UniversidadNacionaldeColombiaDepartamentodeQumicaLaboratoriodeFisicoqumicaI(2025338)Aul.451149Grupodetrabajo5GrupoBNombre:AndreaCristinaCubillosTapiasCdigo25191139Firma_____________Nombre:AngelGiovanniGmezSurezCdigo25191121Firma_____________

INFORMEDELABORATORIONO1:MANEJODEINFORMACINEXPERIMENTAL.MEDICINYAPLICACINDELCOEFICIENTEDEEXPANSINTRMICAv

Fechaderealizacin:10/02/2015 Fechadeentrega:17/02/2015

1.Objetivogeneral:Determinar el comportamiento de diferentes soluciones de cloruro de sodio respecto al cambio de temperatura y si estos son adecuados para la construccin de un termmetro hipotticobasadoendilatacintrmica.2.Objetivosespecficos:a) Determinar el coeficiente de expansin trmica de soluciones de cloruro de sodio a distintas concentraciones para diferentes temperaturas por medio de la medicin de las densidadesdeestas.b) Determinar la sensibilidad de un termmetro hipottico de expansin cbica utilizando soluciones de cloruro de sodio a travs del empleo de clculos de los coeficientes de expansinascomootrasvariablesparaelloc) Establecer si el manejo de soluciones de cloruro de sodio es el adecuado para el empleo deuntermmetroquefuncionaporprincipiodedilatacintrmica.3.Ecuacionesdetrabajo:Uno de los objetivos principales de esta prctica es la determinacin de los coeficientes de expansin cbica de las soluciones de cloruro de sodio y para ello, se debe realizar la determinacin de las densidades y volmenes especficos. Para estos clculos bsicamente necesitamos los valores de la masa de las soluciones empleadas en cada una de las diferentestemperaturasylosvolmenesdecadapicnmetroempleado.

CalibracinPicnmetro:

V picnometro = maguadesionizada aguadesionizada Ecuacin3.1

DondeV=volumen,m=masay =densidad DeterminacinDensidaddelassoluciones:

= msolucionV piccalibrado Ecuacin3.2

DeterminacinVolumenespecfico:

V

= msolucionV piccalibrado

Ecuacin3.3

Ahora bien, el coeficiente de expansin cbica es parmetro que nos informa de la velocidad con que vara el volumen de una sustancia respecto con la variacin de la temperatura, o tambin se puede entender como la dependencia que tiene el volumen de un sustancia en cualquiera de sus estados con la temperatura a una determinada presin. As, la siguiente ecuacin nos permite relacionar el coeficiente de expansin trmica con la temperatura y el volumenes:

v= ( )v1 vT P Ecuacin3.4

Donde v es el coeficiente de expansin cbica el cual depende de la razn de cambio del volumen especfico respecto a la temperatura , 1/v se incluye para que dicha ( )vT P propiedad sea intensiva (Levine, 2004). Ahora bien, se debe encontrar una forma de trabajo la cual se pueda emplear la ecuacin anterior, para ello se debe emplear primero a los datos de volmenes especficos y temperaturas un ajuste de regresin, la cual por medio del programa de microsoft excel se pretende ajustar de la mejor manera posible dicha dispersin de datos a una curva con ecuaciones polinmicas o lineales, por lo que se encontrarn ecuacionesdelsiguientetipo:

T v = a + b Ecuacion3.5

T T v = a 2 + b + c

Ecuacion3.6

As, dicho mtodo nos mostrar ecuaciones las cuales nos indica cmo encontrar el volumen especfico de alguna de la soluciones de cloruro de sodio por medio de la temperatura, en donde a, b, c son coeficientes de la ecuacin, v el volumen especfico y T la temperatura. Por lo tanto, al derivar dichas ecuaciones con respecto a la temperatura y luego reemplazarlas en la ecuacin 1 se podr determinar el coeficiente de expansin cbica de la siguientemanera:

paralaecuacin3.5v = aaT+b Ecuacin3.7

paralaecuacin3.6v = 2aT+baT +bT+c2 Ecuacin3.8

Resulta de particular inters esta propiedad cuando se emplea como propiedad termomtrica, como en el caso de los termmetros bimetlicos o los termmetros de expansin de lquido en columna capilar Para la determinacin de la sensibilidad del .3 termmetroparalocualdebemostenerencuentaelempleodelassiguientesecuaciones:

a = v g Ecuacin3.9

= d24V ( )b a

Ecuacion3.10

Donde, es el coeficiente de dilatacin trmica aparente promedio es el coeficiente de a v dilatacin trmica de la solucin o lquido empleada (NaCl), es el coeficiente de g

expansin del vidrio del bulbo, el cual es de borosilicato es el volumen del bulbo que V b contieneellquidotermomtrico,ydeseldimetrodelcapilar.

