Informe experimento transferencia de energía y cambio de fase PDF

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Universidad Nacional Autónomade MéxicoFacultad de Estudios Superiores ZaragozaQuímica Farmacéutico BiológicaGrupo 1274Laboratorio de Ciencia Básica IIDemostración de la transferencia de energía calorífica porconducción y convección mediante la cocción a baño maría deun huevo sumergido en agua.Fecha:...

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Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Zaragoza

Química Farmacéutico Biológica Grupo 1274 Laboratorio de Ciencia Básica II

Demostración de la transferencia de energía calorífica por conducción y convección mediante la cocción a baño maría de un huevo sumergido en agua.

Fecha: 07/octubre/2020 Profesora: Ruiz Rodríguez Ana Karen Alumno: Pérez Gonzalez Ricardo Equipo: 1

Introducción El calor es una forma de energía en tránsito la cual poseen todos los cuerpos o sistemas que existen en el universo y que puede ser transferida mediante tres formas; la conducción, la convección y la radiación. Para que la energía se transfiera por conducción es necesario que dos o más cuerpos entren en contacto entre sí (generalmente ocurre entre solidos o un sólido y un líquido), la energía se transfiere por convección entre dos o más cuerpos cuando hay una corriente de flujo de por medio, para ello, el calor debe ser capaz de atravesar la frontera que define a cada sistema ( ocurre entre líquidos y gases), finalmente, la radiación ocurre cuando hay una transferencia de energía entre dos o más cuerpos sin necesidad de que interactúen físicamente (puede ocurrir tanto en sólidos como líquidos y hasta en gases). En este experimento se planeó usar el método de transferencia de energía por Conducción y por Convección para lograr una cocción de la yema y la clara del huevo. Un punto importante a tener en cuenta es que la energía interna de un cuerpo o sistema no se puede medir como tal, sin embargo, la cantidad de calor que puede transferir un cuerpo si se puede medir con ayuda de un termómetro (instrumento de medición) graduado en cualquiera de las diferentes escalas de temperatura (magnitud intensiva de todos los cuerpos) como los grados Celsius (°C), los grados Fahrenheit (°F) o los Kelvin (K) y aunque durante el proceso del experimentación no se llegara a usar el termómetro, es importante conocer que instrumento usar para obtener el valor de la energía intercambiada entre los sistemas sí en algún punto de la trayectoria de la experimentación se deseaba obtener los datos de una forma cuantitativa. Finalmente, durante el proceso de cocción, la clara y la yema de huevo sufrieron un cambio de estado o cambio de fase (ocurre cuando hay un cambio en alguna de las variables que rigen el estado de un cuerpo o sistema, estas variables son la presión (P), el volumen (V), el número de moles (n) y la temperatura (T) ) al haber un incremento en la temperatura del agua, ocasionando que el contenido dentro de la cascara del huevo pasara de un estado líquido a un estado sólido.

Marco teórico En mecánica la energía es una cantidad física escalar, propiedad de los sistemas, es la capacidad que posee un cuerpo para realizar un trabajo, por tanto, la energía total de un sistema es la cantidad total de trabajo que éste realice sobre los alrededores en joules [J]. En termodinámica, la energía total del sistema (E) no

