Informe Construcción del Calorimetro Adiabático Casero PDF

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Informe de practica construcción de calorímetro adiabatico casero...

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Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Zaragoza

Química Farmacéutico Biológica Grupo 1274 Laboratorio de Ciencia Básica II

Construcción de un calorímetro adiabático casero y determinación de su constante calorimétrica.

Fecha: 21/Noviembre/2020 Profesora: Ruiz Rodríguez Ana Karen Alumno: Pérez Gonzalez Ricardo Equipo: 5

Construcción de un calorímetro adiabático casero y determinación de su constante calorimétrica. Introducción: El estudio del calor ha sido y sigue siendo de suma importancia en el campo de la física (termodinámica) y la química (termoquímica), en la termodinámica la energía es estudiada con el fin de entender los diversos cambios que ocurren en el entorno y cómo interactúa la materia y la energía para que ocurran estos cambios, en el campo de la termoquímica se sabe que toda reacción química implica cierto intercambio energético o bien un intercambio de calor, por esta razón es de gran utilidad saber cuánta energía es liberada o requerida en ciertas reacciones [1] . Este intercambio o liberación de calor en los procesos fue medido por lo que se le conoce como el primer calorímetro; el calorímetro de hielo, diseñado y creado por Lavoisier y Laplace, era un sistema cerrado que consistía de un material aislante en el exterior y en el interior había una capa de hielo. En la sesión experimental se buscó realizar un calorímetro de vaso de café con materiales caseros, que pudiesen preservar el mayor tiempo posible la temperatura de una muestra de agua. Para su construcción se tomó como referencia un calorímetro adiabático y un sistema cerrado común que todos conocemos, el termo, pues el fin de un calorímetro es preservar la energía calorífica dentro del sistema el mayor tiempo posible evitando fugas de energía. A pesar de que el calorímetro es un sistema cerrado, se realizó intentando aproximarse lo más que se pudo a un sistema aislado, el cual es un sistema ideal pues no hay intercambio de energía, ni de materia. Es muy complicado llegar a este nivel pues la energía siempre encontrará alguna manera de transferirse. Marco Teórico: Para entender el proceso que se llevó a cabo al construir el calorímetro y al hacer las pertinentes pruebas de fuga, es necesario saber las definiciones de ciertos conceptos como el de calor, energía en tránsito como resultado del movimiento de las moléculas o partículas constituyentes, también llamado energía cinética, entre dos cuerpos o sistemas que están a diferentes temperaturas. [2] La temperatura es una magnitud escalar referida a la cantidad de calor que es capaz de transferir un sistema y a medida la energía cinética de un sistema aumenta y su temperatura es mayor, para calcular la temperatura se utiliza un instrumento llamado termómetro, el cual puede ser encontrado en distintas unidades.[3]

Las unidades que se utilizan para medir las temperaturas son los grados Celsius, los Kelvin, los grados Fahrenheit y los Rankine, estos dos últimos sistemas de unidades son los menos usados. Las escalas de temperatura más usadas, son los grados Celsius y los Kelvin (K), unidad perteneciente al sistema internacional de unidades. Los grados Celsius (°C), se basan en una escala dividida en cien partes, tomando como valor más bajo el cero (punto de fusión del agua), y como valor más alto el cien (punto de ebullición del agua). Los kelvin es una escala de temperatura la cual tiene un cero absoluto, donde teóricamente es la más baja temperatura a la cual un cuerpo puede llegar, equivalente a -273.15 °C, y el máximo valor de la escala equivale a 373.15 °C.[4] Un sistema es aquella parte del universo que se escoge y aísla para su estudio termodinámico, debe de estar bien definida por un límite o frontera. [5] Un sistema cerrado está delimitado por una frontera que mantiene la masa constante, pero sí permite un intercambio de energía con su entorno, el límite o frontera es una barrera física o imaginaria que separa el sistema de sus alrededores. [6] Los alrededores del sistema es la parte del universo que puede interactuar con el sistema.[5-7] El calorímetro es un instrumento que tiene aplicaciones tanto en termodinámica como en la termoquímica. En la termoquímica, que es la parte de la química que estudia y mide la energía transferida cuando ocurre una reacción química o incluso algún cambio físico, se utiliza cuando se desea conocer la energía liberada o absorbida por una reacción química.[8] Los calorímetros buscan replicar las condiciones de un sistema aislado, pues se busca evitar la pérdida de calor del sistema.[9] Pero puede ser afectado debido a las propiedades aislantes o conductoras que tenga el sistema. Los aislantes térmicos son aquellos materiales que presentan una elevada resistencia al paso del calor por conducción, convección y radiación a su cara o lado opuesto. En su mayor parte están constituidos por gas (más de 90 %), mismo que está contenido en sólidos que conforman pequeños espacios y le impiden su movimiento. Deben ser resistentes a la intemperie, presentar resistencia mecánica, formar barreras para el paso de vapor y ser resistentes al abuso mecánico.[9] Algunos ejemplos son la lana, el algodón, la fibra de vidrio, poliuretano y la pluma de ganso, mientras que la mayoría de los metales entran en la categoría de conductores. [10]. El calorímetro tipo vaso de café es uno de los calorímetros más fáciles de construir y uno de los más simples, consiste en un sistema frecuentemente constituido por dos vasos de poliestireno, uno dentro del otro, un termómetro, agitador y una tapa de corcho, este se emplea principalmente para estudiar las reacciones que ocurren en disoluciones, pues es fácil determinar si la reacción libera o absorbe calor al medir la temperatura del sistema antes y después de la reacción.[11] Existe otra forma para determinar el calor que desprende una reacción de combustión, para ello se utiliza la bomba calorimétrica.[12]