Clculosparadeterminarelvolumendelbulbo(Vb)

(b)V = densidad(g/mL)Masa (g)aguabulbo

Clculosparadeterminarelvolumendeaguaenlacolumna(Vc)yradiodelcapilar(r)

(c)V = densidad(g/mL)Masa (g)aguacapilar

r2= V (mL)c (alturah)*

4.Datosexperimentales:Para la realizacin de dicha prctica, se emple un picnmetro para la determinacin de las densidades y por ende de los volmenes especficos de diferentes soluciones de cloruro de sodioadiferentestemperaturas

DatosgeneralestomadosporelgrupoB

Tabla4.1:Calibracindepicnmetrosa19C*delgrupoB

Picnmetro(P)

MasaPvaco(0,001g)

MasaP+aguadesionizada(0,001g)

Masadeagua(0,001g)

1 22,335 47,950 25,615

2 15,725 40,736 25,011

3 17,595 44,099 26,504

4 22,970 48,054 25,084

5 21,444 47,396 25,952

*Densidaddelaguaa19C=0,998405g/mL

Tabla4.2:MasadelassolucionesdeNaCl(0,001g)adiferentestemperaturasparalassiguientesconcentracionesmolales:

PicnometroTemperatura(0,1K) 0,005m 0,010m 0,050m 0,100m 0,670m 1,009m

1 293,8525,602 25,612 25,653 25,713 26,244

26,570

2 298,65 24,983 N.H. 25,06 N.H. 25,61 N.H.

3 298,65 N.H. 26,478 N.H. 26,577 N.H. 27,510

4 301,75 25,033 25,044 25,084 25,120 25,639 25,985DondeN.H.significanohallado.

Tabla4.3.:DeterminacindemedidasdeintersdeltermmetrodelgrupoB

Medicionesdeltermmetrohipottico(Vidrioborosilicato) Medida

Masadelcapilarlimpioyvaco0,001g(m1) 17,003g

Masadelcapilarconelbulbollenodeagua0,001g(m2) 18,490g

Masadelcapilartotalmentellenodeagua0,001g(m3) 18,808g

Alturadelacolumna0,05cm(h) 19,00cm

Masaaguatotal(bulbo+columna)m3m10,001g(m4) 1,805g

MasaaguacontenidaSLOenlacolumna(m3m2)0,001g(m5) 0,3180g

MasaaguacontenidaSLOenelbulbo(m2m1)0,001g(m6) 1,487g

DatosgeneralestomadosporelgrupoA

Tabla4.4:CalibracinpicnmetrosaTemperatura:19CdelgrupoA

Picnometro(#Quecontiene)

PesoVaco0.001g

PesoLleno0.001g

PesoAgua(g)

VolumenAgua(mL)

1)16(azul) 24,348 44,417 20,069 20,100

2)16(Gris) 24,217 43,479 19,262 19,292

3)6(azul) 22,14 41,463 19,323 19,353

4)20(azul) 23,058 44,521 21,463 21,497

Tabla4.5:MasadelassolucionesdeNaCl(0,001g)adiferentestemperaturasparalassiguientesconcentracionesmolales(GRUPOA):

Temperatura(0,1C) 0,005m 0,010m 0,050m 0,100m 0,500m 1,000m

2,000m

22,1 N.E. N.E. N.E. 22,295 N.E. 19,600 N.E.

26,1 21,588 21,593 N.E. 21,650 N.E. 19,544 23,145

28,6 N.E. N.E. N.E. 19,999 N.E. 19,550 N.E.

40,0 N.E. N.E. 19,824 N.E. N.E. 19,492 N.E.

DondeN.E.:Significaqueeldatonofueencontradoenlaspublicacionesdadas.

Tabla4.6:DeterminacindemedidasdeintersdeltermmetrodelgrupoA

Medicionesdeltermmetrohipottico(Vidrioborosilicato)

Medida

masatermmetro0.001g 18.062g

masatermmetro+bulbolleno0.001g 19.352g

masatermmetrototalmentelleno0.001g 19.706g

longituddelcapilar0.50cm 19.25cm

5.RESULTADOS:As, se procedi a tomar los datos de las tablas 4.2 y 4.5, para la determinacin de las densidadesyvolmenesespecficospormediodelasecuaciones3.2y3.3.

