Laboratorio 1 - DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DE UN CALORÍMETRO PDF

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SISTEMA DE GESTIÓN DE LABORATORIOS FACULTAD DE CIENCIAS

TÉCNICA DE LABORATORIO ELABORADO POR: Abigail Acosta, Luis Córdova, Manuel Flores, Alexander Lema, Jerry Mena. FECHA: Mayo 2017 REVISADO: ING. Mónica APROBADO: ING. Mónica FECHA: Mayo 2017

DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DE UN CALORÍMETRO

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INFORME N° 1 DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DE UN CALORÍMETRO 1. OBJETIVO(S): 1.1. GENERAL Calibrar el instrumento que nos permitirá estudiar procesos físicos y químicos en los cuales se producen cambios térmicos. 1.2. ESPECÍFÍCOS 

Determinar la capacidad calorífica de un líquido problema utilizando un calorímetro simple



Observar el comportamiento al mezclar dos sustancias que se encuentran a diferente temperatura.



Calcular la constante de equilibrio de un calorímetro, por medio de la ecuación de calor.

2. MARCO TEÓRICO Y REFERENCIAL 2.1 Marco Referencial La práctica se realizó en el laboratorio de Fisicoquímico

de la Facultad de

Ciencias en la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo ubicada en la Panamericana Sur km ½ en la Ciudad de Riobamba-Ecuador. 2.2 Marco Teórico La capacidad calorífica es la cantidad de calor que se requiere agregara un sistema para que aumente su temperatura 1 °C y se mide en J/°C. El calor específico en cambio es la cantidad de calor que se requiere agregar a un gramo de una sustancia para elevar su temperatura 1 °C y se mide en J/g°C. El calor LABORATORIO

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específico es una propiedad intensiva, es un valor fijo para una sustancia y no depende de la cantidad de materia. La capacidad calorífica es una propiedad extensiva, cuánto más grande es la muestra más grande es el calor que se requiere para elevar su temperatura en una cantidad dada y así mayor es su capacidad calorífica (Atkins, 2006). La calorimetría es la ciencia y la tecnología que se ocupan de medir con precisión la energía y la entalpía (Rolle, 2006). La transferencia de energía como calor se mide en un calorímetro, dispositivo en el que el calor transferido se monitoriza mediante la observación del cambio de temperatura que se produce y usando la capacidad calorífica del calorímetro (Atkins, 2006). Cuando se realizan determinaciones calorimétricas, se debe conocer la capacidad calorífica de la celda calorimetría; ya que la cantidad de calor involucrada en el proceso, también afectara el calorímetro y sus componentes los cuales tomaran parte del calor. Si se tiene en cuenta lo anterior, la capacidad calorífica del calorímetro será una constante propia del instrumento y que está relacionada con el volumen de las sustancias utilizadas. El instrumento que se usa para medir el calor liberado o absorbido durante un proceso es el calorímetro adiabático. El cambio de temperatura ( ∆ T) del calorímetro es proporcional al calor ( q) que el proceso libera o absorbe. Para convertir

∆ T en q se debe calibrar el calorímetro. Esto supone determinar la

constante del calorímetro (C). Se denomina constante del calorímetro a la cantidad de calor absorbida o liberada por las distintas partes del mismo (paredes internas, termómetro, tapa) cuando se aumenta o se disminuye, respectivamente, su temperatura en 1°C. Para estimar C se transfiere una cantidad conocida de

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calor al calorímetro y se mide el cambio de temperatura provocado en el instrumento. De la ecuación (2.1) Se despeja C y se determina su valor. Una vez conocida esta cantidad, es simple relacionar el cambio de temperatura del calorímetro con el calor del proceso usando la ecuación (2.1). Ley cero de la termodinámica: La ley del equilibrio térmico, ley cero de la termodinámica es otro principio importante. La importancia de esta ley para el concepto de la temperatura no se comprendió hasta que otros aspectos de la termodinámica alcanzaron un estado bastante avanzado de desarrollo, de ahí su peculiar nombre Ley cero. La ley cero de la termodinámica se resume a expresar, cuando dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema también lo estarán entre sí. 4. PARTE EXPERIMENTAL: 4.1. Materiales y Equipos:

 Calorímetro  Vaso de precipitación de 250 mL  Probeta graduada de 25 mL  Hornilla eléctrica  Termómetro  Varilla de agitación 4.2. Sustancias

 Agua LABORATORIO

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4.3. Desarrollo experimental Para realizar la determinación se coloca dentro del calorímetro una masa conocida de agua a temperatura ambiente ( m1) y se determina su temperatura ( T1). Se agrega otra masa conocida de agua caliente ( m2) a una temperatura conocida (T2). Se permite que ambas se mezclen bien y entonces se determina la temperatura final del sistema (Tf) y se calcula la constante del calorímetro a partir de la siguiente relación la cual se obtiene considerando que el calorímetro es un recipiente adiabático, esto es, al sumar las cantidades de calor absorbidas o liberadas por los diferentes componentes del calorímetro es igual a cero: (2.2) Desarrollando esta expresión: (2.3) Despejando la constante del calorímetro C, se obtiene esta ecuación