puede definirse fácilmente, sin embargo, las partes que componen a esa energía total en un sistema es la suma de las magnitudes de las diferentes formas de energía (cinética, potencial, molecular, química, etcétera), por otra parte, es la base para todos los cambios dinámicos en nuestro ambiente y el universo. [4, 5, 9] Existen diversos tipos de energía como; Energía cinética: Es la energía que posee un cuerpo en función de su movimiento, al ser energía asociada con el movimiento de un cuerpo, se puede decir que es la energía como resultado del movimiento (la velocidad promedio) de las partículas o los átomos de los cuerpos o sistemas. [1, 4, 8, 9] Energía potencial gravitacional (PE): En un sistema, depende de su posición dentro de un campo de fuerza gravitacional. El cambio de energía potencial gravitacional (∆ Ep) se evalúa como una cantidad de trabajo. El sistema posee una cierta cantidad de energía dependiendo de la altura z del sistema por encima de un nivel de referencia elegido, potencialmente disponible para su conversión en trabajo. [1, 4] Energía mecánica: Involucra el comportamiento (velocidad o posición) de un sistema observable a simple vista, además, es la suma de su KE más su PE. [4,8] Energía Interna: Propiedad extensiva del sistema. En termodinámica se considera como el total de energía compuesto por la energía cinética y energía potencial. [1, 4,8] Otra forma de energía con la que se asocia principalmente a la termodinámica es el Calor; una Forma de energía en tránsito que posee un cuerpo o sistema termodinámico como resultado del movimiento de las diminutas partículas constituyentes, cuando un sistema entra en contacto con otro sistema, hay una transferencia de energía del sistema con mayor energía hacia el sistema con menor energía a través de los límites que los definen, sucede en virtud de la diferencia de temperatura entre ambas partes. Esta forma de energía se representa con la letra Q. [4, 9, 10] La Transferencia de calor es un Proceso o estado del sistema donde ocurre una propagación del calor en distintos medios, esta transferencia se realiza de un sistema de mayor temperatura a un sistema de menor temperatura con el objetivo de alcanzar un equilibrio térmico, la cantidad de esta transferencia depende de la diferencia de temperaturas entre un sistema y su ambiente, la duración, el área de contacto, y el aislamiento., para lograr este equilibrio existen 3 modos de transferencia; Conducción, Convección y Radiación. [1, 5,9] Conducción; Proceso de transferencia de calor o energía basado en el contacto directo entre los cuerpos sin intercambiar materia puesto que el calor fluye desde

un cuerpo con mayor temperatura a uno de menor temperatura, generalmente se da entre sólidos y líquidos, las moléculas del cuerpo con mayor energía al entrar en contacto con el cuerpo de menor energía transmiten dicha energía, es decir, el calor se transmite de forma unidireccional. [1, 17] La convección; Transferencia de energía que se da entre gases y líquidos por medio de una apertura en la frontera, el calor se transfiere gracias al movimiento, es decir, por medio de una corriente de flujo. Existen dos tipos de convección; forzada (ocurre por el sudo de presiones en el sistema) i libre (ocurre por una diferencia de temperaturas entre dos cuerpos o sistemas) [1, 17] Radiación; Forma en la que se traslada la energía calorífica entre dos o más cuerpos o sistemas, por medio del vacío o el espacio que existente entre las moléculas, la energía depende de la geometría de la fuente y esta forma decide las direcciones donde se transmitirá la energía en forma de ondas electromagnéticas, esta forma de emisión del calor es la más rápida llegando a alcanzar la velocidad de la luz. [1, 15, 17] Todos los conceptos anteriores están relacionados con el calor y se rigen por las leyes de la termodinámica, la Ley cero de la termodinámica No es posible concluir esta ley de las otras leyes. [8] Establece que si dos objetos o sistemas que están en equilibrio térmico, tienen la misma temperatura, si cada uno de estos dos cuerpos está en equilibrio con un tercero, entonces se encuentran en equilibrio térmico entre sí. [1, 3, 8] Sirve como base para dar validez a la medición de la temperatura, ya que si el tercer cuerpo se sustituye por un termómetro, entonces la ley establece que “Dos cuerpos están en equilibrio térmico si ambos tienen la misma lectura de temperatura incluso si no están en contacto”. La ley cero de la termodinámica a grandes rasgos habla del equilibrio químico entre sistemas, para comprender ésta ley es necesario conocer el concepto de equilibrio térmico, sistema y temperatura Equilibrio térmico; un Estado en el cual la temperatura de dos cuerpos o sistemas se igualan, para ello es importante que la temperatura de ambos sistemas no varíe de un momento a otro, además, los cuerpos deben de tener al inicio temperaturas diferentes. En el momento en que los dos sistemas alcancen dicha igualdad, el flujo de calor entre ellos se suspenderá y se dice que se encuentran en equilibrio térmico. [2, 4] Un Sistema De manera general se define como cualquier entidad de interés dentro de una frontera límite bien definido que lo separa del resto del universo, en termodinámica se define como aquella parte del universo que se escoge y aísla para su estudio termodinámico que de igual forma debe de estar bien definido por un límite o frontera, el sistema puede ser sólido, líquido, gaseoso o una combinación de los