Clculocoeficientedeexpansintrmica

Una vez obtenidos los datos experimentales del laboratorio se procede a realizar la determinacin de los coeficientes de expansin de las soluciones empleadas, as como la evaluacin del volumen (como propiedad termomtrica) para la elaboracin del termmetro, porellossepresentanlassiguientesgrficasacontinuacin:

As, una vez realizadas la grfica se emple en Excel un programa el cual nos muestra la mejor lnea de tendencia ajustada ya sea por una ecuacin lineal, polinmica, exponencial u otra funcin, como tambin como su coeficiente de correlacin, las cuales se muestran a continuacin:

Por lo tanto dicha tabla nos muestra, los mejores ajustes que el programa pudo encontrar al ajustar la grfica de dispersin de puntos, as como el coeficiente de correlacin (R2) el cual ser explicado en el siguiente captulo. Una vez calculado dichos valores podemos determinar los valores del coeficiente de expansin cbica por medio de las ecuaciones 3.7 y 3.8paralasdiferentestemperaturasdeinters:

Esto mismo aplica para los datos del grupo A, sin embargo cabe aclarar que debido a que el grupo no subi los datos, solo se pudo trabajar con dos concentraciones las cuales se presentanacontinuacin:

As, se determina las ecuaciones por medio del ajuste de regresin y luego se determinan loscoeficientesdeexpansinloscualessepresentanacontinuacin:

Estadsticaparalosvaloresdecoeficientedeexpansintrmica

Tabla5.9:%Valoresnominalesdecoeficientedeexpansincbica(1/kK)medidasadiferentestemperaturasparalassiguientesconcentracionesmolalesdesolucinNaCl*:

Concentracionesmolales(mol/Kg)

Temperaturas(K)

0,100m 0,670m 1,009m 2,000m

293,15 0,218 0,254 0,292 0,349

298,15 0,267 0,296 0,327 0,373

303,15 0,311 0,334 0,359 0,395

313,15 0,389 0,402 0,417 0,438*DatostomadosdelaCRCHandbookofChemistryandPhysics,92ndEdition.

Tabla5.10:ErrorrelativoporcentualdelasmedidasdecoeficientedeexpansincbicamedidasadiferentestemperaturasparalassiguientesconcentracionesmolalesdesolucinNaCl(GRUPOB):

Concentracionesmolales(mol/Kg)

Temperaturas(K)

0,100m 0,670m 1,009m 2,000m

293,15 106,606 30,039 98,527 155,100

298,15 101,461 4,594 76,299 173,672

303,15 97,878 13,443 58,022 189,341

313,15 92,904 38,258 28,920 213,515

Tabla5.11:%ErrorrelativoporcentualdelasmedidasdecoeficientedeexpansincbicamedidasadiferentestemperaturasparalassiguientesconcentracionesmolalesdesolucinNaCl

(GRUPOA):

Concentracionesmolales(mol/Kg)

Temperaturas(K)

0,100m 1,009m

293,15 12126,467 162,089

298,15 8708,764 115,290

303,15 6666,752 79,220

313,15 4369,357 25,587

Clculosdelasensibilidaddelostermmetroshipotticos

Tabla5.12:DeterminacindelosvolmenesyotrosparmetrosdeltermmetrodelgrupoB

Parmetroacalcular Resultado

Volumendelbulbo(mL) Vb=1,489mL

Volumendeaguaenlacolumna(mL) Vc=0,3185mL

Radiodelcapilar(cm) r=0,07305cm

Coeficientedeexpansindelvidriodelbulbo(Vidrioborosilicato)

0.33*105

Coeficientededilatacindelaguapura(293K) 0.206*103

Tabla5.13:DeterminacindelosvolmenesyotrosparmetrosdeltermmetrodelgrupoA

Parmetro Resultado

Volumendelbulbo(mL) Vb=1,292mL

Volumendeaguaenlacolumna(mL) Vc=0,382mL

Radiodelcapilar(cm) r=0,079cm

Coeficientedeexpansindelvidriodelbulbo(Vidrioborosilicato)

0.33*105

Coeficientededilatacindelaguapura(293K)

0.206*103

Asconestosdatosyempleandolasecuaciones3.9y3.10esposibleladeterminacindelasensibilidaddeltermmetroencontrandolossiguientesresultados:

Tabla5.14:SensibilidaddelostermmetrosconaguapuraparaelgrupoAyB

Termmetro Sensibilidad

GrupoA 0,013

GrupoB 0,018

Tabla5.15:Sensibilidadtericadetermmetrosqueempleandistintoslquidostermomtricosyhechoenvidriodeborosilicato

