyer y determine la masa de hielo por diferencia de peso entre el matraz lleno y el matraz vacío. 4.4

Determinación del calor especifico de un metal

       

Caliente el cuerpo cilíndrico de metal en el horno eléctrico hasta una temperatura alta (T2 = 120 °C) desde el inicio de la sesión de laboratorio. Tome dato la temperatura del cuerpo cilíndrico de metal (Temperatura del horno eléctrico T2). Mida 500 g de agua potable en el vaso de precipitados de 600 ml. Determine la temperatura inicial del agua T1. Introduzca cuidadosamente el cuerpo cilíndrico en el agua del vaso de precipitados. Espere a que se alcance el equilibrio térmico. Determine la temperatura de equilibrio. Determine la densidad del cuerpo cilíndrico. 4.5

     

Determinación de la temperatura de equilibrio de una mezcla

Mida 250 g de agua en el vaso de precipitados. Caliente el agua del vaso con la hornilla hasta una temperatura entre 50 y 60 ºC. Determine la temperatura del agua Mida 100 g de agua en el vaso de precipitados a temperatura ambiente Determine la temperatura del agua a temperatura ambiente. Mezcle ambas muestras de agua y determine la temperatura de equilibrio con el termómetro. Mezcle ambas muestras de agua y determine la temperatura de equilibrio con el termómetro.

5 Datos Experimentales 5.1       



Cálculos

Calcule la capacidad calorífica del calorímetro Calcule el calor ganado en la fusión del hielo Calcule el calor por mol de hielo en el proceso de fusión. Compare el valor obtenido con el valor bibliográfico Calcule el calor especifico del metal Compare el valor obtenido con el valor bibliográfico (tomando en cuenta la densidad del cuerpo cilíndrico y el calor específico experimental). Calcule la temperatura de equilibrio de la mezcla Compare el valor obtenido con el valor experimental.

6 ACTIVIDADES

T1

19 °C

Tb

85 °C

T2

34 °C

Calibración del calorímetro

C=

Masa matraz + agua

123,55g

Masa matraz vacío

73,55g

−m H O · C e H O (T 2 −T b ) (T 2−T 1) 2

2

cal (34 −85 )º C g ·º C (34−19)º C

−50 [ g ]× 1 C=

C=170

cal ºC

DETERMINACIÓN DEL CALOR DE FUSIÓN DEL HIELO

Masa matraz + hielo

109,15 g

Masa matraz vacío

73,55 g

T1

19 °C

TC

0 °C

T2

2 °C

T1

21 °C

Q ganado =−m H o Ce H O (T f −T o ) cal (2−19 )º C Q ganado =605,2 cal Q ganado =−35,6 g × 1 gºC 2

2

Q ganado =−Q perdido

 Cálculo del calor por mol de hielo en el proceso de fusión: ΔH fusion=

Q mH O 2

Δ H fusion=

605,2 cal 35,6 g

Δ H fusion=17

Cal g

Cal ∗18 g Cal g Δ H fusion=17 =306 1 mol mol

Determinación del calor específico de un metal

T cuerpo

120 °C

T 1 agua

20 °C

T equilibrio

26 °C

Masa del cuerpo

425 g

Volumen del cuerpo

56 cm3

Q G=Q P

M Esf ∗C eEsf ∗( T s −T e )= M H O∗Ce H O∗( T e −T i) 2

C eEsf =

2

M H O∗C e H O∗(T e −T i ) M Esf ∗(T s−T e ) 2

2

cal ∗(26−20 )° C g °C C eEsf = 425 g∗(120−26)°C cal C eEsf =0,0751 g°C 500 g∗1

 Compare el valor obtenido con el valor bibliográfico:

Segun tablas se pudo encontrar que el valor del calor espesífico es:

cal J =510 kgK g° C

C eEsf =0,12

Por lo tanto la Ecuación para el Cálculo de la diferencia porcentual será: T agua caliente

60 °C

T agua al ambiente

20 °C

T equilibrio 45 °C C t exp E sf −C teoEsf 0,119−0,12 = =−0,083 E= 0,12 C teoEsf

%E=−0,083 ×100=0,83 %

Determinación de la temperatura de equilibrio de una mezcla

Q ganado =−Q perdido

m H O Ce H O (T eq −T o)=−m H o C e H O (T eq −T o ) 2

2

60 g (T eq−20)=−150 g (T eq−60 )

2

2

T eq=48,57 º C

 Compare el valor obtenido con el valor experimental: E=

T eq−Teqexp 48,57−45 = T eq 48,57

%E=0,0735 ×100=7,35 %

El diagrama adjunto muestra la temperatura de un cuerpo en función del calor que se le ha suministrado, a ritmo constante. Calcular: a) Los calores específicos del sólido y del líquido. b) El calor de fusión. Rpta.- a) 0,25 cal/g-°C; 1,25 cal/g°C, b) Hf = 100 cal/g