anteriores, además, nos auxilia para estudiar las interacciones entre un sistema y su ambiente.[ 4,5, 10] Los Tipos de sistema que existen son; -

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Sistema Aislado: sistema delimitado de tal manera que no permite la entrada o salida de materia o energía siendo segregado de su ambiente, es decir, no hay una interacción de ningún tipo entre el ambiente y el sistema. [5, 10, 11, 12] Sistemas cerrados o masa de control: En este sistema la masa permanece constante, está delimitado por una frontera ocasionando que el sistema se mantenga sin interacciones significativas de su masa, puede haber una transferencia de masa, o la falta de ella dentro del sistema, pero si permite un intercambio de energía con su entorno. 5, 10, 11, 12 Sistemas abiertos o de flujo: En este sistema el volumen permanece constante, además, está delimitado por una frontera que permite intercambiar masa en cantidades importantes con su ambiente. [5, 10, 11, 12]

El Límite o frontera es una barrera física o imaginaria que separa el sistema de sus alrededores. [4, 5] los Tipos de límites o fronteras son; Límite Permeable; Frontera que permite el intercambio de materia, indica que el límite es abierto. [18, 19] El Límite Rígido; es la Frontera que hace nula las variaciones de volumen en el sistema. Un Límite Diatérmico o impermeable; permite un intercambio de energía, significa que el sistema es cerrado. [18, 19] Finalmente un Limite Aislante; es una Frontera que impide un intercambio de materia y energía. [18] Una punto a tener en consideración al hablar de un sistema que es igual de importante son sus Alrededores, parte del universo que puede interaccionar con el sistema. [5, 18, 19] El último concepto que abarca la ley cero de la termodinámica es el de Temperatura, en Física se define como una Magnitud escalar referida a la cantidad de calor que es capaz de transferir un sistema, también está muy relacionada con la energía cinética (energía obtenida con el movimiento de las partículas) ya que a medida la energía cinética de un sistema aumenta, éste se encuentra más caliente, es decir su temperatura es mayor. Dicha magnitud escalar es medible con un termómetro, usando una escala relacionada con la energía interna, Las unidades para expresar la temperatura son K, °F, ° C y R. [1, 4. 5, 8, 10, 11, 12] El termino temperatura al ser una propiedad termodinámica se utiliza al momento de medir la energía calorífica que irradia o transfiere un cuerpo, sin embargo, general se asocia con una sensación de “caliente” o “frío”.,