(2.4)

Donde es el calor específico del agua (4.184 J g-1 °C-1). El calor específico del agua se define como el calor requerido para elevar en 1 °C la temperatura de un gramo de esta sustancia. Para obtener esta constante, haga lo siguiente: 1. Vierta 75 mL de agua a temperatura ambiente ( T1) en un vaso de precipitación de 250 mL previamente pesado. Pese nuevamente el vaso LABORATORIO

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con agua y obtenga por diferencia la masa de agua a temperatura ambiente (m1). Vierta el agua en el calorímetro, espere un par de minutos y mida la temperatura (T1). 2.

Caliente otros 75 mL de agua en un vaso de precipitación de 250 mL previamente pesado. Cuando la temperatura alcance un valor de aproximadamente 70 °C (T2), retire el vaso de la hornilla y vierta el agua caliente en el calorímetro y tápelo. Pese nuevamente el vaso de precipitación y obtenga por diferencia la masa de agua caliente agregada (m2). Deje transcurrir unos 3 minutos mientras agita suavemente la mezcla presente en el calorímetro. Registre la temperatura final (Tf).

3. Calcule el valor de C usando la ecuación (2.4). 4. Repita los pasos 1, 2 y 3 para obtener una réplica. Exprese el valor de C como C± s , donde C es el promedio de los dos valores calculados de C, y s es la desviación estándar. Anotar este valor porque servirá para futuras prácticas. Conservar el calorímetro. 5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN: 5.1 Resultados Tabla 1.1. Datos obtenidos para la determinación de la capacidad calorífica del calorímetro.

Datos Temperatura Temperatura final Peso del vaso p. vaso con agua Diferencia LABORATORIO

Vaso 1 20°C 104.64 g 203.33 g 99.39 g

Vaso 2 70°C 42°C 103.75 g 202.62 g 98.87 g

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P. vaso Caliente

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104.90 g

Fórmula a utilizar:

99.39 g C=

1 cal 1 cal ( 42− 20 ) ° C+98.87 g ( 42 −70 ) °C g°C g °C (20−42)° C

C=26.4445

Cal g°C

Tabla 1.2. Datos obtenidos para la determinación de la capacidad calorífica del calorímetro.

Datos Temperatura Temperatura final Peso del vaso p. vaso con agua Diferencia P. vaso Caliente

Vaso 1 21°C 104.10 g 203.17 g 99.071 g

Vaso 2 70°C 42°C 104.82 g 202.35 g 97.52 g 104.902 g

Fórmula a utilizar: LABORATORIO

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99.071 g C=

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1 cal 1cal ( 42−21 ) °C +97.52 g ( 42−70) °C g°C g °C (21−42)°C

C=30.9556

Cal g°C

Tabla 1.3. Datos obtenidos para la determinación de la capacidad calorífica del calorímetro.

Datos Temperatura Temperatura final Peso del vaso p. vaso con agua Diferencia P. vaso Caliente

Vaso 1 20°C 104.08 g 202.65 g 98.56 g

Vaso 2 70°C 41°C 103.95 g 202.59 g 98.63 g 103.99 g

Fórmula a utilizar:

98.56 g C=

1 cal 1 cal ( 41 −20 ) ° C+98.63 g ( 41 −70 ) °C g °C g °C (20−41)° C

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C=37.64

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Cal g°C

Desviación Estándar(s):

Donde ∑ significa "suma de", x es un valor de un conjunto de datos,

´x

es la

media del conjunto de datos, y n es el número de puntos de datos. Paso 1: ´x =

26.4445+ 30.9645 + 37.64 3 ´x =31.683

Paso2:

( 26.4445−31.683 )2 =27.4418 2 ( 30.9645−31.683 ) =0.5162

( 37.64 −31.683)2=35.4858 Paso 3:

√

27.4418 + 0.5162 + 35.4858 3

S = 4.5986

5.1.2 Análisis de Resultados

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La capacidad calorífica del agua fue de 0.31 kcal/g°C, sabiendo que la capacidad calorífica real es de 1 cal/ g °C, el error puede haber sido resultado de la mala lectura en el termómetro, no dejar pasar el tiempo suficiente para que la temperatura fuese constante, o que el termómetro haya el vaso del calorímetro en la lectura, entre las variaciones que afectan a la capacidad calorífica se encuentra la temperatura, la composición y estados de las sustancias, así como sus impurezas. 5.2 Discusión: Como se puede observar en la sección de Cálculos, para la Cp del agua se tomaron valores dependiendo de la temperatura a la que se encontrara ésta al inicio, porque la cantidad de calor que puede ceder un líquido depende de la temperatura a la que se encuentre y de la capacidad calorífica de ese líquido a esa temperatura. Efectuando los cálculos que se derivan de la formula (2.2), se determina el valor de la capacidad calorífica C. La capacidad calorífica del calorímetro se asigna al valor medio de los tres valores encontrados. Expresar los resultados en calorías y en unidades del Sistema Internacional, sabiendo que 1cal = 4,185 J. 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1 Conclusiones: -Se obtuvo un valor de calor específico del agua a 42ºC de 31.68 cal/g°C que comparado con lo esperado tiene un error de 96.21% y una deviación estándar de 4.5986. -Se observó que las dos mezclas al entrar en contacto alcanzan un equilibrio térmico, cumpliéndose así la Ley cero de la termodinámica.

