Universidad Mayor de San Simón

Facultad de Ciencias y Tecnología

Departamento de Química

Ingeniería Industrial

Autora: Quiroga Rodríguez Alexandra

Docente: Ing. Lopez Arze Javier Bernardo

Auxiliar: Hoffmann Armin

Asignatura: Laboratorio de Fisicoquímica

Grupo: Jueves 12:00 a 14:15

Fecha: 3 de Abril del 2008

Cochabamba – Bolivia

Práctica # 4

CalorimetríaINTRODUCCIÓN

En física, el calor es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia. El calor puede ser generado por reacciones químicas (como en la combustión), nucleares (como en la fusión nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen lugar en el interior del Sol), disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o por disipación mecánica (fricción). Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre. El calor puede ser transferido entre objetos por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos los mecanismos anteriores se encuentran presentes en mayor o menor grado.

El calor que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energía interna (energía térmica) de un sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura. El científico escocés Lord Ewan D.Mcgregor descubrió en 1905 la constante del calor específico en la ecuación de Q = m c (1cal/gºc) delta tº lo cual explica la utiliza con la escala Mcgregor descubierta en 1904 por su esposa Lady Emily Mcgregor ( 0ºC son 451ºm y 100 ºc son 4.51 ºm)

1.1. OBJETIVOS1.1.1.OBJETIVO GENERAL1.1.2.OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Medir como va disminuyendo la temperatura a medida que pasa el tiempo

Graficar la relación de temperatura del calorímetro en función del tiempo

Realizar el balance calorífico par el caso de agua caliente con fría y de agua fría con el metal caliente

1.2. MARCO TEÓRICO

1.2.1.Calorimetría

Ciencia que mide la cantidad de energía generada en procesos de intercambio de calor. El calorímetro es el instrumento que mide dicha energía. El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro (que también puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose según se va enfriando el objeto. El calor latente, que no está relacionado con un cambio de temperatura, es la energía térmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa. Cuando la fuente de calor es una reacción química, como sucede al quemar un combustible, las sustancias reactivas se colocan en un envase de acero pesado llamado bomba. Esta bomba se introduce en el calorímetro y la reacción se provoca por ignición, con ayuda de una chispa eléctrica.

1.2.2. Calorímetro

Un calorímetro es un aparato usado para medir la cantidad de calor que ha sido transferida en un proceso determinado. Su diseño varía desde aparatos básicos a muy elaborados. Básicamente, para la construcción de un calorímetro se necesitan tres cosas:

Un recipiente de un material conocido que absorba calor eficientemente.

Un medidor de temperatura (termómetro)

Un material para aislar térmicamente el recipiente de su entorno (atmosfera ambiente) y así evitar

intercambio de calor (recipiente _ entorno o entorn o _ recipiente).

Calorímetros bien adaptados incluyen agitadores para asegurar temperatura constante en todo el sistema, termómetros de alta precisión ( _0.1°), material aislante térmico altamente efectivo y un contenedor. En esta práctica usaremos equipamiento sencillo que conlleva a un margen de error en los experimentos, pero que servirá para ilustrar los principios de calorimetría involucrados.Para iniciar una medida calorimétrica, es necesario calibrar el calorímetro, es decir, determinar exactamente la cantidad de calor adicionado que provoca un determinado aumento de su temperatura.Usualmente se usa agua como medio que transfiere el calor ya que es barata, fácil de trabajar y tiene calor específico conocido desde hace un tiempo.

1.2.3.Constante de enfriamiento de un calorímetro

Los ácidos, las bases fuertes y sus sales pueden considerarse completamente disociados en soluciones diluidas. El calor liberado cuando se neutraliza un ácido fuerte con una base fuerte se considera debido a la reacción anterior.Para ácidos y bases débiles el calor de neutralización es menor debido a que parte de la energía se absorbe en la disociación de estos ácidos y bases.