5

Q s= m s c e ∆ T ) Qs ce= ms ∆ T c e =0,25 cal / gºc

Q L =m L c e ∆ T ) Qs ms ∆ T c e =1,25 cal / gºc ce=

m agua Ceagua( T eq−T 1 )+m hielo ∆ H F +m h Chielo( T eq −T 2) =0 ∆ H F=

−m agua C eagua (T eq −T 1 ) −mh C hielo ( T eq−T 2 ) m hielo

∆ H F=

100 cal g

5.- Calor específico. (Realice con el simulador) Q p=−Q g

T e −T 2 m a c ea (T eq−T 1)=−m M C eM (¿ ) ¿ C e a=

−m a c ea (T eq −T 1 ) m M ∗(T eq −T 2 )

METAL HIERRO COBRE GRAFFITO ORO BERILIO ALUMINIO

m agua 200g 200g 200g 200g 200g 200g

m metal 40g 40g 40g 40g 40g 40g

T 1 METAL 100ºC 100ºC 100ºC 100ºC 100ºC 100ºC

T 2 agua 20ºC 20ºC 20ºC 20ºC 20ºC 20ºC

T equilibrio 21,7 21,4 22,6 20,5 26,4 23,3

Ce metal 0,108cal/gºC 0,089cal/gºC 0,167cal/gºC 0,031cal/gºC 0,435cal/gºC 0,215cal/gºC

 EQUILIBRIO TERMICO Análisis 1

Datos m H O=35 g ;T =−20 º C ;m H O =40 g ; T =40 º C ; Ce =1 2

C e=0,48

2

cal gºC

Δ H f =80

cal ; gº C

cal g

Q ganado =−Q perdido

m H CeH (T f −T o )+ m H Δ H f +m H o C e H O (T f −T o)=−m H o Ce H O (T f −T o ) cal 1 cal cal (T −40) 0−(−20)º C +35 g · 80 (T −0)=−40 g ·1 +35 g · g º C eq g º C eq g cal ¿ 35 g · 0,48 gºC 336 + 2800 +35 T eq=−40 T eq + 1600 75 T eq =1600− 3136 T eq=−20,5 º C 2

Análisis 2

Datos

2

2

2

m H O=50 g ;T =30 º C ; mH O=40 g ; T =80º C ; C e =1 2

C e=0,48

2

cal gºC

Δ H f =80

cal ; gºC

cal g

Q ganado =−Q perdido m H CeH ( T f −T o ) +m H Δ H f +m H o Ce H O( T f −T o )=−mH o C e H O ( T f −T o ) 1 cal cal cal +50 g · (T eq −0)=−40 g· 1 0−(30)º C+ 50 g · 80 (T −80) g gºC g º C eq cal ¿ 50 g· 0,48 gº C 2

3330 T eq =−40T eq +1600

2

75 T eq =1600− 3136

2

2

T eq=−43,25 º C

Análisis 3

Datos m H O=10 g ;T =70 º C ; mH O=40 g ; T =100 º C ;C e =1 2

2

cal ; gº C

cal cal Δ H f =80 gºC g Q ganado =−Q perdido m H CeH ( T f −T o ) +m H Δ H f +m H o Ce H O( T f −T o )=−mH o C e H O ( T f −T o ) 1 cal cal cal (T −100) (T eq −0)=−40 g · 1 +10 g · 0−(70)º C+ 10 g · 80 g º C eq gºC g cal ¿ 10 g · 0,48 gº C C e=0,48

2

464 +10 T eq =−40T eq + 400

2

50 T eq =3536

2

2

T eq=70,72 º C

7 CONCLUCIONES 

Considero que la práctica fue muy interesante ya que en ella aprendí el empleo del calorímetro y conocí más de cerca la aplicación de los principios de la termodinámica, así como otros elementos interesantes como la transferencia de calor en un sistema aislado y el equilibrio de temperaturas que se da al interior del calorímetro viendo el comportamiento del agua en este caso.



Asimismo, en el desarrollo de la práctica aprendí a determinar, la capacidad calorífica del mismo, este aspecto fue esencial en el desarrollo de la práctica, debido a que a través de este cálculo fue posible determinar otros valores como el calor de dilución o el calor específico de la esfera metálica, talvez hubiera sido interesante realizar más pruebas para este efecto, para obtener un r más preciso de esta constante.



En la determinación del valor del calor específico de un cilindro , me pareció muy interesante el empleo del multigesta para conocer la temperatura que alcanzó la misma en la mufla, pues una forma interesante de medir temperaturas de determinados objetos en los cuales no es posible introducir el termómetro o en los que puede resultar peligroso su uso por temor a que este explote.

 Considero que sería importante hacer un estudio más profundo de este tema, dado que volveremos a estudiarlo en física 102 y en esta materia es muy importante el estudio de la termodinámica, así tendríamos una mayor experiencia para desenvolvernos de mejor forma en esta materia.

8. BIBLIOGRAFIA´ 

Morán, M.J. Shapiro, H.N.: Fundamentos de Termodinamica Tecnica.. Ed. Reverte, 1999



http://es.scribd.com/doc/6888179/FISICA-CALORIMETRIA



http://www.cam.educaciondigital.net/fisica/Apuntes/calormarin.pdf



Quimica de RAYMOND CHANG sexta edicion....