informe calor de solucion

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Sede Bogot FACULTAD DE INGENIERA DEPARTAMENTO DE INGENIERA QUMICA Y AMBIENTALLABORATORIO DE PROPIEDADES TERMODINAMICAS Y DE TRANSPORTECALOR INTEGRAL Y DIFERENCIAL DE SOLUCION

OBJETIVOSObjetivo GeneralDeterminar el calor de solucin a diferentes concentraciones del nitrato de potasio acuoso.Objetivos Especficos1. Calcular el calor integral de la solucin y el calor diferencial de solucin, a partir de los datos obtenidos del cambio de entalpia a una temperatura y presin determinadas.2. Analizar y concluir sobre el resultado obtenido comparndolo con lo registrado en la fuente bibliogrfica.3. Manejar y conocer el equipo a emplear en la prctica experimental.1. INTRODUCCION El estudio de la entalpa o calores de solucin, se ha convertido en una herramienta muy importante para resolver una gran variedad de problemas en la industria qumica. Uno de los principales problemas ingenieriles que ms se presentan, es la determinacin de la cantidad de calor que se le debe suministrar o retirar a un sistema no reaccionante para que ste se comporte de una manera o forma convenientemente determinada, logre una disolucin de concentracin especifica en algn proceso que la solicite, o para que dicha cantidad de energa perjudique o malogre las caractersticas de un determinado producto o equipo.

Es por ello que, mediante este informe se pretende estudiar un mtodo simple para la determinacin del calor absorbido a concentraciones especficas y dilucin infinita de una disolucin; caracterizada previamente como endotrmica (KNO3ac), para as conocer el comportamiento del sistema de forma cualitativa y cuantitativa.

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La determinacin del calor diferencial e integral de una solucin de nitrato de potasio, se llev a cabo en las instalaciones de un laboratorio de propiedades termodinmicas.

La disolucin de nitrato de potasio, que se escogi previamente es endotrmica; segn fuentes bibliogrficas. Se hicieron 5 valoraciones del cambio entalpico de mezcla a diferentes concentraciones (agregando alrededor de 2.0g de nitrato de potasio en cada ocasin y partiendo de agua destilada pura). Inicialmente se realizaron mediciones anlogas a las enunciadas en el procedimiento experimental (descrito en un documento previo a la prctica) para encontrar el calor especfico del sistema y el equipo, puesto que la necesidad inicial en la determinacin de valores energticos es percibir cuantitativamente la cercana de datos experimentales con los registrados por la literatura. Lo anterior se realizo calentando 700 ml de agua destilada pura en un calormetro de vaso Dewar, hasta una temperatura lo mas cercana posible a 25C y midiendo la temperatura en intervalos de 30 segundos. La energa suministrada al sistema inicial proviene de una bobina de calentamiento que trabajaba con una diferencia de potencial aproximada de 17.6 V y un flujo de corriente de alrededor de 0.81 A. Una de las consideraciones previas a la experimentacin fue asumir que la resistencia de la bobina es hmica, es decir casi invariable.

Una vez la temperatura del agua se estabiliz alrededor de 25C, se introdujo la primera muestra de nitrato de potasio slido, debido a esto la temperatura del sistema disminuy estabilizndose en un valor determinado. Enseguida se encendi el sistema de calefaccin conformado por la fuente y bobina y posteriormente se apago llevndose nuevamente a una temperatura lo ms cercana posible a 25C. En cada caso, para el de enfriamiento, calentamiento de la solucin y apagado, se registr temperatura del sistema cada 30 segundos.

Al estabilizarse nuevamente la temperatura alrededor de 25C se agreg la segunda muestra de nitrato de potasio, reduciendo nuevamente la temperatura. De all que el procedimiento anteriormente mencionado se volvi a llevar a cabo para cada una de las 5 muestras de nitrato de potasio de forma anloga.

Los datos que se recolectaron para cada una de las seis muestras fueron: la temperatura (cada treinta segundos), la diferencia de potencial y el flujo de corriente (estos ltimos permanecieron casi constantes durante toda la practica).

Diagrama de Equipo

El procedimiento anterior se llevo a cabo en un Calormetro Parr 1455 el cual ofreci datos de temperatura cada 10 segundos con una sensibilidad de 1*10^-5C y datos para corriente (A) y diferencia de potencial en (V). (ver fig. 1).

FIGURA 1. Colormetro Parr 1455.

