Laboratorio N° 3 - Determinación de la constante calorímetro Dewar PDF

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍNFACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOSESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICAINFORME DE LABORATORIOLABORATORIO N° 3TEMA: DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DEL CALORIMETROCURSO:Fisicoquimica IDOCENTE: Lilia Mary Miranda Ramos ALUMNOS:Abarca Laura Lisett MaritzaCamerccoa Q...

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FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

INFORME DE LABORATORIO LABORATORIO N° 3 TEMA: DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DEL CALORIMETRO CURSO: Fisicoquimica I DOCENTE: Lilia Mary Miranda Ramos ALUMNOS: Abarca Laura Lisett Maritza Camerccoa Quispe Briza Shantal Condori Apaza Kelly Mirella

Arequipa-Pe Arequipa-Perú rú

2021

LABORATORIO N°3 DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DEL CALORIMETRO 1. OBJETIVO Determinar experimentalmente la constante del calorímetro Dewar por el método de las mezclas. 2. FUNDAMENTO TEORICO El calorímetro Dewar (o vaso Dewar), consiste en un recipiente con doble pared de vidrio entre las que se ha hecho vacío, que disminuye la perdida de calor por conducción y convección. La pared interna se encuentra recubierta de una superficie reflectante que evita en gran parte la perdida de calor por radiación. Se le usa para mediciones de calor que se produce o absorbe en un proceso determinado. El método de las mezclas, consiste en mezclar un líquido caliente con otro frio. Ello genera una transferencia de calor desde el cuerpo más caliente hacia el más frío, hasta que ambos quedan a la misma temperatura, llamada temperatura de equilibrio. La constante del calorímetro es la cantidad de energía calorífica necesaria que hay que agregar al calorímetro para elevar su temperatura en un grado centígrado. Se da en unidades de cal / ºC o en joule / ºC. La constante del calorímetro se calcula por la siguiente ecuación experimental:

𝐾=

Donde:

𝑚𝑐 𝐶𝑝𝑐 (𝑇0 − 𝑇2 ) − 𝑚𝑓 𝐶𝑝𝑐 (𝑇2 − 𝑇1) 𝑇2 − 𝑇1

mc = masa de agua caliente mf = masa de agua fría To = temperatura del agua caliente T2 = temperatura final de la mezcla (de equilibrio) T1 = temperatura del agua fría

Link: https://www.youtube.com/watch?v=1L1S3v2BJEM https://www.youtube.com/watch?v=TSG8VvG_APs&t=10s

3. MATERIAL Y EQUIPO Calorímetro Dewar de 250 ml, termómetro, balanza, vaso de p.p., probeta y cocinilla eléctrica. 4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL a) Verter 120 g de agua a temperatura ambiente en el calorímetro, Colocar dentro un termómetro. Dejar en reposo. b) En un vaso de p.p. verter 120 g de agua y calentar hasta 60ºC aproximadamente. Colocar este vaso sobre un material aislante y dejar en reposo durante 3 minutos. c) Inmediatamente antes de la mezcla, medir con exactitud la temperatura del agua fría que está en el calorímetro y luego medir la temperatura del agua caliente que está en el vaso. Verter el agua caliente dentro del calorímetro que tiene el agua fría. Poner en marcha el cronómetro. Agitar la mezcla durante 60 segundos y registrar inmediatamente la temperatura. d) Continuar anotando las lecturas tiempo-temperatura, cada 60 segundos hasta completar 12 minutos.

5. PROCESAMIENTO DE DATOS  Temperatura del agua fría: 21.5°C  Temperatura del agua caliente: 61.5°C

Tiempo (s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600

Temperatura °C 41.1 40.9 40.9 40.9 40.8 40.8 40.7 40.7 40.6 40.6 40.6 40.6 40.6 40.6 40.6 40.5 40.5 40.5 40.5 40.4 40.4

6. ANALISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES Gráfica:

GRÁFICA N° 1: TEMPERATURA EN FUNCIÓN DEL TIEMPO 41.2

Temperatura (°C)

