Práctica Unidad Nº1 - Expansión Anómala DEL AGUA (1) PDF

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EXPANSIÓN ANÓMALA DEL AGUA ...

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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE TERMODINÁMICA I

LABORATORIO DE TERMODINÁMICA I PRÁCTICA UNIDAD Nº1 EXPANSIÓN ANÓMALA DEL AGUA

Integrantes del Grupo: Paralelo: Profesor: Ayudante: Fecha de Entrega:

Quito – Ecuador 2020-2020

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RESUMEN

Determinación del comportamiento anómalo del agua por medio por medio de la utilización de un software para conocer el punto donde alcanza su mayor densidad con variables de temperatura. Al establecer los parámetros de preparación y obteniendo los valores iniciales, tanto en la primera experimentación como la segunda, se procede a determinar las variaciones de altura el fluido del capilar en variación a la temperatura de enfriamiento del fluido de trabajo. Todo esto se procedió con la finalidad de obtener los valores teóricos de la densidad relativa del fluido con tres distintos valores iniciales. Concluyendo así que la densidad del fluido de trabajo, el agua, tiene una variación de hasta 1,0206 g/cm3

PALABRAS CLAVE: DENSIDAD_RELATIVA/FLUIDO /VARIACION_DE_TEMPERATURA /TEMPERATURA_DE_ENFRIAMIENTO

PRÁCTICA UNIDAD Nº1

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ANOMALÍA DEL AGUA 1. INTRODUCCIÓN El agua es diferente a la mayoría de los otros materiales, ya que hasta una temperatura de aproximadamente 4°C se contrae inicialmente y solo comienza a expandirse a temperaturas más altas. Dado que la densidad está inversamente relacionada con el volumen de una masa, el agua alcanza su densidad máxima a aproximadamente a los 4ºC. 2.

OBJETIVOS

2.1. OBJETIVO GENERAL 

Determinar la temperatura donde el agua alcanza su densidad máxima.

2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

3.



Medir la expansión térmica del agua en un rango de temperatura entre 0ºC y 20ºC.



Demostrar de la anomalía térmica.



Determinar la temperatura cuando la densidad está en un máximo.

TEORÍA

3.1. Molécula de agua El agua es un compuesto químico inorgánico formado por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Esta molécula es esencial en la vida de los seres vivos, al servir de medio para el metabolismo de las biomoléculas, se encuentra en la naturaleza en sus tres estados y fue clave para su formación.

“La molécula del agua es polar, pues tiene un polo negativo y otro positivo, aunque el conjunto de la molécula es neutro. De este carácter polar derivan casi todas sus propiedades fisicoquímicas y biológicas.” (Cognetti, 2001) 3.2. Fuerzas intermoleculares 3.2.1. Moléculas apolares

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“Las moléculas apolares son aquellas moléculas que se producen por la unión entre átomos que poseen igual o muy similar electronegatividad, y se da una diferencia de electronegatividad de 0 a 0,4. Las fuerzas con las que los átomos que conforman la molécula atraen los electrones del enlace son iguales, produciéndose así la anulación de dichas fuerzas.” (Devlin, 2004)

3.2.2. Moléculas polares Cuando una molécula está compuesta de átomos diferentes y existe una diferencia de electronegatividad entre 0,4 y 1,7 se dice que es una molécula polar. “Cuanto mayor sean las diferencias de electronegatividad entre dos átomos, tanto mayor será la densidad electrónica del orbital molecular en las proximidades del átomo más electronegativo, se origina un enlace polar.” (Chang, R, 2011) 3.3. Enlace de hidrógeno 3.3.1. Estructura del hielo El hielo presenta una estructura hexagonal en la que cada átomo de oxígeno de una molécula de agua tiene otros cuatro átomos de hidrógeno como sus vecinos más próximos, situados en los vértices de un tetraedro regular cuyo centro es el átomo de oxígeno de interés. “El agua cuando está en estado sólido es debido a que se han establecido los cuatro enlaces por puente de hidrógeno en todas las moléculas de agua, adquiriendo una conformación de red cristalina fija que no se encuentra en continuo movimiento.” (Aguilera, M, 2017)