3. DATOS EXPERIMENTALESTabla 1. Datos experimentales del agua puraDATOS EXPERIMENTALES (P=560 mmHg)

022,62178

1022,66964

2022,71666

3022,75795

4022,80775

5022,85919

6022,9086

7021,95515

8023,00209

9023,0538

10023,10029

11023,1466

12023,19311

13023,2417

14023,2844

15023,33511

16023,38017

1702342120

18023,46715

19023,52056

20023,56703

21023,61299

22023,66188

23023,70838

24023,7471

25023,79365

26023,8415

27023,88694

28023,93349

29023,79365

30023,8415

31023,88694

32023,7971

33023,79365

34023,8415

35023,88694

36023,93349

37023,98864

38024,07449

39024,12149

40024,17193

41024,21924

42024,26386

43024,31248

44024,35624

45024,40606

46024,45291

47024,49686

48024,54273

49024,59689

50024,63848

51024,67739

52024,73231

53024,77376

54024,82269

55024,86886

56024,91907

57024,96748

58025,01802

59025,06172

60025,13052

6102513759

62025,13916

63025,14308

64025,14631

65025,14884

Tabla 2. Datos experimentales del ensayo 1.ENSAYO 1

t (seg)T(C) enfriamientoT(C) calentamientoE(V)I(A)R()

025,1618324,9521317,20,8121,2345679

1025,1599824,9798117,20,8121,2345679

2025,0376925,0075317,20,8121,2345679

3025,02040725,0403517,30,8121,3580247

4025,0113625,0810817,30,8121,3580247

5025,0028325,1197817,30,8121,3580247

6024,9925425,1568417,30,8121,3580247

7024,9847125,2025517,40,8121,4814815

8024,9796625,2392417,40,8121,4814815

9024,9751125,2865317,50,8121,6049383

10024,9698625,3244717,50,8121,6049383

11024,9640425,36717,50,8121,6049383

12024,95775

13024,95701

14024,95417

15024,95303

16024,95086

17024,94989

18024,94947

19024,9485

20024,94865

21024,94927

22024,94887

23024,94641

24024,94651

25024,947

Tabla 3. Datos experimentales del ensayo 2.Ensayo 2

t (seg)T(C) enfriamientoT(C) calentamientoAPAGADOE(V)I(A)R()

025,4435725,2831125,46117,60,8121,7283951

3025,3869625,372925,465717,60,8121,7283951

6025,3567825,4468225,4660317,60,8121,7283951

9025,3348625,46677

12025,3227

15025,3168

18025,31043

21025,30254

24025,30095

27025,29524

30025,29361

33025,28882

36025,28834

Tabla 4. Datos experimentales del ensayo 3.Ensayo 3

t (seg)T(C) enfriamientoT(C) calentamientoAPAGADOE(V)I(A)R()

025,4510125,2168225,4771617,60,8121,7283951

3025,3523725,2767425,4909317,60,8121,7283951

6025,3148925,3835625,4956417,70,8121,8518519

9025,2870825,4681325,4983417,70,8121,8518519

12025,265425,50042

15025,2533825,49921

18025,2443825,49841

21025,2369125,49343

24025,2304325,4947

27025,22762

30025,22291

33025,22018

360

390

Tabla 5. Datos experimentales del ensayo 4Ensayo 4


025,4913325,2357925,4065517,60,8121,7283951

3025,3919725,247425,4080317,60,8121,7283951

6025,3483325,2759225,4071717,60,8121,7283951

9025,3200325,308125,4041817,60,8121,7283951

12025,3045725,375425,4020217,60,8121,7283951

15025,2869825,39857

18025,2752225,39657

21025,265125,39258

24025,26252

27025,25862

30025,25594

33025,25187

36025,24919

39025,24504

Tabla 6. Datos experimentales del ensayo 5Ensayo 5


025,385325,149125,4101517,50,8121,6049383

3025,3715825,189525,4204917,50,8121,6049383

6025,2624125,21825,425317,50,8121,6049383

9025,225525,3328625,428717,60,8121,7283951

12025,2049725,3726525,4296117,60,8121,7283951

15025,1875925,43003

18025,1741625,4283

21025,1620625,42813

24025,1562325,42707

27025,1503225,42448

30025,1501225,4225

33025,42252

360

390

Tabla 7. Datos generales de experimentacin# experimentoPeso KNO3 (g)Peso Total

122

224

326

428

5210

4. MUESTRA DE CLCULO

La muestra de clculo, anloga para cada uno de los ensayos se har para el ensayo 1.