Lquidostermomtricosempleados

Coeficientededilatacin(293K)

SensibilidadTermmetroA

SensibilidadTermmetroB

hexano 1.41*103 0,093 0,125

etanol 1.40*103 0,092 0,124

mercurio 1.811*103 0,119 0,161

6.Anlisisderesultados

ResultadosdecoeficientesdeexpansincbicaLa realizacin de este laboratorio se dio principalmente para observar si las soluciones de cloruro de sodio empleadas sirven como lquido para el empleo de un termmetro, para ello se debe tener en cuenta que este lquido tenga una propiedad termomtrica es decir, una propiedad que cambien con la temperatura la cual es el volumen (especifico). Al observar las grficas 5.1 y 5.2 podemos notar que a medida de cada una de las soluciones de cloruro de sodio van aumentando su temperatura el volumen especifico aumenta, esto se debe principalmente a que al aumentar la temperatura de estas sustancias, se est administrando energa en forma de calor, por lo que las molculas de que contienen las soluciones de cloruro de sodio aumentan su energa cintica y por ende su velocidad ocasionando ms choques entre estas y aumentando as el volumen. Sin embargo si notamos la grfica 5.1 se puede notar que las soluciones de ms baja concentracin se encuentran muy unidas entre s, esto se debe a que el agua a pesar de todos sus tratamientos generalmente quedan residuos muy pequeos de iones cloruros y otros cationes que esta conlleva, por lo que ya estas concentraciones al ser tan bajas predominan ms las concentraciones de dichos componentesresidualesquelasdelasolucingenerandoasdichoscambios.

Para evaluar si una sustancia sirve como lquido termomtrico, debemos tener presentes algunos aspectos que son de vital importancia para un buen funcionamiento de un termmetro:1 La propiedad termomtrica, es decir el volumen debe ser lineal con la temperatura, aunque encontramos que esta no genera una curva pronunciada y tiene ms al comportamiento de una lnea recta, debemos indicar que algunas de estas se nos aproximaron mejor a un modelo de ecuacin cuadrtico o ecuacin polinmica de grado 2, por lo que debe tenerse en cuenta que si se va trabajar temperaturas bajas con dicho termmetro, no es muy factible emplearlo debido a que puede volver a tomar un mismo volumen que con otra temperatura, por lo que dicha propiedad es mejor que sea de tipo lineal o que dicha parbola sea lo ms abierto posible donde sean temperaturas que se sabe que no se van a trabajar, sin embargo en este caso no poseemos tanto este problema ya quelaparbolatieneasermuyabierta.2 Los pequeos cambios en la temperatura deben provocar cambios apreciables en el volumen especfico, o en la columna del capilar. Al notar las grfica 5.1 y 5.2 notamos que el volumen especfico no aumenta mucho con respecto aumenta la temperatura, por lo que dichas soluciones a pesar que reciban energa en forma de calor, no podemos apreciar de forma significativa dichos cambios, esto se cree que puede deberse a que el principal componente de las soluciones de cloruro de sodio es el agua, la cual posee muchos puentes de hidrgeno en dichas soluciones, por lo cual aunque dichas soluciones aumentan su energa interna, (es decir, energa cintica de las molculas) estas por los puentes de hidrgeno se presume que no son posible romperlos fcilmente a estos rangos de temperaturasporloqueelvolumennoaumentamucho.3 El lquido empleado debe tener baja capacidad calorfica, ya que al tener una sustancia con gran capacidad calorfica como lo es el agua, o soluciones que tienen como solvente agua, es necesario suministrar una cantidad apreciable de energa en forma de calor a dicha sustancia para que aumente tan solo una unidad de la temperatura absoluta (Kelvin), por lo que si la sustancia a pesar de estar muy caliente a nuestro tacto, el termmetro a base de esta sustancia no es posible que genere un cambio significativo, es decir las soluciones de clorurodesodiotienenunaaltainerciatrmica.Por otra parte, podemos notar que los errores reportados en los coeficientes de expansin cbica son significativamente mayores que los de el volumen especfico, esto se debe principalmente a los pocos datos tomados, ya que aunque tenemos un gran nmero de datos por concentracin, por temperatura son muy pocos manejando un rango de 20 a 40C con tan solo 4 datos (3 en algunos casos debido a fallas de uno de los termostatos), lo cual al tener tan poca cantidad de datos no se pudo generar una mejor grafica que ajustara a los datos y por ende este es un factor que ocasiona un mayor rango de error en dichas medidas ocasionando afectaciones en los resultados de la sensibilidad del equipo, para corregir dicho dato es