Pero cuando en una reacción química ocurren muchas reacciones durante el proceso, no es viable usar un calorímetro, en estos casos la mejor opción es la Ley de Hess. La ley de Hess establece que el calor producido o absorbido (variación de la entalpía) en cualquier cambio químico es igual para dicho cambio, tanto si se realiza en un solo paso como si se realiza en varios pasos, sin embargo, para aplicar la ley de Hess se necesita conocer todos los reactivos y los productos.[13] Dos conceptos que de igual forma se abarcan cuando hablamos sobre el calorímetro son el calor específico y la capacidad calorífica. El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor que se requiere para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de la sustancia. Sus unidades son J/g.°C. La capacidad calorífica de una sustancia es la cantidad de calor que se requiere para elevar un grado Celsius la temperatura de determinada cantidad de la sustancia. Sus unidades son J/°C. Una importante diferencia entre los conceptos anteriores es que el calor específico es una propiedad intensiva, en tanto que la capacidad calorífica es una propiedad extensiva.[14] Justificación: En este experimento se realizó un calorímetro casero para ser utilizado en posteriores experimentos. Se puso a prueba su eficacia al agregar agua caliente y monitorear la pérdida de su temperatura cada ciertos minutos, de tal modo que la pérdida de calor fue de 1 °C por cada 5-10, así como el cálculo de la constante del calorímetro.

Planteamiento: Se diseñó y construyó un calorímetro utilizando materiales comunes y fáciles de obtener, pero que al mismo tiempo que nos diera un resultado satisfactorio logrando mantener el calor dentro de su sistema, esto se comprobó al colocar una muestra de agua caliente en nuestro calorímetro terminado y se mantuvo el registro de la temperatura del agua cada ciertos minutos, para verificar que el calor no se estuviese disipando muy rápido debido a una posible apertura o fuga en el sistema, además de que se realizó el cálculo de la constante del calorímetro con el método de mezclas de agua con distintas temperaturas. ¿El calorímetro casero realizado de forma experimental con materiales sencillos fue capaz de mantener la temperatura de la reacción que se liberó durante el proceso que se llevó a cabo en su interior, así como se logró obtener su constante?

Hipótesis: El calorímetro fue construido con materiales conductores en su exterior y materiales aislantes en su interior, de modo que la energía que absorbe o libera el proceso, que se lleve a cabo dentro del calorímetro, no se fugue o haya la menor pérdida de energía posible dentro del sistema, para lograr lo anterior, el calor dentro del sistema del calorímetro baja 1°C cada 5-10 minutos, además se logró realizar el cálculo de la constante del calorímetro elaborado. Objetivos: General: Hacer un calorímetro adiabático casero y comprobar que funcione al mantener la temperatura constante de una muestra de agua caliente. Calcular la constante del calorímetro elaborado, por medio del método de mezclas de agua. Variables: Independiente: Tiempo, materiales Dependiente: Temperatura del sistema, constante del calorímetro

Materiales: Equipo

Estufa o calentador

Instrumentos Termómetro, agitador de vidrio o plástico Reactivo

Agua

Insumos

Lata vacía, Frasco de vidrio, Algodón o Aserrín, Papel aluminio, Cartón y plastilina o arcilla.