esta definición es muy ambigua y resulta altamente cualitativa para tratarse desde el punto de vista de un concepto perteneciente a una ciencia. [1, 4] Ahora, puede llegar a existir una confusión entre el concepto de calor y temperatura, sin embargo una importante diferencia es la siguiente; el calor asociado a un cuerpo depende de la cantidad de materia que tenga el cuerpo, es decir, es una variable extensiva ya que depende, como se dijo anteriormente, de la cantidad de materia del cuerpo, sin embargo la temperatura es una misma magnitud para todo el cuerpo o sistema sin importar su tamaño, ya que bien si se toma una pequeña parte del cuerpo o sistema inicial para medir su temperatura, encontraremos que será igual para la muestra recogida como para el resto del sistema, por esta razón es una variable intensiva. [9, 10] Un Proceso termodinámico Ocurre cuando en un Sistema termodinámico en un estado inicial 1 (estado 1) sufre una transformación hasta llegar al estado final 2 (estado 2). El sistema tiene un estado de equilibrio 1 y, por alguna interacción del entorno con el sistema, las propiedades termodinámicas de este último comienzan a modificarse hasta que las propiedades del sistema vuelven a quedar fijas y son diferentes al estado inicial de equilibrio, alcanzando un estado de equilibrio 2. . Durante los procesos, la transferencia de energía puede ocurrir en las fronteras del sistema como transferencia de calor o trabajo y pueden presentarse cambios en las propiedades del sistema. Aquellas propiedades que no cambian durante el proceso sirven para describir a éste. [4] El proceso termodinámico también se rige por una de las leyes de la termodinámica, para ser más específico por la Primera ley de la termodinámica, la cual establece que “la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”. [1,7] Fue establecida por James Prescott Joule en 1847, basándose en la ley de la conservación de la materia la cual propone que “La materia no se crea ni se destruye, solo se transforma”. [17] La primera ley propone que la energía en los sistemas pueden pasar de energía mecánica a energía calorífica u algún otro tipo de energía, así mismo, va de la mano con la ley de la conservación de la materia, esto se ve en los cambios de fases o estados de la materia, son características o atributos medibles en un sistema que al final ayudan a hacer una descripción matemática de la condición de dicho sistema en un momento dado. Cuando el sistema, que puede ser una sustancia, se encuentra en cualquiera de los tres estados de agregación - sólido, líquido o gas - y es sometido a una variación de temperatura y/o de presión se dice que cambia de estado. [6, 5] Desde un punto de vista microscópico y haciendo un análisis de los cambios moleculares los, cambios de estado ocurren debido a un incremento o decremento en la energía cinética de las moléculas de los cuerpos o sistemas que se

producen cuando se agrega o transfiere energía, es así como se aprecia la estrecha relación entre la energía y las características de la materia. [6, 7] Ahora bien, la materia se puede encontrar en tres estados fundamentales de forma natural, llamados Estados de agregación de la materia; estado líquido, sólido y en estado gaseoso, sus características son; -

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SOLIDO: Las partículas guardan una gran cercanía debido a que la fuerza de atracción entre los átomos es demasiado fuerte lo que ocasiona que muchas veces el movimiento sea muy limitado; por lo que la mayoría de los sólidos sólo se limitan a vibran cuando se les aplica o transfiere energía esto se ve reflejado en su densidad, pues los sólidos son más densos en comparación con los gases y los líquidos. A diferencia de los estados anteriores si tienen una forma definida. [7,13, 14] LÍQUIDO: En los líquidos las partículas se mantienen unidas por las fuerzas de atracción (fuerzas intermoleculares) estando más cercanas entre si aunque todavía mueven con cierta libertad deslizándose unas sobre otras. En este estado las sustancias sus mucho más densas que los gases, por tanto las moléculas sufren más colisiones entre si ocasionando que la difusión del líquido sea más lenta. [7, 13, 14] GASEOSO: Un gas está formado por partículas ya sean átomos o moléculas diminutas que sus se mueven con mucha libertad y al azar debido a la poca fuerza de atracción que hay entre sí ocasionando que no tenga una forma o volumen aun así, todos los gases poseen un volumen despreciable. Como los gases se mueven por todo el recipiente que los contiene se dice que tiene una energía cinética alta. [7, 13, 14]