necesario realizar ms medidas de temperatura en otros rangos necesarios para que dicho coeficiente no se aleje tanto del valor real. Sin embargo hay que tener en cuenta que, este no fue el nico factor que hizo afectar las medidas ya que el trabajo grupal pudo tener una mayor incidencia de errores sobre dichos resultados, como por ejemplo el grupo nmero 4 (temperatura de 40C) encontr su termostato daado, ocasionando que su trabajo se atrasara y tomando medidas de densidades bajo mucha presin, notando en la grfica 5.1 en la solucin de 2 molal un gran desajuste con respecto a los otros dos datos, generando mayor error en esta medida. Por otra parte esto tambin pudo haberse debido a que como se termostato los picnmetros y como estos son instrumentos de alta sensibilidad, al generar cambios de temperatura, el vidrio pudo dilatarse y contraerse muchas veces ocasionando desajustes en el volumen nominal. As mismo, dichas mediciones se realizaron con diferentes picnmetros, balanzas, entre otros instrumentos los cuales al generar mayor numero de operaciones unitarias dentro de la prctica se genera un mayor grado de error, ya que pudo ser que no se manipularon estos instrumentos con los debidos o igual nmero cuidadoso o la visin de muchas personas no es la misma, o simplemente choques trmicos fuertes en el picnmetro, o con el simple hecho de variaciones de grado de estrs hacen que hallan mayores incertidumbres en las medidas y por ende en los datos, de igual forma que estos instrumentos no contienen la misma sensibilidad que otros (por ejemplo las balanzas), o por el simple hecho de falta de organizacin como lo fue el del grupo par ya que reportaron poca cantidad de datos y resultados de esta prctica. Por lo que es recomendable realizar esta prctica con un mayor rango de temperaturas (mayor toma de datos), los mismo instrumentos y por equipos de dos personas.

ResultadosdedesempeodetermmetroshipotticosTanto el termmetro construido por el equipo A y por el equipo B dieron sensibilidades muy bajas, de 0,013 y 0,018 respectivamente. Una baja sensibilidad del termmetro implica que no puede apreciarse significativamente las variaciones de las medidas hechas por el instrumento. Para que el termmetro tenga una buena sensibilidad este debe tener un un capilar de pequeo dimetro, gran volumen de lquido (bulbo grande) y el lquido termomtrico debe tener un coeficiente de dilatacin alta, as habr una cambio porcentual de volumen para un determinado aumento de la temperatura y una mayor sensibilidad del termmetro. Entre los lquidos termomtricos propuestos, el que produce una mayor sensibilidad, y precisin es el mercurio, y aunque tiene un alto punto de ebullicin, sabemos que es txico le sigue el hexano y etanol, y por ltimo de agua con el menor coeficiente de dilatacin. La principal desventaja de los termmetros de alcohol y hexano es el uso limitado a temperaturas muy altas, debido a su bajo puntodeebullicin.

7.Conclusiones

Las Soluciones de Cloruro de sodio no son muy aplicables para lquidos termomtricos debido a que son sustancias que no presentan un comportamiento lineal del aumento de volumen respecto a la temperatura, no se observan cambios apreciables de volumen al aumentarlatemperaturayasmismopresentanunaaltainerciatrmica

Para la obtencin de mejores resultados de los coeficientes de expansin cbica es recomendable realizar una toma de datos mayor, (por lo menos 10) para que la obtencindeunosmejoresresultados

Existieron varios tipos de factores tales como un termostato daado, manipulacin de varias personas de los instrumentos, diferente manejo de equipos, as como la utilizacin de diferentes instrumentos entre otros que ayudaron a la generacin de errores en esta prctica.

El mejor lquido termomtrico que da mejor desempeo por su alto coeficiente de dilatacin es el mercurio (txico), luego el hexano y etanol que aunque tienen un buen coeficiente de dilatacin tienen un punto de ebullicin bajo y el agua da una sensibilidad 10 veces menor que la de los dems lquidos propuestos, por lo que este ltimo es el peorlquidotermomtrico.

8.BibliografaDavidR.Lide,ed.,CRCHandbookofChemistryandPhysics,90thEdition(CDROMVersion2010),CRCPress/TaylorandFrancis,BocaRaton,FL.Levine,I.2002.Fisicoqumica:Volumen1.5taEdicin.Madrid:EditorialMcGrawHillSoriaLopez,Alberto.ManualdelLaboratoriodeTermodinmicaI.1raedicin.Editorial:UniversidadAutnomaMetropolitanaIztapalapa.Mexico.2002