3.3.2. Estructura del agua líquida La carga neta de la molécula de agua es cero, no obstante, debido a una diferencia de polaridad dentro de la molécula hace que el oxígeno tenga una cierta densidad de carga

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negativa y el hidrógeno una positiva, formando un dipolo permanente; además esta polaridad permite que se formen enlaces por puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua. “El agua en estado líquido forma una extensa red mantenida por enlaces por puente de hidrógeno. Es decir, se puede concebir como una red compuesta por el agrupamiento oscilante de moléculas de agua unidas por puentes de hidrógeno que continuamente se están reorganizando.” (Chang, 2011) 3.4. Propiedades anómalas del agua 3.4.1. Temperatura de ebullición “Presenta un punto de ebullición de 100 °C (373,15K) a presión de 1 atmósfera, presión atmosférica estándar a nivel del mar. El calor latente de evaporación del agua a 100 °C es 540 cal/g. Al encontrarse por debajo de los 100°, el agua se mantiene intacta. Por esta razón existen los océanos, mares, ríos, lagos o lagunas dispersos sobre la Tierra.”(Rodríguez & Galvin, 1999) 3.4.2. Calor específico El agua puede absorber grandes cantidades de calor que es utilizado para romper los puentes de hidrógeno, por lo que la temperatura se eleva muy lentamente. Esta propiedad es fundamental para los seres vivos ya que, gracias a esto el agua reduce los cambios bruscos de temperatura, siendo un regulador térmico muy bueno.

“El calor específico del agua es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura, en un grado Celsius, a un gramo de agua en condiciones estándar y es de 1 cal/°C•g, que es igual a 4,1840 J/K•g.” (Cengel, Y, 2009) 3.4.3. Tensión superficial

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La superficie del líquido se comporta como una película capaz de alargarse y al mismo tiempo ofrecer cierta resistencia al intentar romperla; esta propiedad contribuye a que algunos objetos muy ligeros floten en la superficie del agua aun siendo más densos que esta. “El agua tiene una gran atracción entre las moléculas de su superficie, creando tensión superficial. A presión constante, el índice de tensión superficial del agua disminuye al aumentar su temperatura.”(Cognetti, 2001)

3.4.4. Densidad La densidad del agua líquida es muy estable, pero la estructura cristalina del agua sólida es muy abierta y poco compacta, menos densa que en estado líquido, Este factor hace que la densidad del agua varié dependiendo de la temperatura y presión a la que se encuentre. “A la presión de 1 atmósfera, el agua líquida tiene una mínima densidad a los 100 °C, donde tiene 0,958 kg/L. Mientras baja la temperatura, aumenta la densidad y ese aumento es constante hasta llegar a los 4,0 °C, donde alcanza su máxima densidad: 1 kg/L.” (Cengel & Boles, 2009) 3.4.5. Diagrama de fases del agua Se denomina diagrama de fase o diagrama de estados de la materia, a la representación entre diferentes estados de la materia, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo. Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación diferentes, se suele denominar diagrama de cambio de estado.

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Figura 1.- Diagrama T-v (temperatura-volumen específico)

Fuente: Cengel,Y; Boles,M (2006): TERMODINÁMICA, 7° edición. 3.4.6. Diagrama de fases del hielo a elevadas presiones. El agua es una sustancia muy simple en apariencia, pero su diagrama de fases a altas presiones aún nos reserva muchos misterios. En lugar de formar un sólido amorfo de alta densidad (HDA), pasa por una secuencia de fases cristalinas que están empezando a desvelarse mediante difracción de neutrones. Figura 2.- Diagrama de las fases del agua a presiones altas.

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Fuente: Rodríguez, J; Galvin, R (1999): FISICOQUIMICA DE AGUAS, España,1° edición. 3.5. Expansión anómala del agua “La dilatación del agua presenta una anomalía notable. El volumen específico del agua disminuye conforme aumenta la temperatura en el intervalo de 0 a 4°C; en este intervalo el coeficiente de dilatación del agua es negativo. Para temperatura superiores a los 4°C, el volumen especifico del agua aumenta al aumentar la temperatura.” (Ibañez Mengual & Martín Rodríguez, 1989)

4.