A partir de la ley de Ohm, que dice que el flujo de corriente es directamente proporcional a la diferencia de potencial e inversamente proporcional a la resistencia, en un circuito,

(1)Para valores de voltaje en voltios, corriente en amperios y resistencia en ohmios, y tomando en consideracin que el flujo de corriente a travs de la bobina era constante (resistencia hmica), se calcula la resistencia neta que tenia el sistema, que para este caso particular (ensayo 1) la cual tuvo un valor promedio de 21,409465 ohmios.

Para determinar el efecto trmico de disolucin para un sistema endotrmico al mezclado; el cual se lleva a cabo de forma isotrmica y sin perdidas de calor (calormetro adiabtico), se tiene la siguiente expresin termodinmica:Q absorbido = Q agregado = H (2)

Donde sabemos que Q agregado ser en aproximacin equivalente al cambio entalpico de la solucin. Por otra parte sabemos que: (3)

Para la anterior expresin el trmino de la derecha representa el cambio de entalpia por calentamiento sin cambio de fase, el cual a su vez se ve expresado en trmino del calor especfico mediante la siguiente relacin termodinmica:

(3)

Para efectos de clculo y un gradiente de temperaturas pequeo, la ecuacin 3 puede reducirse a:

(4)

Por su parte el calor especfico de la solucin puede estimarse como la relacin de trabajo elctrico y cambio de temperaturas como sigue: (5)A partir de la siguiente ecuacin: (6)

Donde Es representa la diferencia de voltaje para un tiempo determinado, Rh la resistencia de la bobina de calentamiento y Rs expresa la resistencia para el flujo de energa a travs de todo el sistema calefactor. La relacin Rh/(Rs^2) se sustituye en el tratamiento de datos por 1/R promedio que refiere a la resistencia hmica representativa del equipo, debido a que es posible asumir la equivalencia entre las dos despreciando disipacin energtica generada por las dems partes de equipo distintas a la bobina de calefaccin.

Es pertinente aclarar que en cada ensayo la corriente se mantiene constante, razn por la cual se puede extraer de la integral para su posterior simplificacin.Mediante una estimacin grafica de la expresin 6, se obtuvo que la energa elctrica neta que entr al sistema fue de 1685,679673 J.

Con el valor anterior se determina el calor especfico a presin constante mediante la ecuacin 5. Para ello es necesario estimar una diferencia interpolada para la temperatura (ver figura2. ), en la cual se determinan valores promedio de estabilizacin del sistema para enfriamiento (T1) y calentamiento (T2).

En cuanto a la estimacin del cambio entalpico para el rango de temperaturas de trabajo se realizo mediante la ecuacin 4.

Despus de realizar el procedimiento anterior para cada uno de os ensayos se determina el calor integral el cual cumple con la siguiente expresin:

(7)

Donde n es el nmero de ensayos realizados y N representa las cantidades adicionadas en los mismos. El resultado de dicha relacin se documenta en la tabla 14 del presente documento.Para determinar el calor diferencial de solucin se maneja la siguiente ecuacin: (8)Para la cual es necesario determinar la concentracin molar m de la solucin generada y su relacin con el calor integral para cada uno de los ensayos. sta informacin se encuentra consignada en la tabla 15 y representada en la figura 9.

5. RESULTADOS

ENSAYO I

Figura 2. Temperatura vs. Tiempo para el ensayo 1.T2

TEMPERATURAS

To(C)25,16

T1(C)24,96

T2(C)25,37

T1(C)24,95

Tabla 8. Datos de la capacidad especfica y el cambio de entalpia para ensayo 1.ENSAYO 1