Por último, la materia puede cambiar sus características físicas, a estos cambios se les conoce como cambios de fases o estado y como ya se vio anteriormente, esto ocurre por una variación en el calor de un cuerpo, los cambios que se observarán en el experimento son la solidificación y la evaporación; - Solidificación: Es el cambio de estado líquido de un cuerpo a estado sólido, ocurre cuando hay un decremento o perdida de energía cinética, ocasionando que las fuerzas de atracción entre las moléculas superen la fuerza del movimiento de las propias moléculas. [14] - Evaporación: Es el cambio de estado de la materia de líquido a gas, ocurre cuando hay un incremento en la energía cinética del sistema, ocasionando que las moléculas vibren demasiado, se venzan casi por completo las fuerzas moleculares que mantienen unidos los átomos y ganen aún más aleatoriedad en su movimiento de la que ya tienen los líquidos, además la presión del sistema

aumentara de tal modo que las moléculas escaparan del sistema con más facilidad. [14]

Justificación Este experimento tiene como fin comprobar de manera práctica cómo se lleva a cabo la transferencia de energía por convección y por conducción entre dos o más cuerpos o sistemas al interactuar de manera directa entre sí, para conseguir tal objetivo se utilizaran dos sistemas; un huevo y agua de llave y como límite o frontera se usará un recipiente que sirva como contenedor en el cual se calentara el agua y el huevo para lograr una cocción a baño maría, por lo tanto, el huevo, el agua y el recipiente estarán a diferentes temperaturas en un inicio y a medida que se les aplique calor con una estufa y con el paso del tiempo, habrá un intercambiado de energía dando como resultado una elevación en la temperatura de cada sistema lo que llevará finalmente a la cocción del contenido del huevo.

Planteamiento del problema El experimento demostrará de forma práctica cómo se lleva a cabo la transferencia de energía por convección y por conducción mediante la cocción a baño maría de un huevo sumergido en agua. Para ello, se colocará un huevo crudo dentro de un recipiente (una olla) llena de agua y posteriormente se procederá a aplicar calor al sistema formado, al transcurrir 15 minutos, el sistema habrá incrementado su energía calorífica y el huevo se habrá cocinado dentro de la cascara, sin embargo ¿Realmente habrá una transferencia de energía suficiente para que se lleve a cabo la cocción del huevo?

Hipótesis Cuando se le aplique calor a todo el conjunto de sistemas con uno de los quemadores de la estufa, habrá una transferencia de energía o calor entre la frontera (la olla), el sistema 2 (el agua) y el sistema 1 (el huevo), por medio de la convección; entre la olla y el agua y por medio de la conducción; entre la olla y el huevo, lo cual ocasionará que la clara y la yema de huevo se cocine.

Objetivo General Demostrar de manera experimental como se lleva a cabo la transferencia de energía calorífica (calor) por medio de la convección y la conducción entre una frontera permeable (la olla), un sistema 1(el huevo) y un sistema 2 (el agua).

Objetivo particular Observar el cambio de fase de la clara y yema de huevo, pasando de un estado inicial líquido (antes de la transferencia de calor) a un estado final solido (después de la transferencia de calor).

Variables Dependiente: Estado de la clara y yema del huevo, Independiente: Energía calorífica (calor)

Materiales Material General -

1 caja de fósforos 1 trapo de cocina 1 Cronometro 1 cámara

Material de metal -

1 olla de cocina de 1 L 1 pinza de cocina

Material de plástico -

1 jarra de 1 L 1 plato para sopa

Equipo -

1 estufa

Reactivos -

1 huevo 700 mL de agua

Metodología Se llenó la jarra de 1 L con 700 mL de agua y se vaciaron los 700 mL de agua en la olla con capacidad de 1 L, una vez hecho lo anterior, con los fósforos se prendió uno de los quemadores de la estufa, se introdujo el huevo crudo en la olla con agua y se colocó la olla sobre el quemador encendido. Con el cronometro se medió el tiempo hasta haber transcurrido de 10 a 15 minutos, posteriormente se apagó la estufa y con ayuda de la pinzas de cocina se pasó el huevo ya hervido de la olla a el plato para sopa. Finalmente, con las mismas pinzas de cocina se rompió la cascara del huevo para comprobar si realmente había ocurrido una transferencia de energía y se había cocido el contenido dentro de la cascara. (Se tomaron fotos como evidencia de todo e...