PARTE EXPERIMENTAL

Realización de la práctica en el software “Thermodynamics Virtlab”. 4.1. Materiales y Equipos Cuba hidroneumática Agitador magnético Capilar de vidrio Termopar

A: ± 0,01 (°C)

R: [-65, +1150](°C)

Matraz de tres bocas

A: ± 0,25 (mL)

R: [0-250](mL)

Regla

A: ± 1

R: [0-39](mL)

(mm)

4.2. Sustancias y Reactivos Agua

H2O(l)

Hielo

H2O(s)

4.3. Procedimiento 4.3.1. Establecer los parámetros iniciales del experimento. Registrar el agua inicial en el tubo capilar y la temperatura inicial e iniciar el proceso de enfriamiento por agua.

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4.3.2. A intervalos regulares, registrar la temperatura del agua T[ºC] y el nivel de agua en el tubo capilar h[mm]. 4.3.3. Continuar el experimento hasta detenerse en los 0.5ºC 4.3.4. Repetir el experimento con dos diferentes parámetros iniciales. Nota: El diámetro del tubo se aumenta visualmente para ilustrar mejor el experimento. 5. DATOS 5.2. Datos teóricos de la densidad del agua

Agua Hielo

Tabla 1. Variación de la densidad del agua con la temperatura Temperatura [°C] Densidad [g/cm3] 0 0,99984 3,48 1,00000 0 0.917

Fuente: Rodríguez, M. G. (2006). Depuración de aguas residuales: Modelización de procesos de lodos activos. Madrid: Editorial CSIC - CSIC Press.

5.3. Datos Experimentales 5.3.1. Experimento 1 Tabla 2. Parámetros Iniciales Experimento 1 Velocidad de Nivel de Agua Diámetro del Temperatura Inicial, Enfriamiento, λ, Inicial, h0, Capilar, D, [mm] T0, [ºC] [ºC/min] [mm] 4 15 16 153 Fuente: Grupo 9 (2020) Thermodynamics Virtlab, Facultad de Ingeniería Química. Laboratorio de Termodinámica I. Tabla 3. Nivel de agua y Temperatura Experimento 1 Temperatura, T, [ºC] Nivel de Agua, h, [mm] 15.75 147 15 125 14.83 122 13.61 95 13.09 87 12.44 75 11.40 591

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10.92 10.31 8.94 8.09 6.28 4.92 3.45 2.31 1.02 0,5

53 45 30 23 9 4 5 10 24 32

Fuente: Grupo 9 (2020) Thermodynamics Virtlab, Facultad de Ingeniería Química. Laboratorio de Termodinámica I. 2. Experimento 2 Tabla 4. Parámetros Iniciales Experimento 2 Velocidad de Diámetro del Temperatura Inicial, Agua Inicial, Enfriamiento, λ, Capilar, D, [mm] T0, [ºC] h0, [mm] [ºC/min] 10 26 20 283 Fuente: Grupo 9 (2020) Thermodynamics Virtlab, Facultad de Ingeniería Química. Laboratorio de Termodinámica I.

Tabla 5. Nivel de agua y Temperatura Experimento 2 Temperatura, T, [ºC] Nivel de Agua, h, [mm] 15,40 135 15,18 130 14,83 122 14,06 104 13,83 136 13,09 86 12,44 75 11,79 64 11,40 59 10,92 53 10,31 45 8,94 30 8,09 22 6,28 9 4,92 5 3,45 4 2,31 10 1,02 23 0,5 33

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Fuente: Grupo 9 (2020) Thermodynamics Virtlab, Facultad de Ingeniería Química. Laboratorio de Termodinámica I. 5.1.3. Experimento 3 Tabla 6. Parámetros Iniciales Experimento 3 Velocidad de Diámetro del Temperatura Agua Inicial, h0, Enfriamiento, λ, Capilar, D, [mm] Inicial, T0, [ºC] [cm] [ºC/min] 2 15 16 153 Fuente: Grupo 9 (2020) Thermodynamics Virtlab, Facultad de Ingeniería Química. Laboratorio de Termodinámica I. Tabla 7. Nivel de agua y Temperatura Experimento 3 Temperatura, T, [ºC] Nivel de Agua, h, [cm] 15.72 14.5 15.14 13.0 14.66 11.8 14.08 10.6 13.67 9.7 12.76 7,8 12.31 7.4 11.15 5.7 10.30 4.6 9.32 3.5 8.31 2.5 7.73 2 6.93 1.4 6.26 1 5.41 0.6 3.98 0.4 2.4 1 0.5 3.2 Fuente: Grupo 9 (2020) Thermodynamics Virtlab, Facultad de Ingeniería Química. Laboratorio de Termodinámica I. 5.1.4. Experimento 4