R(ohmions)E^2t(seg)E^2.t

21,409465295,8102958,4

295,8102958,4

295,8102958,4

299,3102992,9

299,3102992,9

299,3102992,9

299,3102992,9

302,8103027,6

302,8103027,6

306,3103062,5

306,3103062,5

306,3103062,5

(1/R)E^2.t1685,679673

Cp(J/K)*m5701,0

Donde m es la masa de solucin

H(J)1168,710542

ENSAYO II

Figura 3. Temperatura vs. Tiempo para el ensayo 2.T1ToT2T1

TEMPERATURAS

To(C)25,45

T1(C)25,29

T2(C)25,46

T1(C)25,29


R(ohmions)E^2t(seg)E^2.t

21,7283951309,8309292,8

309,8309292,8

309,8309292,8

(1/R)E^2.t=1283,04

Cp(J/K)*m10720,6

Donde m es la masa de solucion

H(J)1683,132353

ENSAYO III


TEMPERATURAS

T1(C)25,22

T2(C)25,49

To(C)25,47

T1(C)25,24


R(ohminos)E^2(v)t(seg)E^2.t

21,7901235309,8309292,8

309,8309292,8

313,3309398,7

313,3309398,7

(1/R)E^2.t1715,59377

Cp(J/K)*m9000,07

H(J)2070,02

ENSAYO IV

Figura 5. Temperatura vs. Tiempo para el ensayo 4.

TEMPERATURAS

T2(C)25,41

T1(C)25,245

To(C)25,50

T1(C)25,25


R()E^2t(seg)E^2*t(seg)

21,7283951309,8103097,6

309,8103097,6

309,8103097,6

309,8103097,6

309,8103097,6

(1/R)E^2.t712,8

Cp(J/K)*m6101,69

H(J)1525,42

ENSAYO V


temperaturas

T1(C)25,15

T2(C)25,425

To(C)25,40

T1(C)25,15


R()E^2t(seg)E^2*t(seg)

21,654321306,3103062,5

306,3103062,5

306,3103062,5

309,8103097,6

309,8103097,6

(1/R)E^2.t710,3755416

Cp(J(/K)3638,287025

H(J)891,3803211

RESULTADOS TOTALESTabla 13. Cambio entalpico y calor especifico de solucin. EnsayoCp(J/Kg.K)H(J)m(g)m(mol)

157011168,710520,019782

210720,61683,132320,019782

39000,072070,0220,019782

46101,691525,4220,019782

53638,287891,380320,019782

Tabla 14. Calor integral de solucin.EnsayoHint(J/mol)m(mol)(mol H2O/mol KNO3)Hint(kcal/mol)

159078,3170,01971965,83314,119

272080,3290,0395982,91617,227

382933,3890,0593655,27719,821

481477,5370,0791491,45819,473

574193,8850,098393,16617,732

Tabla 15. Calor diferencial de solucin.M(molKNO3/Lsln)Hint(J/mol)Hdif(J/mol)Hdif(Kcal/mol)

0,02826059078,317868869,860116,45989

0,05652172080,32947572,647411,36986

0,08478182933,389710302,24692,462237

0,1130481477,5375-42941,3412-10,26298

0,1413074193,8851-112158,1172,171693

Figura 7. Calor integral de solucin vs. molH2O/molKNO3. A 25C y 560mmHg

Figura 8. Calor integral de solucin vs. Concentracin de KNO3 en la solucin. A 25C y 560mmHg

Figura 9. Calor diferencial vs. Concentracin de KNO3 en la solucin. A 25C y 560mmHg

6. ANLISIS DE RESULTADOS

Uno de los factores primordiales para la obtencin de valores energticos para cada uno de los ensayos es la precisin de las ecuaciones de trabajo anteriormente presentadas, es por ello que su primera aplicacin se realizo al agua pura presente en el sistema antes del mezclado (ver tabla 1).

Ahora en cuanto la descripcin cualitativa de la solucin y su comportamiento, es posible aseverar que bajo condiciones normales de operacin la disolucin de nitrato de potasio en agua genera una solucin que se aleja de la idealidad, puesto que una de las condiciones esenciales para que se considere solucin ideal es que el efecto trmico de mezclado sea nulo. Sin embargo otra condicin plausible para la idealidad es que el volumen de mezcla sea equivalente a la suma de volmenes de cada componente que la conforma, lo cual es una buena aproximacin para disolucin de slidos en baja cantidad. De lo cual es posible sugerir que la forma ms adecuada para caracterizar una solucin es por el efecto trmico de mezcla.