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-Por medio de la ecuación del calor se logra calcular la constante de calor específico del calorímetro cuando se hace un registro específico de volúmenes de agua en diferentes temperaturas. 6.2. Recomendaciones: Al momento de medir la temperatura en el calorímetro se tiene que tomar en cuenta que el termómetro no tope el vaso del calorímetro, ya que podría afectar los datos de la temperatura. Al momento de tomar los datos de la temperatura dejar pasar un cierto tiempo hasta que la temperatura se mantenga constante.

Trabajar con sustancias puras, ya que las impurezas afectaran en la toma de datos. 7. Bibliografía: 

Atkins, P.W. y Jones, L.L. (2006). Principios de Química. Los caminos del descubrimiento (3a ed.). España: Editorial Médica Panamericana, pp. 205



Rolle, K. (2006). Termodinámica (6ª ed.). México: Pearson Educación, pp. 161



SEDESOL, Secretaría de Desarrollo Social (2007). Manual de Normas de control de Calidad de la leche: LICONSA, pp. 22.



Smith, J., Van Ness, H. y Abbott, M. (1997). Introducción a la termodinámica en ingeniería química (5ª ed.). México, D. F.: McGraw-Hill, pp. 250-254



Velasco, C., Martínez, A. y Gómez, T. (2010). Termodinámica Técnica (1ª ed.). Zaragoza, España: Prensas Universitarias de Zaragoza, pp. 109

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8. Anexos y Cuestionario 8.1 Cuestionario

1. ¿Qué es un calorímetro y cuál es su propósito? Describa los componentes de un calorímetro. El calorímetro es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. En un caso ideal de transferencia de calor se puede hacer una simplificación: que únicamente se consideren como sustancias intervinientes a las sustancias calientes y frías entre las que se produce la transferencia de calor y no los recipientes, que se considerarían recipientes adiabáticos ideales, cuyas paredes con el exterior serían perfectos aislantes térmicos (calorímetro); el caso real más parecido sería un termo o un saco de dormir con relleno de plumas. Componentes

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En esta figura se puede apreciar el vaso interno (1) llamado el calorímetro propiamente dicho, que generalmente es de aluminio. Este vaso está aislado del cuerpo externo del calorímetro mediante apoyos de material aislante (corcho, tergo Pol, etc.) en la base y los costados (3). El cuerpo externo está formado por una doble pared (2) de aluminio dentro de la cual se coloca aislante térmico para aumentar el aislamiento total del calorímetro; este material inserto entre las paredes (4) es generalmente una plancha de tergo Pol. El vaso interno tiene una tapa de aluminio (5) con dos orificios, para permitir el ingreso del termómetro (6) y del agitador (7). El cuerpo externo también tiene una tapa (8) con dos orificios. Para lograr que el aire dentro del calorímetro actúe como un aislante extra, es que se lo cierra con estas tapas. En los orificios se colocan burletes de goma (9) para aumentar el aislamiento con el exterior. 2. Investigue otra manera de calcular la constante de un calorímetro. Describa el procedimiento. Preparar 200 ml de una disolución aproximadamente 1M de HCl a partir de HCl concentrado. Utilizar la probeta para enrasar y efectuar la preparación en la campana de gases. La disolución ha de prepararse con agua destilada. Una vez disponibles los 200 ml de ácido, éstos se han de verter en el calorímetro, que deberá estar limpio y seco. Debido a que el ácido ataca las paredes del calorímetro es recomendable reemplazar el recipiente interior por un vaso de precipitados de 400 ml. Tapar el calorímetro, agitar y tomar la temperatura del mismo una vez se haya alcanzado el equilibrio. Mientras se estabiliza la disolución de ácido se procede a preparar 200 ml de una disolución de NaOH aproximadamente 1M. Pesar la cantidad necesaria utilizando el vaso de 100 ml en la balanza de precisión. Añadir agua destilada en el vaso y enrasar finalmente en la probeta. Tomar la temperatura de disolución de base asegurándose que ésta se ha equilibrado. La disolución de NaOH es fuertemente exotérmica y además hay que asegurarse que está bien mezclada. Una vez se conocen con precisión las temperaturas de la disolución de ácido (en el calorímetro) y de la disolución de base, se procede a añadir ésta en el calorímetro. Mezclar bien y esperar a que se alcance el equilibrio. Una vez llegados a este punto, anotar la temperatura de la mezcla. Cálculos LABORATORIO

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