Tabla 8. Parámetros Iniciales Experimento 3 Velocidad de Enfriamiento, λ, [ºC/min]

Diámetro del Capilar, D, [mm]

Temperatura Inicial, T0, [ºC]

Agua Inicial, h0, [mm]

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8 1.50 16 150 Fuente: Grupo 9 (2020) Thermodynamics Virtlab, Facultad de Ingeniería Química. Laboratorio de Termodinámica I.

Tabla 9. Nivel de agua y Temperatura Experimento 3 Temperatura, T, [ºC] Nivel de Agua, h, [mm] 14.91 121 12.76 78 11.54 60 10.78 50 10.13 42 9.38 34 8.07 21 6.52 10 5.68 6 4.92 4 2.78 7 1.45 18 0.86 26 0.5 32 Fuente: Grupo 9 (2020) Thermodynamics Virtlab, Facultad de Ingeniería Química. Laboratorio de Termodinámica I. 6. CÁLCULOS 6.2. Cálculo de la función polinómica que mejor se ajuste a los datos obtenidos h=f (T ) Función polinómica experimento 1. 3 2 f ( T )=−0.0013 x +0.1467 x −1.2953 x +3.5313(1 )

Función polinómica experimento 2. 3 2 f ( T )=−0.0231 x + 1.6898 x −14.246 x +36.647(2 )

Función polinómica experimento 3. f ( T )=−0.0183 x 3 +1.5556 x2 −13.183 x +35.701(3 ) Función polinómica experimento 4. f ( T )=−0.0301 x 3 + 1.817 x 2−14.885 x +37.187(4 )

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6.3.

Cálculo del nivel del agua a T=0°C

Experimento 1. f ( 0 )=−0.0013 (0) 3 +0.1467 ( 0 )2−1.2953 (0)+3.5313 (5) f ( 0 )=3.5313 mm Experimento 2. 3 2 f ( 0 )=−0.0231 (0) +1.6898 ( 0 ) −14.246 (0)+ 36.647(6 )

f ( 0 )=36.647 mm Experimento 3. f ( 0 )=−0.0183 x 3 +1.5556 x 2−13.183 x+ 35.701(7 ) f ( 0 )=35.701 mm Experimento 4. f ( 0 )=−0.0301 x3 +1.817 x 2−14.885 x+ 37.187(8 ) f ( 0 )=37.187 mm

6.4. Cálculo de la densidad relativa del agua a T=0ºC

ρ(T ) = ρ(0 ℃)

(

V 0+h

(

0∗ π∗ D 2 4

)

h∗ π ∗ D 2 V 0∗(1+3∗α∗T ) + 4

Donde; V0: Volumen del Erlenmeyer, [cm3] h0: Nivel del agua en el tubo capilar a la temperatura 0ºC, [cm] D: Diámetro interno del tubo capilar, [cm] α: Coeficiente de expansión térmica lineal del vidrio, [K-1] T: Temperatura del agua, [K] h: Nivel del agua en el tubo capilar a una temperatura T, [cm]

)

(9)

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 Parámetros Coeficiente de expansión lineal del vidrio: α = 3.3x10-6 K-1 Volumen del Erlenmeyer (V0): 250 cm3 -Cálculo modelo

ρ(T ) = ρ(0 ℃)

(

250+

(

0.35313∗π∗1.52 4

250∗( 1+ 3∗3.3 x 10 −6∗275.78 ) +

)

0.7∗π∗1.52 4

)

ρ(T ) 3 =0.9948 g /cm ρ(0 ℃) 6.5. Cálculo de la temperatura que permite obtener la máxima densidad

ρ(T ) =f (T ) ρ(0 ℃) Experimento 1.

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Figura 3.- Diagrama ((�))/(�(0℃))=�(�) . Experimento 1.