Método: 1.- Se prepararon los materiales que se ocuparon, para la cámara interna utilizaremos un vaso o recipiente de vidrio. 2.- Se colocó la cámara interna dentro de una lata más grande. 3.- Con el algodón o aislante se comenzó a rellenar el espacio vacío entre el frasco de vidrio y la lata. 4.- Una vez que el frasco de vidrio estuvo centrado en la lata y cubierto con el aislante, se construyó la tapa de la cámara interna adaptando un trozo de cartón cubierto de papel aluminio. 5.- Al igual que con la cámara interna se realizó una tapa para la lata. 6.- Se preparó el agitador y el termómetro. 7.- Una vez listas ambas tapas se modificaron haciéndoles 2 orificios para colocar el termómetro y el agitador. 8.- Se selló y fijó el termómetro y agitador con ayuda de plastilina. 9.- Una vez listo el calorímetro se preparó una muestra de agua previamente calentada. 10.- Se vertió el agua dentro del calorímetro y se selló rápidamente. 11.- Se registró la temperatura que tenía el agua al ingresar al calorímetro. 12.- Con ayuda del agitador se movió ligeramente para que la temperatura del agua fuese uniforme. 13.- Cada minuto se registró la temperatura y los cambios que ocurrían dentro del calorímetro. 14.- Finalmente se analizaron los resultados y se comprobó si el calorímetro funcionó correctamente o si requería algún ajuste. Para la constante del calorímetro: 1. Se prepararon dos muestras de agua de 80 ml cada una. 2. Se pesó la primera muestra y se determinó su temperatura, se anotó los resultados como temperatura 1 y masa 1 para cálculos posteriores 3. Para la segunda muestra de agua primero se pesó y después se calentó hasta alcanzar una temperatura de aproximadamente 80 grados, se anotó los datos como masa 2 y temperatura 2. 4. Se vertió el agua a temperatura ambiente en el calorímetro, posteriormente se vertió con mucho cuidado el agua caliente. 5. Se cerró rápidamente el calorímetro y se movió suavemente con el agitador. 6. Pasado 1 minuto revisó la temperatura y cuando se dejó de registrar cambios en esta, se registró como temperatura final.

7. Se calculó el valor de la constante con ayuda de la siguiente fórmula:

Diagrama de flujo:

Construcción de un calorímetro adiabático casero y comprobación de su funcionamiento al mantener la temperatura constante de una muestra de agua por un tiempo determinado Se colocó el recipiente de vidrio dentro de una lata más grande

Se rellenó con algodón el espacio entre el frasco de vidrio y la lata Se construyó una tapa para el recipiente de vidrio y una para la lata con cartón envuelto en aluminio Se hicieron dos orificios, uno del diámetro del termómetro y otro del diámetro del agitador

Se introdujo el termómetro y el agitador en las tapas y se sellaron con plastilina Se calentó agua

Se vertió y selló el agua dentro del calorímetro

Se registró la temperatura inicial del agua en el calorímetro

Con el agitador se movió ligeramente el agua

Cada 5 minutos se registró la temperatura del agua en el calorímetro hasta alcanzar la temperatura final

Se analizaron los resultados y se contrastaron con la hipótesis

Fin

Diagrama de Ishikawa:

Esquema de Gantt:

Octubre 5 6 7 8 9 12 13 14 15 16 19 20 21 22 23 26 27 Protocolo Revisión Correcciones Experimento Informe

Resultados El calorímetro adiabático casero construido en esta sesión experimental tuvo una pérdida de calor de aproximadamente un grado cada cuatro minutos, en este apartado se mostraran los datos obtenidos durante las pruebas al calcular la constante del calorímetro en forma de tabla y se representará con una gráfica el comportamiento del agua dentro del calorímetro a distintas temperaturas al hacer la mezcla hasta llegar al equilibrio térmico. Grafica 1. Comportamiento de la mezcla entre agua fría y agua caliente

90 80

Temperatura (°C)

70

60 50 40 30 20 10 0 1

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

TIempo (Minutos)

25

27

29

31

33

35

37

39

41

Cálculos de la constante del calorímetro 

Sesión experimental 1

C = {- [(77 g) (4.184 J/g°C) (38-81)] - [(79 g) (4.184 J/g°C) (38-18)]} / {38-18} C= 362.125 J/°C 

Sesión experimental 2

C = {- [(78 g) (4.184 J/g°C) (39-81)] - [(79 g) (4.184 J/g°C) (39-18)]} / {39-18} C= 322.168 J/°C 

Sesión experimental 3

C = {- [(76 g) (4.184 J/g°C) (38-81)] - [(79 g) (4.184 J/g°C) (38-18)]} / {38-18} C= 353.129 J/°C Análisis de los resultados obtenidos durante las sesiones experimentales = 345.807 J/°C

σ X= 17.114 J/°C

% C.V= 4.94 %

Tabla 1. Resultados de la constante del calorímetro

Masa del agua a temperatura ambiente (g) Masa del agua caliente (g) Temperatura del agua ambiente (°C) Temperatura del agua caliente (°C) Temperatura de equilibrio (°C) Capacidad calorífica del agua (J / g°C) Constante del calorímetro “C” (J /°C)