41.1 41

LEYENDA: y = -0.0009x + 40.936

40.9 40.8 40.7 40.6 40.5 40.4 40.3 0

100

200

300

400

500

600

700

Tiempo (s)

 Datos obtenidos para la determinación de la capacidad calorífica del calorímetro. Datos 𝑚𝑐 𝑚𝑓 𝑇0 𝑇2 𝑇1 𝐶𝑝𝑐

120g 120g 61.5°C 41°C 21.5°C 1𝑐𝑎𝑙 𝑔 °𝐶

𝐾=

𝑚𝑐 𝐶𝑝𝑐 (𝐻2 𝑂)(𝑇0 − 𝑇2 ) + 𝑚𝑓 𝐶𝑝𝑐 (𝐻2 𝑂)(𝑇2 − 𝑇1) 𝑇2 − 𝑇1

1𝑐𝑎𝑙 1𝑐𝑎𝑙 (41°C − 21.5°C) 120𝑔 𝑔 °𝐶 (61.5°C − 41°C) + 120𝑔 𝑔 °𝐶 𝐾= 41°C − 21.5°C

𝐾=

120 × 1𝑐𝑎𝑙(20.5) + 120 × 1𝑐𝑎𝑙(19.5) 19.5°C

𝐾 = 246.154

𝑐𝑎𝑙 °𝐶

7. CONCLUCIONES

 La pendiente de la curva calculada con los datos de temperatura en °C y tiempo en segundos, es negativa, esto se debe a que se encuentra en un proceso de enfriamiento, donde a medida que el tiempo transcurre la temperatura disminuye.  Por medio de la ecuación del calor se logra calcular la constante de calor específico del calorímetro cuando se hace un registro especifico de volúmenes de agua en diferentes temperaturas.  La temperatura de equilibrio varia en 0.5°C con la temperatura de equilibrio teórica.

8. ACTIVIDADES a) A partir del criterio del equilibrio térmico, deducir la ecuación experimental para el cálculo de la constante del calorímetro (K). 𝑞𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑓𝑟í𝑎 + 𝑞𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 + 𝑞𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = 0 𝑚𝑐 𝐶𝑝𝑐 (𝐻2 𝑂)(𝑇0 − 𝑇2 ) + 𝑚𝑓 𝐶𝑝𝑐 (𝐻2 𝑂)(𝑇2 − 𝑇1) + 𝑘(𝑇2 − 𝑇1) = 0

𝐾=

𝑚𝑐 𝐶𝑝𝑐 (𝐻2 𝑂)(𝑇0 − 𝑇2 ) + 𝑚𝑓 𝐶𝑝𝑐 (𝐻2 𝑂)(𝑇2 − 𝑇1) 𝑇2 − 𝑇1

b) Construir la curva de enfriamiento de la mezcla.

CURVA DE ENFRIAMIENTO TEMPERATURA EN FUNCIÓN DEL TIEMPO 41.2 41.1

LEYENDA

41

𝒚 = −𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟗𝒙 + 𝟒𝟎. 𝟗𝟑𝟔

Temperatura °C

40.9 40.8 40.7 40.6 40.5 40.4 40.3 0

100

200

300

400

500

Tiempo (s)

NOTA: La siguiente gráfica toma el tiempo en segundos.

600

700

c) Determinar la pendiente de la curva. Tiempo (s) X

n=21

Temperatura °C Y XY

X^2

0

41.1

0

0

30

40.9

1227

900

60

40.9

2454

3600

90

40.9

3681

8100

120

40.8

4896

14400

150

40.8

6120

22500

180

40.7

7326

32400

210

40.7

8547

44100

240

40.6

9744

57600

270

40.6

10962

72900

300

40.6

12180

90000

330

40.6

13398

108900

360

40.6

14616

129600

390

40.6

15834

152100

420

40.6

17052

176400

450

40.5

18225

202500

480

40.5

19440

230400

510

40.5

20655

260100

540

40.5

21870

291600

570

40.4

23028

324900

600

40.4

24240

360000

6300

853.8

255495

2583000

Podemos calcular la pendiente de la curva usando la siguiente formula y los datos de la tabla que se muestran en la parte superior.