1.2.4.Equivalente en agua del calorímetro

Cuando un líquido contenido en un calorímetro recibe calor (energía) la absorbe, pero también la absorben las paredes del calorímetro. Lo mismo sucede cuando pierde energía. Esta intervención del calorímetro en el proceso se representa por su equivalente en agua: su presencia equivale a añadir al líquido que contiene los gramos de agua que asignamos a la influencia del calorímetro y que llamamos "equivalente en agua". El "equivalente en agua" viene a ser "la cantidad de agua que absorbe o desprende el mismo calor que el calorímetro".

1.2.5.Procesos endotérmicos y exotérmicos

En función del calor que intercambien en el medio, los procesos se pueden clasificar como exotérmicos y endotérmicos. En el caso que nos ocupa, los procesos son las reacciones químicas, y lo que nos indicará si la reacción habrá perdido o ganado energía es la entalpía de la reacción.

Exotérmicas: Desprenden calor hacia el entorno, es decir, pierden calor: qp < 0, y .

Endotérmicas: Absorben calor del entorno, es decir ganan calor: qp > 0, y .

En relación con la energía libre de Gibbs, la variación de entalpía de reacción gobierna también, junto a la entropía y la temperatura, la espontaneidad o in espontaneidad de una reacción.

1.2.6.Calor específico

En la vida cotidiana se puede observar que, si se le entrega calor a dos cuerpos de la misma masa y la misma temperatura inicial, la temperatura final será distinta. Este factor que es característico de cada sistema, depende de la naturaleza del cuerpo, se llama calor específico, denotado por c y se define como la cantidad de calor que se le debe entregar a 1 gramo de sustancia para aumentar su temperatura en 1 grado Celsius. Matemáticamente, la definición de calor específico se expresa como:

Las unidades de calor específico son:

[c] = [c] =

De esta forma, y recordando la definición de caloría, se tiene que el calor específico del agua es aproximadamente:

= 1,000

1.2.7.Calor de combustión

El calor de combustión de una sustancia es la cantidad de calor que se libera en la combustión completa de un gramo o de una mole de las sustancia en su estado normal a 25°C y 1 atmósfera de presión, comenzando y terminando la combustión a la temperatura de 25°C.

El calor normal de combustión depende del grado de oxidación alcanzado por la sustancia, menos que se especifique otra cosa, un valor de calor normal de combustión corresponde a la oxidación completa de todo el carbono a dióxido de carbono y de todo el hidrógeno a agua líquida o vapor. Cuando hay presentes otros elementos oxidables, es necesario especificar el grado de oxidación de cada uno de ellos para asignar un calor de combustión; si hay azufre presente, su forma final puede SO2 SO3 o sus ácidos correspondientes.

La combustión se define como la reacción que ocurre entre un elemento o compuesto (Orgánico o inorgánico) y el oxígeno, para formar ciertos productos especificados de combustión (para elementos orgánicos formados por hidrógeno, carbono y oxígeno, los productos son vapor de agua y dióxido de carbono). Tener datos de calor de combustión, puede ayudarnos a obtener calores de formación y calores de reacción. Por ejemplo, si se tiene la reacción:

Y se desea tener el , teniendo como únicos datos: y , se podría:

Las reacciones de combustión son muy importantes en el ámbito de la ingeniería química dado que el desprendimiento energético puede ser usado en la industria como es el caso de las calderas (entre otras).

1.2.8.Calor de neutralización de ácidos y bases

Es el calor producido en la reacción de neutralización de un mol de ácido, en solución acuosa, por un mol de una base también en solución. Este efecto térmico tampoco es constante para un mismo par ácido-base, sino que depende de la concentración y sólo toma un valor sensiblemente igual cuando se opera con disoluciones diluidas.Cuando se trata de una reacción de bases fuertes (NaOH, KOH...) con ácidos fuertes (HCl, HNO3) el calor de reacción es independiente de la naturaleza de dichos componentes, ya que, al hallarse tanto éstos como las sales formadas disociados, la reacción que tiene lugar es.