Fuente: Grupo 9 (2020) Thermodynamics Virtlab, Facultad de Ingeniería Química. Laboratorio de Termodinámica I. Experimento 2. Figura 4.- Diagrama ((�))/(�(0℃))=�(�) . Experimento 2.

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Fuente: Grupo 9 (2020) Thermodynamics Virtlab, Facultad de Ingeniería Química. Laboratorio de Termodinámica I.

Experimento 3. Figura 5.- Diagrama ((�))/(�(0℃))=�(�) . Experimento 3.

Fuente: Grupo 9 (2020) Thermodynamics Virtlab, Facultad de Ingeniería Química. Laboratorio de Termodinámica I. Experimento 4. Figura 6.- Diagrama ((�))/(�(0℃))=�(�) . Experimento 4.

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Fuente: Grupo 9 (2020) Thermodynamics Virtlab, Facultad de Ingeniería Química. Laboratorio de Termodinámica I. 7. RESULTADOS Tabla 10. Nivel del Agua a una Temperatura de 0ºC Experimento Experimento Experimento Experimento 1 2 3 4 0.35313 3.6647 3.5701 3.7187

h0, [cm] Fuente: Grupo 9 (2020) Facultad de Ingeniería Química. Laboratorio de Termodinámica I.

Experimento 1, ρ(T ) (g/cm3) ρ(0 ℃) 0.9023 0.9058 0.9187 0.9122 0.9157 0.9205 0.9308 0.9369 0.9419 0.9495 0.9565 0.9598 0.9637 0.9690 0.9790 0.9838 0.9934 0.9962

Tabla 11. Densidad Relativa del Agua Experimento 2, Experimento 3, ρ(T ) ρ(T ) (g/cm3) (g/cm3) ρ(0 ℃) ρ(0 ℃) 0.9702 0.9275 0.9712 0.9728 0.9764 0.9801 0.9824 0.9846 0.9857 0.9869 0.9886 0.9917 0.9961 0.9970 0.9972 0.9959 0.9932 0.9911

0.9365 0.9438 0.9513 0.9569 0.9678 0.9717 0.9829 0.9978 1.0047 1.0082 1.0124 1.0153 1.0181 1.0196 1.0153 0.9999

Experimento 4, ρ(T ) (g/cm3) ρ(0 ℃) 0.9429 0.9701 0.9819 0.9886 0.9940 0.9995 1.0085 1.0163 1.0192 1.0206 1.0185 1.0107 1.0051 1.0009

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0.9928 0.9777

Fuente: Grupo 9 (2020) Facultad de Ingeniería Química. Laboratorio de Termodinámica I.

Tabla 12. Temperaturas y Densidad Máximas Experimento Experimento Experimento 1 2 3 Temperatura, T, [°C] 4,92 3,45 3,98 Densidad Relativa 0,9969 0,9972 1,0196 (g/cm3)

Experimento 4 4,92 1,0206

Fuente: Grupo 9 (2020) Facultad de Ingeniería Química. Laboratorio de Termodinámica I.

8. DISCUSIÓN Los métodos aplicados en la práctica son de carácter cualitativo y cuantitativo, cualitativo porque por medio del software Thermodynamics Virtlab se observó la dilatación del agua con parámetros iniciales y su anomalía temperaturas inferiores a 4 °C. Es cuantitativo ya que se recolectaron datos que permitieron el cálculo de la densidad relativa. Se cometieron errores aleatorios debido a la percepción del observador al tomar los datos de las alturas del agua, así como de la apreciación de la regla (+/- 1 mm). Este error dio como resultado una densidad relativa de 1,0169 g/cm3 a 3,98 °C (Ver tabla 11), comparando con la densidad relativa teórica de 1,0000 g/cm3 a dicha temperatura, se cometió un error de 1,69 %, en cambio para la densidad relativa experimental a 0 °C (Ver literal 6.3), valor comparado con el teórico de 0.997 g/cm3 dio como resultado un error porcentual de 0.22 %, errores muy pequeños que pueden ser descartados. Una dificultad presentada en la práctica fue el rango permitido por el termopar, de un mínimo de 0.5 °C, por lo que la densidad relativa se lo calculó con la ecuación (5), debido a esto las gráficas h=f(t) y (ρ(T))/(ρ(0℃ ))=f(T) no tiene una ordenada l...