σX

C.V %

79

0

0

77

0.8614

1.11

18

0

0

81

0

0

38.3334

0.4714

1.22

4.184

0

0

345.807333

17.1142

4.94

Análisis de resultados Durante el proceso para determinar la constante del calorímetro adiabático construido, el sistema (la mezcla de agua) tardo alrededor de 41 minutos en llegar al equilibrio térmico, es decir, tomo 41 minutos para que la temperatura del agua caliente y el agua fría llegaran a ser iguales, siendo al final del proceso una temperatura constante y por lo tanto “no hubo transferencia neta de energía” tal y como se muestra en la Gráfica 1, pero al revisar de forma detenida los datos se aprecia un descenso en la temperatura de manera abrupta, ya que la temperatura paso de 81 °C en el minuto cero a, en promedio, 47 °C al primer minuto y posterior mente la temperatura dentro del calorímetro comenzó a descender de manera paulatina en los minutos posteriores hasta alcanzar una temperatura final promedio de 38.33 °C tal y como se puede observar en la tabla 1. [16, 17] Analizando detenidamente el cambio más relevante al realizar la mezcla de aguas, el primer cambio de la temperatura dentro del calorímetro fue un claro indicio del proceso de transferencia de calor que ocurría en el sistema, ya que cuando el agua caliente entró en contacto con el agua fría ocurrió un intercambio de energía calorífica por convección, es decir, se creó una corriente de flujo de tal manera que las moléculas del agua fría entraron en contacto con las moléculas del agua caliente y se separaron por una diferencia de densidades, haciendo que las moléculas con mayor energía (más calientes y por ende, menos densas) subiesen y las moléculas con menor energía (más frías y por ende, más densas) bajaran, sin embargo cuando ocurre este tipo de procesos las moléculas chocan entre sí lo que ocasionó en este caso un intercambio de energía. [16, 17, 18] Como la diferencia de temperaturas entre el agua fría y el agua caliente era muy grande, cuando entraron en contacto las moléculas, de manera inmediata intentaron igualar la diferencia de temperaturas, por lo tanto dicho proceso se llevó acabo a una gran velocidad por lo que en los primeros minutos la temperatura en el calorímetro cambió de manera drástica y al igualarse cada vez más las temperaturas del agua con el paso del tiempo, la temperatura interna en el calorímetro cambio cada vez menos hasta ser casi constante. [19] A pesar de lo dicho en el párrafo anterior, la temperatura no fue del todo constante debido a que el sistema del calorímetro es un sistema cerrado y no un sistema aislado, por esta razón si hubo una transferencia de calor entre el sistema (el calorímetro) y el ambiente o entorno ocasionando un descenso de la temperatura de las mezclas de agua, ya que solo se alcanzó un equilibrio térmico dentro del calorímetro pero no un equilibrio entre el calorímetro y el entorno. Aunado a ello, el calorímetro realizado presentó fugas de calor en múltiples ocasiones por lo que la perdida de calor del calorímetro fue mayor. Como se mencionó anteriormente, el calorímetro presentó pérdidas de temperatura siendo de un grado centígrado por cada cuatro minutos aproximadamente por lo que se infiere que existen posibles fugas en el sistema, por otra parte, durante su construcción surgieron una gran cantidad de inconvenientes, por lo que al momento de realizar las respectivas pruebas de fuga, el calorímetro no se acercaba a un sistema aislado, causando una perdida

bastante alta del calor del agua, requiriendo más tiempo para la construcción de dicho instrumento. Así mismo se tuvo que remplazar algunos materiales como el frasco de vidrio por un bote de plástico (una alcoholera), se cambió el bote de aluminio por un bote más grande, y se agregaron otros materiales aislantes térmicos además del algodón, como el unicel y la espuma térmica para recubrir toda la parte interna del bote de aluminio y la cinta de aislar para recubrir la tapa. Los materiales usados se eligieron de acuerdo a sus propiedades con el fin de mantener el calor como es el caso del bote de plástico, debido a que al ser un recipiente construido de polietileno (polietileno de alta densidad), posee una gran resistencia al calor teniendo un punto de fusión de entre 130 y 136 ºC, además su calor específico es uno de los más altos en comparación a los termoplásticos (tipo de plástico que se derrite cuando se calienta y se endurece cuando se enfría) siendo de “1.9 kJ/kg K”, con una Conductividad Térmica a 23 °C de “0.45-0.52 W/ m K”. [21, 22, 23, 24] Otro de los materiales usados para aislar el calorímetro fue el poliestireno expandido, también llamado unicel debido a que funciona como un buen aislante térmico, sim embargo su conductividad térmica varia entre: 0,06 y 0,03 W/m°C de acuerdo a su densidad, y la espuma expansiva de poliuretano la cual es una espuma usada para sellar y rellenar grandes huecos evitando el paso del aire y el agua, además es útil como aislante térmico ya que tiene una baja conductividad gracias a las células cerradas del gas espumante que puede situarse en 10 ºC = 0,022 W/m·K, .[25, 26] Al analizar los datos obtenidos en la Tabla 1, se puede observar que el valor promedio de la constante del calorímetro es igual a 345.807 J/°C, con una...