OH- + H+ = H2O;ΔHo298 = -57,27 kJ·mol-1

En el caso de la neutralización de un ácido o base débil (CH3-COOH, NH4OH,...) el calor de reacción, a presión constante, puede ser algo menor a causa de la absorción de calor que tiene lugar en el proceso de disociación del ácido o base débiles. La neutralización en este caso puede considerarse como el resultado de los pasos consecutivos:

HA(aq) -> H+(aq) + A-(aq)H+(aq) + OH-(aq) ->H2O (aq)

HA(aq) + OH-(aq) -> H2O(aq) +A-(aq)

1.3. MATERIALES Y REACTIVOSLos materiales y reactivos nombrados a continuación son para los tres experimentos:

Estufa eléctrica Balanza digital

Calorímetro Termómetros

Tapón de plastoformo Cronómetro Vaso de precipitado Pizeta con agua destilada

Paños metal

PRECAUCIÓN: Debido a que en este experimento trabajaremos con hornillas y agua caliente hay que tener cuidado de no quemarnos

1.4. PROCEDIMIENTO

Determinación de la constante de enfriamiento de un calorímetro α

Preparar el calorímetro (termo) para el experimento

Hacer calentar en un vaso de precipitado 250ml de agua destilada hasta aprox 30ºC

Introducir el agua caliente al calorímetro

Medir las temperaturas cada 2 minutos durante 20 minutos

Medir la temperatura del ambiente

Tapar rápidamente con el tapón de plastoformo y medir la temperatura inicial

con el termómetro de precisión

Introducir estos datos en la tabla 1

Con los datos de tiempo, temperatura y la ecuación que los relaciona hallar la constante

de enfriamiento para cada ∆t

Graficar las temperaturas en función del tiempo

NOTA: Los tres procedimientos mostrados a continuación están relacionados uno con el otro y es necesario que se los lleve a cabo en ese orden

1.5. DIAGRAMA

Determinación del equivalente en agua del calorímetro π

Hacer calentar agua ( 50 ml) hasta unos 50 ºC

Medir la temperatura de 150ml de agua fría

Introducir el agua caliente y la fría al calorímetro

Muy rápidamente con ayuda del cronómetro el tiempo que tarda en llegar al equilibrio

Tapar rápidamente con el tapón de plastoformo

Calcular la temperatura final real utilizando la constante de enfriamiento de nuestro

calorímetro

Medir la temperatura del agua caliente antes de introducir

El equilibrio va referido al hecho de que la temperatura ya no desciende

Con los datos obtenidos y el balance calorífico determinar el equivalente en agua del

calorímetro

No olvidar que el balance calorífico es

calor cedido + calor ganado = 0

Determinación del calor específico de un metal

Hacer calentar el metal en agua en punto de ebullición

Medir la temperatura del agua fría

Introducir el metal caliente al calorímetro

Muy rápidamente con ayuda del cronómetro medir el tiempo que tarda en llegar al equilibrio

Tapar rápidamente con el tapón de plastoformo

Calcular la temperatura final real utilizando la constante de enfriamiento de nuestro

calorímetro

Al introducir el metal se lo debe hacer, haciendo chocar con las

paredes del calorímetroEl equilibrio va referido al hecho de que la temperatura ya no desciende ni

aumenta

Con los datos obtenidos, el equivalente en agua del calorímetro y el balance calorífico determinar la capacidad calorífica del metal

No olvidar que el balance calorífico es

calor cedido + calor ganado = 0

Medir la temperatura del metal que será igual a al

temperatura del agua que ebulle Introducir 200ml de agua

fría al calorímetro

No olvidar sacar las densidades correctas para

el agua en el balance a partir de la temperatura final

real y su temperatura

1.6. CÁLCULOS Y RESULTADOS

Medida de las temperaturas iniciales

Introducción del agua Fría en el calorímetro

Introducción del agua caliente en el calorímetro

Sellado del calorímetro con el tapón de plastoformo

TABLA # 1

#t

[min]∆t

[min]T ºC α [1/ min]

