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Práctica LEY DULONG-PETIT...

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Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Occidente

Laboratorio de Fisicoquímica

Práctica # 1 LEY DULONG-PETIT

A martes 12 de febrero del 2019

Resumen Esta práctica tuvo como objetivo comprobar la ley Dulong-Petit. Se logró a través de la experimentación con balances de calor mediante métodos de mezcla y deducciones de calor especifico de ciertos metales dados. El procedimiento consistió en realizar el balance de calor del termo, la cual se usó como pared adiabática. Posteriormente se pesaban los metales y se tomaba la temperatura de estos. Conociendo los datos anteriores, se ponían dentro del termo con agua para hacer toma de temperatura y peso. Así se repitió el procedimiento con los demás metales para entonces realizar los siguientes balances y cálculos y lograr obtener el calor especifico de cada uno

Objetivo  

Realizar el balance de calor del sistema y determinar experimentalmente el calor específico de diferentes elementos sólidos por el método de mezcla. Comprobar el cumplimiento de la Ley de Dulong -Petit.

Introducción La termodinámica es el estudio del calor, el trabajo, la energía y los cambios que producen en los estados de sistemas. Una propiedad clave de la termodinámica es la temperatura y muchas veces esta se define como el estudio de la relación de la temperatura con las propiedades macroscópicas de la materia (Levine, 2013). Fue necesario entender las primeras dos leyes de la termodinámica para la realización de esta práctica. Las cuales fueron la ley cero y la primera ley. la Ley cero y la primera ley de la termodinámica. En la ley cero se dice que si un cuerpo A, se encuentra a la misma temperatura que un cuerpo B, con la misma temperatura que un cuerpo C, quiere decir que entonces el cuerpo A, B y C estarán en equilibrio térmico. (Hernández Trujillo, 2016) Y la primera dice que la energía no se crea ni se destruye, sino que se conserva. O sea que cuando un sistema se somete a un ciclo termodinámico, el calor cedido por el sistema va a ser igual al recibido y viceversa. (Jfinternational.com, 2016) Para entender mejor esta ley y el estudio de la termodinámica es importante conocer algunos conceptos como:

Calor Este se define como la parte del flujo total de energía a través de la frontera de un sistema que se debe a una diferencia de temperatura

entre el sistema y su entorno, es decir un tipo de energía en tránsito. El calor no se almacena ni se crea y puede transferirse por convección, conducción o radiación. Además de que es una función de la trayectoria. En otras palabras, es la energía transferida entre sistemas con distintas temperaturas. Podemos decir que es la energía que se transfiere de un objeto más caliente a uno más frío y se mide en calorías o kilocalorías (Facultad Regional La Plata Integración III, 2016).

Calor Específico Es la cantidad de calor que se necesita por unidad de masa para elevar la temperatura un grado Celsius. La relación entre calor y cambio de temperatura se expresa normalmente de la siguiente forma: Q = mCpΔT Donde Cp es el calor específico, m es la masa y ΔT es el cambio de temperatura. Esta fórmula no se aplica si se produce un cambio de fase, porque el calor añadido o sustraído durante el cambio de fase no cambia la temperatura. El calor específico del agua es 1 caloría/g°C que es más alto que el de cualquier otra sustancia (Nave & Olmo, s.f.). Los calores específicos de metales están por debajo del de agua. Por KJ ejemplo, el del zinc es de 0.39 , el del aluminio es de 0.91 Kg∗ K KJ KJ , mientras que el del cobre es de 0.39 Kg∗K . (Sin autor, Kg∗ K 2005).

Capacidad calorífica Es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta, es decir, es la energía necesaria para aumentar una unidad de temperatura de una determinada sustancia. La capacidad calorífica depende de la temperatura y de la presión (Madeleine, s.f.). Esta se expresa como: Cp = mCp

Donde Cp es la capacidad calorífica, Cp es el calor específico y m es la masa. Conociendo estos conceptos anteriores se puede establecer que el calor ganado de un cuerpo es el calor perdido de otro cuerpo, por lo que: Qganado = - Qperdido O de otra forma: (mCpΔT)ganado = - (mCpΔT)perdido

Hubo varias investigaciones respecto a este estudio y sobre todo sobre los calores específicos o capacidades caloríficas de diferentes sustancias. Uno de estos experimentos fueron los de Dulong y Petit, y en ellos se encontró que el calor específico de un sólido a temperatura ambiente es muy similar para muchos materiales, que es aproximadamente a 6cal/molK. Este hecho tiene la siguiente interpretación (Mariani, et al., 2001): Como en un mol hay N átomos, siendo N el número de Avogadro y cada uno tiene tres grados de libertad, un mol de sólido tiene 3N grados de libertad. A cada uno de estos grados se les asigna una energía total promedio de kT. De este modo la energía total interna es: E = 3NkT = 3RT Donde R es la constante de los gases. La capacidad calorífica a volumen constantes resulta ser: Cv =

cal dE =3 R =6 dT mol∗ K

Este resultado se conoce como la ley de Dulong Petit (Mariani, et al., 2001).