De acuerdo a las graficas que se encuentran en los resultados del presente documento, vemos que en todos los casos la solucin se comporta de una forma dada. Es decir, primero hay un periodo de enfriamiento isobrico, esto sucede debido a que la adicin del nitrato de potasio forma una solucin endotrmica, por lo tanto en este periodo la solucin toma energa del sistema, provocando una disminucin considerable de la temperatura. Despus de este, le sigue un periodo de estabilidad en la que la solucin se mantuvo casi a temperatura constante. Y por ultimo, le sigui un periodo de amento de temperatura, provocado por la adicin de energa mediante un generador elctrico, a travs de una bobina de calentamiento.En cuanto al calor integral de solucin determinado experimentalmente (ver fig. 7 y 8) se puede observar un comportamiento creciente y convergente a un valor constante (aplicado al intervalo de temperaturas de trabajo) respecto al aumento de concentracin. Lo anterior se explica mediante el anlisis de interacciones moleculares en la solucin.

La razn por la cual la disolucin del nitrato de potasio es de carcter endotrmico es el contenido energtico del soluto en estado puro es menor que el contenido energtico de los iones solvatados, generando as una absorcin de energa del sistema que se evidencia en la disminucin de la temperatura. Por otra parte la entalpia de solucin tiende a tener un valor convergente a altas concentraciones de nitrato, debido a que las interacciones con el agua se reducen a medida que se agrega el nitrato.

Respecto al calor diferencial de solucin (ver fig. 9), presenta un mximo por las mismas razones que el calor integral, puesto que a mayor concentracin de nitrato de potasio la posibilidad que tienen los iones para rodearse de molculas de agua es menor que a bajas concentraciones.

Los resultados cuantitativos para el calor inregral de solucin (ver tabla 14) evidencian coherencia entre los tres ultimos valores reportados y la literatura (ver anexo) a dilucion infinita. Sin embargo los primeros valores determinados difieren de forma notable, debido a las relaciones entre solvente- soluto de trabajo. En la literatura se considera dilusin infinita relaciones solvente-soluto de alrededor de 20, comparado con nuestra experiencia en la cual se manejaron relaciones cercanas a 300, que nos indica que durante toda la experiencia se trabaj en un area de dilucion infinita, lo que permite compararlo directamente con los datos encontrados en la literatura para dichas condiciones.

CALCULO DE ERROR

Tal y como lo muestran los resultados presentados anteriormente se puede considerar que la determinacion del calor de solucion fue poco exitosa, esta desviacion de los resultados se le puede atribuir principalmente a dos razones; la primera relacionada con errores experimentales atrivuidos a la perdida de muestra durante el proceso de pesado y la segunda que se refiere a la deficiencia en la recoleccion de datos esta a causa de alta corriente electrica que pasaba por la bobina lo que genero un aumento muy rapido en la temperatura y por tanto, sto, dificulto la toma de datos. Asociado al mismo problema en la regulacion de la corriente se encuentra otro error que pudo causar un desvio en los resultados, se trata de en el ensayo 1 es decir despues de adicionar la primera muestra de nitrato no se tuvo cuidado de parar el calentamiento a en el momento en que la mezcla alcanzara la temperatura inicial por tal motivo se dejo pasar este valor unos cuantos grados por encima de este lo que afecto los resultado para todos los ensayos posteriores

Una de las simplificaciones ms notables durante todo el mtodo de clculo para las determinaciones aqu presentadas, es la equivalencia entre la resistencia de la bobina de calentamiento (Rs) y la de todo el equipo en general (Rh), es decir, se desprecia la disipacin energetica producida por el material que aisla la resistencia de la solucin.

7. CONCLUSIONES

El calor integral de solucin a una concentracin de 0,14130 M es de 74193,8851 J/molKNO3. El calor integral presenta convergencia a un valor mximo. Los datos experimentales determinados mediante el mtodo expuesto son coherentes con los reportados en la literatura. A mayor concentracin de nitrato de potasio la cantidad absorbida de energa es mayor. Las interacciones moleculares entre las especies involucradas en la solucin son un factor determinante en cambio entalpico de la misma y definen el comportamiento energtico del sistema. La disolucin de KNO3 en agua genera una solucin no ideal. La aproximacin de Rs a Rh es una simplificacin valida para las condiciones de trabajo.

8. BIBLIOGRAFIA

(1) Shoemaker D., Experiments in Physical Chemistry, Third Edition, McGraw-Hill. (2) Daniels F. D, Experimental Physical Chemistry, McGraw-Hill Book Co., New York 1970.(3) Perry & Green. Manual del Ingeniero Qumico. Sptima edicin. Editorial McGraw Hill.(4) Levine Ira, Fisicoquimica, Segunda edicin, Volumen II, McGraw-Hill, Madrid, 2004.

informe calor de solucion

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