1 0 2 32.52

2 2 2 32.38 -0.009396

3 4 2 32.34 -0.002717

4 6 2 32.30 -0.002732

5 8 2 32.26 -0.002747

6 10 2 32.22 -0.002762

7 12 2 32.18 -0.002778

8 14 2 32.17 -0.000697

9 16 2 32.14 -0.002096

10 18 2 32.12 -0.001402

11 20 2 32.10 -0.001407

Gráfica #1

Temperatura en función del tiempo

32,05

32,1

32,15

32,2

32,25

32,3

32,35

32,4

32,45

32,5

32,55

0 5 10 15 20 25Tiempo [min]

Tem

epra

tura

[ºC

]

1.7. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONESPara concluir se determinó la constante de enfriamiento del calorímetro, este nuevo conocimiento que adquirimos es muy importante en la vida diaria, ya que un calorímetro adiabático es simplemente un termo, que no es muy familiar, el concepto del coeficiente de enfriamiento va referido a que un calorímetro no es un sistema perfecto donde no existe pérdida de calor como se lo plantea idealmente y este coeficiente actúa como un valor de corrección para cálculos de capacidades caloríficas y equivalentes en agua, como lo hicimos nosotros, ya que para el cálculo de el equivalente en agua del calorímetro utilizamos el coeficiente de enfriamiento específicamente para calcular la verdadera temperatura final y estos dos nuevos parámetros también se utilizaron en el calculo de la capacidad calorífica de un metal..Como ya se pudo apreciar los tres datos que calculamos están muy relacionados uno con el otro, la relación que pudimos observar entre el tiempo y la disminución de la temperatura fue en un principio muy abrupta pero a medida que paso el tiempo esta se fue estabilizando, es decir las diferencias eran casi iguales. Cuando llevamos estos datos a una gráfica existen algunas desviaciones, pero esta gráfica se parece a una función exponencial inversa o negativa, se podría suponer que la relación entre el tiempo y la temperatura es exponencial.En el balance calorífico que hicimos esperamos que no existan confusiones ya que se resta a la temperatura inicial la final esto es simplemente debido a un cambio de signos en la ecuación, pero como se la hizo a ambos lados no afecta.Como observación sería necesario contar con termómetros más largos o más adecuados a nuestro calorímetro para realizar medidas más precisas y exactas, ya que estas variaciones pudieron causar muchos tipos de desviaciones o errores en la práctica.

CUESTIONARIO

El calor latente es a temperatura constante y este calor permite el cambio de fase de una determinada sustancia, en cambio el calor sensible es el que aplicado a una sustancia lo hace subir de temperatura

Para diseñar o predecir el rendimiento de un intercambiador de calor, es esencial relacionar la transferencia total de calor con cantidades como el coeficiente global de transferencia de calor donde:

1/U - 1/hh + T/h +1/hc,

Son los coeficientes convectivos de transferencia de calor en el lado caliente y en el lado frío de la pared metálica. El coeficiente de transferencia de calor total para intercambiadores de calor depende no solo de los coeficientes convectivos de transferencia de calor, sino además de las superficies interior y exterior del tubo.

El coeficiente de transferencia de calor total es importante ya que nos proporciona la cantidad total de calor transferido cuando se multiplica este por área de la superficie del exterior del tubo y ∆T.

Desde el punto de vista del diseño del intercambiador de calor, puede estar basado, tanto en el área del interior del tubo como la exterior.

El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro.

Por que existe una interacción entre calores y como el ambiente se encuentra más frío lo que la naturaleza siempre busca es equilibrio entonces el aire y el ambiente ganan calor y el vaso de agua caliente cede calor, la temperatura hasta la que descenderá será un temperatura de equilibrio entre la del agua caliente y la del ambiente , pero lo más seguro es que esta temperatura de equilibrio sea muy cercana a la temperatura del ambiente, primero por la cantidad de aire y segundo por que la temperatura ambiente es baja en comparación a al del agua caliente.

1.8. BIBLIOGRAFÍAhttp://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/ap10_calorimetria.phphttp://cremc.ponce.inter.edu/labquimica/http://www.monografias.com/trabajos27/transferencia-calor/transferencia-calor.shtml