Metodología Listado de materiales:    

Termo con tapa Dos termómetros digitales 1 vaso de precipitado Bascula





Metales o Zinc o Cobre o Aluminio o Hierro o Estaño o Plomo Agua caliente

Calor específico de elementos sólidos 1. Del experimento anterior se obtuvo el promedio de la capacidad calorífica del termo. 2. Se pesó el termo-termómetro y se registró el dato. 3. Se midieron 350ml de agua caliente en el vaso de precipitado, se vertieron en el termo y se tapó rápidamente para evitar pérdidas de calor. 4. Se pesó de nuevo el termo y se calculó la masa del agua caliente por diferencias de peso. 5. Se esperó hasta que el termo y el agua caliente estuvieran en equilibrio térmico y se registró su temperatura. 6. Después se pesó el metal que se utilizó y se midió y registró su temperatura. 7. Se colocó el metal rápidamente del termo y este se cerró inmediatamente. 8. Una vez que el sistema se encontró en equilibrio térmico, se registró la temperatura. 9. Por último, se realizó el balance de calor, utilizando el promedio de la capacidad calorífica del termo, y se calculó el calor específico del metal utilizado 10. Se repitieron los pasos del 2-9 cinco veces más para los distintos metales.

rT Pesar agua caliente

T Pesar metal a analizar sistema equilibrio o

sistema r el equilibrio ico

Pesar Medir T ar balance de sistema calor

Resultados -TABLA DE DATOS MEDIDOS (NOMBRADOS EN EL SUPERIOR) -DESARROLLO ECUACUONES Y CALCULOS Cpm=

−m H 2 O CpH 2 O ( T 2 H 2 o−T 1 H 2O)−m t Cpt ( T 2 t−T 1 t) m m ( T 2 m −T 1 m )

Donde: Cpm: Calor específico del metal M: masas del agua, termo y metal T2: Temperaturas finales del agua, termo y metal CpH2O: Calor específico del Agua (4.18 J/g k) Cpt: Calor específico del termo (Termo B: 0.0928848 J/g k) 

Tabla de resultados

Metal

Calor específico (J/g k)

Estaño Aluminio Cobre Plomo Zinc

0.250 J/g k 0.909 J/g k 0.391 J/g k 0.130 J/g k 0.389 J/g k

Calor específico Calor específico Calor específico experimental (J/g experimental % Error molar (J/mol k) k) molar (J/mol k) 29.7 J/mol k 0.273 J/g k 32.4 J/mol k 9% 24.5 J/mol k 0.958 J/g k 25.8 J/mol k 5.1% 24.8 J/mol k 0.337 J/g k 21.4 J/mol k 13.8% 26.9 J/mol k 0.202 J/g k 41.9 J/mol k 55.15% 25.4 J/mol k 0.413 J/g k 27.0 J/mol k 6%

Hierro

0.473 J/g k

26.4 J/mol k

0.387 J/g k

21.6 J/mol k

18.48%

Conclusión: Ximena: Para esta práctica fue necesario saber la diferencia entre calor específico y capacidad calorífica y esta es que el primero depende de la masa en gramos del sólido o de la sustancia, es decir que el calor específico es la cantidad de energía necesaria para subir un grado de temperatura por unidad de masa; mientras que capacidad calorífica no depende de la masa y se puede decir que equivale a la masa del sólido o sustancia por su calor específico. También fue necesario saber que calor (Q) es igual a la masa del objeto por su calor específico por el cambio de temperatura que presenta para, a partir de ahí, usando el balance de calor, calcular los calores específicos de los metales y la capacidad calorífica del termotermómetro. Al realizar la práctica fue necesario esperar a que el equilibrio térmico sucediera, y para eso, después de verter el agua caliente al termo se tuvo que tapar rápidamente para evitar las pérdidas de calor y tuvimos que esperar unos minutos a que el agua y termo se equilibran. Nos dimos cuenta que el equilibrio térmico sucedía cuando la temperatura se mantenía estable. Aunque no obtuvimos exactamente los resultados deseados debido a errores, como, por ejemplo, exceso de tiempo al esperar a que se estableciera la temperatura del termo, los cambios de temperatura del agua tan variados, el promedio del calor especifico del termo,