𝑏=

𝑛(∑ 𝑋𝑌) − (∑ 𝑋)(∑ 𝑌) 𝑛(∑ 𝑋 2 ) − (∑ 𝑋)2

Reemplazamos:

𝑏=

21(255495) − (6300)(853.8) 21(2583000) − (6300 )2

𝑏 = −0.0009

d) Hallar la ecuación matemática de la curva, por el método de los mínimos cuadrados. La ecuación de la curva está definida por: 𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑏

Empleamos las siguientes fórmulas que corresponden al método de mínimos cuadrados:

(∑ 𝑥 )(∑ 𝑦) 𝑛 (∑ 𝑥)2 ∑ 𝑥2 − 𝑛

∑ 𝑥𝑦 − 𝑚=

𝑏=

∑𝑦 ∑𝑥 −𝑚 𝑛 𝑛

Reemplazamos los datos de la tabla obtenidos en la pregunta anterior:

∑𝑥

∑𝑦

∑ 𝑥𝑦

(6300)(853 .8) 21 𝑚= (2583000)2 2583000 − 21 255495 −

𝑚 = −0.0009

𝑏=

853.8 6300 − (−0.00093) 21 21

𝑏 = 40.936

Entonces tenemos que la ecuación matemática de la curva es: 𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑏 𝒚 = −𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟗𝒙 + 𝟒𝟎. 𝟗𝟑𝟔

∑ 𝑥2

e) Determinar la temperatura de equilibrio de la mezcla: 1) Gráficamente

NOTA: no se puedo realizar la gráfica con los datos de la experimentación

2) Analíticamente 𝑄𝑓 + 𝑄𝑐 = 0 𝑚𝑓 × 𝐶𝑓 × (𝑇2 − 𝑇1 ) + 𝑚𝑐 × 𝐶𝑐 × (𝑇2 − 𝑇0 ) = 0 120𝑔 × 1

𝑐𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑙 × (𝑇2 − 21.5°𝐶 ) + 120𝑔 × 1 × (𝑇2 − 61.5°𝐶) = 0 𝑔°𝐶 𝑔°𝐶 120𝑇2 𝑐𝑎𝑙 − 2580𝑐𝑎𝑙 + 120𝑇2 𝑐𝑎𝑙 − 7380𝑐𝑎𝑙 = 0 240𝑇2 𝑐𝑎𝑙 = 9960𝑐𝑎𝑙 𝑇2 = 41.5°𝐶

f) Determinar el valor de la constante del calorímetro (K). K=

𝑚𝑐 𝐶𝑝𝑐 (𝑇0 − 𝑇2 ) + 𝑚𝑓 𝐶𝑝𝑐 (𝑇2 − 𝑇1 ) 𝑇2 − 𝑇1

1cal 1cal (41 − 21.5)°𝐶 120𝑔 𝑔°𝐶 (61.5 − 41)°𝐶 + 120𝑔 𝑔°𝐶 K= 41°𝐶 − 21.5° 𝐶 𝐾=

246.154𝑐𝑎𝑙 °𝐶

g) Calcular, en el experimento realizado, la cantidad de calor cedida por el agua caliente, la cantidad de calor absorbida por el agua fría y la cantidad de calor absorbida por el calorímetro. 1cal 𝑔°𝐶

2460𝑐𝑎𝑙 °𝐶 2340𝑐𝑎𝑙 = °𝐶

× 120𝑔 × (41 − 61.5) = −



Calor cedido: 𝐶𝑝𝑐 𝑚𝑐 (𝑇2 − 𝑇0) =



Calor absorbido: 𝐶𝑝𝑓 𝑚𝑓 (𝑇2 − 𝑇1) =



Calor absorbido por el calorímetro: 𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 + 𝑄𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 = 0 𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 + (𝑄𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 + 𝑄𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 ) = 0 2460𝑐𝑎𝑙 2340𝑐𝑎𝑙 − + + 𝑄𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = 0 °𝐶 °𝐶 120𝑐𝑎𝑙 𝑄𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = °𝐶

1cal 𝑔°𝐶

× 120𝑔 × (41 − 21.5)...