entre otros, creo que precisamente a partir de este tipo de prueba y error, se dio la oportunidad de que comprendiéramos aún mejor, los conceptos y el procedimiento de estos para la obtención de resultados. Lo más tedioso de los cálculos, nos resultaron ser los problemas experimentales, pues sino se obtenían estos de manera correcta o próxima a los demás desde la primera vez, empezábamos a preocuparnos porque pensábamos que estaban mal. Después, una vez obtenidos, con los cálculos anteriores cuando no resultaban muy cuerdos, comenzábamos a hacer teorías sobre los errores que pudieron ser los causantes y, por ejemplo en el plomo, nos dimos cuenta que un posible error podría haber sido que estábamos midiendo su temperatura desequilibradamente pues el lo tomamos recién lo había usado nuestros compañeros, entonces seguía un poco calientey nos dimos cuenta cuando ya habíamos terminado los cálculos y tuvimos que repetirlo con el fin de disminuir posibles errores. Entonces dedujimos que cuando se trata de un trabajo tan sistemático como sustituir formulas y repetir procedimientos idénticos, se tiene que prestar el triple de atención para no tener problemas de: “¿éste ya lo habíamos hecho?” “¿Cuándo salió el cambio de temperatura de la primera masa?” “¿…no era esa la de la segunda masa?” lo cual nos sucedió mucho. Pero fue una práctica que aparte de echar a andar en práctica lo visto teóricamente, echamos a andar “la ardilla”.

Bibliografía Levine, I. (2013). Principios de Fisicoquímica. Sexta edición. México: Mc Graw Hill. Pag. 3. Felder, R. y Rousseau, R. (2010). Principios elementales de los procesos químicos. 3ª edición. México: Limusa Wiley. 316 Nave, R., & Olmo, M. (s.f.). Termodinámoca. Obtenido de HyperPhysics: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/spht.html Facultad Regional La Plata Integración III . (2016). Balance de energia . Obtenido de Procesos Bio: http://www.frlp.utn.edu.ar/materias/integracion3/UT3_Balance_de_materi a_y_energia.pdf Sin autor (2005). Medición del calor específico, Termodinámica. Obtenido http://www.lfp.uba.ar/minotti/fiibyg/cp_solido.pdf

Guía

módulo en:

Mariani, L., González, M., Martín, L. y Secreto, G. (2001). Calor específico en un sólido cristalino. Buenos Aires, Argentina. Obtenido de Facultad de Ingeniería, Ciencias Exactas y Naturales Universidad, C. A. http://www.fisicarecreativa.com/informes/infor_termo/exp_debye.pdf Madeleine, G. (s.f.) Física Termodinámica, capacidad calorífica. Obtenido en: https://simplementefisica.wordpress.com/tercer-corte/capacidadcalorifica/ Berry R.S., Rice S., Ross J., “Physical Chemistry”, John Wiley &Sons, Inc., New York, 1980. (Cedrón, J., et. Al., sf). 1.3.1.- Calor Específico y Capacidad Calorífica | Química general. [online] Corinto.pucp.edu.pe. Recuperado de: http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/131-calor-especifico-y-capacidadcalorifica.html (Cuaderno de Cultura Científica, 2013). Leyes, teorías y modelos (I): La definición de ley física | Experientia docet | Cuaderno de Cultura Científica. Recuperado de: http://culturacientifica.com/2013/02/05/leyes-teorias-y-modelos-i-la-definicion-de-leyfisica/ (Fisicayquimicaenflash.es. 2016). e_termica_3. Recuperado de: http://fisicayquimicaenflash.es/eso/4eso/e_termica/e_termica03.html Guerasimov, YA., et al. “Curso de Química Física”, Tomo 1, Editorial MIR, Moscú, 1971.

(Hernández Trujillo, 2016). Ley cero de la termodinámica. Ley cero de la termodinámica. Recuperado de: http://depa.fquim.unam.mx/jesusht/termo_leycero.pdf (Jfinternational.com, 2016) . Termodinamica, Principios y Leyes. Recuperado de: http://www.jfinternational.com/mf/termodinamica.html Leybold’s E. Nachfolger, “Manual of Experiments No. 3: Heat, Köln-Bayental, Germany Shoemaker, David P., et al. “Experiments in Physical Chemistry”, 4ª edición, Mc Graw Hill Company, New York, 1981....