practicas de termodinamica2

7/25/2019 Practicas de Termodinamica2

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Prcticas de Termodinmica

Laboratorio 5

Facultad de Ciencias Fsico-Matematicas

Universidad Autnoma de Sinaloa

Oscar Jesus Velarde Escobar

Enero-Junio de 2012

Laboratorio de Termodinmica Elabor: Oscar J Velarde E

Febrero 2012 FCFM-U!


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Introduccin

El si"#iente es #n man#al de a$o%o $ara reali&ar las $rcticas de termodinmica

de la materia laboratorio ' de la Licenciat#ra en F(sica de la FCFM-U!) Estan

basadas en los man#ales *#e acom$a+an al e*#i$o ad*#irido $or n#estra esc#ela con

el $ro,eedor !CO) Estos man#ales se $#eden conse"#ir en ...)$asco)com )

Los man#ales de !CO estan en in"l/s % contienen s#"erencias de como

lle,ar a cabo e$erimentos en este man#al %a se an dise+ado los e$erimentos *#e

deben reali&ar&e en el laboratorio) En al"#nos casos se a a"re"ado al"o de teoria

basandonos en los tetos *#e a$arecen en la biblio"ra3ia)

La intencin de estas notas es desarrollar el man#al com$leto de $rcticas de

laboratorio ')




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Calorimetra

Un calor(metro es #n reci$iente o dis$ositi,o *#e a(sla t/rmicamente #n e$erimento de s#s

alrededores) 4dealmente esto si"ni3ica *#e los res#ltados de #n e$erimento reali&ado en #n

calor(metro son inde$endientes de la tem$erat#ra de s#s alrededores debido a *#e no a% 3l#5o decalor entrando o saliendo del calor(metro)

6a *#e todo calor(metro real es im$er3ecto siem$re eiste #n 3l#5o de calor indeseable e

#nc#anti3icable *#e a3ecta los res#ltados) ara minimi&ar esto siem$re si"a estas re"las:

1. Que el tiempo entre la toma de las temperaturas inicial y final sea mnimo. 7a"a $#es la $arte

cr(tica del e$erimento r$idamente $ara minimi&ar el tiem$o en oc#rre el 3l#5o de calor indeseado)8no se a$res#re solo $lanee c#idadosamente)9

2. Siempre que sea posile ase!"rese que la temperatura amiente se encuentre a medio

camino de las temperaturas inicial y final del e#perimento. C#ando la tem$erat#ra e$erimentales mas 3ria *#e la tem$erat#ra ambiente 3l#%e calor acia el calor(metro) 6 si es mas caliente eiste

3l#5o acia el eterior) !i la tem$erat#ra e$erimental ,aria $or deba5o % $or encima de la

tem$erat#ra ambiente en cantidades i"#ales el calor "anado % $erdido con el medio ambiente seraa$roimadamente i"#al minimi&ando el e3ecto neto sobre el e$erimento)

$. %a medicin de las masas de los liquidos dee &acerse tan cerca de la temperatura crtica

como sea posile. Esto red#ce los e3ectos de $erdida de masa $or e,a$oracin) Medir la masa de losli*#idos tomando las debidas di3erencias es #na t/cnica til 8,er las instr#ccines de los

e$erimentos indi,id#ales9)

NOTA: Al aplicar las reglas anteriores, es conveniente realizar experimentos rapidos preliminares

para determinar la mejor eleccin de las masas y temperaturas iniciales.

Calormetro

El ta&n del calor(metro tiene dos a"#5eros en s# ta$a $ara insertar #n termmetro #n t#bo del"enerador de ,a$oretc) El borde del ta&n tiene #n ,ertidor *#e 3acilita el ,ertir li*#idos 3#era del

calor(metro

)medidas 'pro#imadas de los componentes

Masa C;ta$a 2< "

Masa !;ta$a 21 "=iametro eterior 10 cm

=iametro interior >)' cm

lt#ra C;ta$a 12)? cm

lt#ra !;ta$a 11)@ cmVol#men '00 cm?




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Experimento 1: Que es una Calora?

Equipo (ecesario

A Calor(metros 2 $ie&asA Termmetro

A Balan&a

A "#a caliente % 3riaIntroduccon

C#ando dos sistemas # ob5ectos de di3erente tem$erat#ra se $onen en contacto ener"(a en la 3orma

de calor es trans3erida del sistema mas clido acia el mas 3r(o) Esta trans3erencia de calor ele,a latem$erat#ra del sistema mas 3r(o % red#ce la tem$erat#ra del sistema mas caliente) E,ent#almente

los dos sistemas alcan&an al"#na tem$erat#ra comn intermedia % la trans3erencia de calor se

detiene)La #nidad estandard $ara medir trans3erencia de calor es la calor(a) Una calor(a esta de3inida comola cantidad de ener"(a re*#erida $ara ele,ar la tem$erat#ra de #n "ramo de a"#a de 1@)' C a 1')'

C) !in embar"o $ara n#estros $ro$sitos $odemos "enerali&ar esta de3inicin diciendo

sim$lemente *#e #na calor(a es la cantidad de ener"(a re*#erida $ara ele,ar la tem$erat#ra de #n"ramo de a"#a #n "rado Celsi#s 8la ,ariacin con la tem$erat#ra es li"era9)

En este e$erimento combinaremos a"#a caliente % 3r(a de masa % tem$erat#ra conocidas) Usando

la de3inicin de calor(a $odremos determinar la cantidad de ener"(a calor(3ica *#e se trans3iere allle,ar a"#a 3r(a % caliente a #na tem$erat#ra 3inal de e*#ilibrio % de esto determinar si la ener"(a

calor(3ica se conser,a en el $roceso)

)rocedimiento

1. =etermine la masa del calor(metro ,ac(oMcal) De"istre s#s res#ltados en la Tabla 1)1)2. %lene el calor(metro asta #n 1;? de s# ,ol#men con a"#a 3r(a) Mida % re"istre la masa del

calor(metro % el a"#a 8Mcal a"#a 3ria)9

$. %lene #n se"#ndo calor(metro asta #n 1;? de s# ,ol#men con a"#a caliente) el a"#a debe tener almenos 20 C $or encima de la tem$erat#ra ambiente) Mida % re"istre la masa del calor(metro % el

a"#a 8Mcal a"#a caliente9

*. Mida % re"istre las tem$erat#ras del a"#a caliente Tcaliente% del a"#a 3r(a Tfria)+. 4nmediatamente des$#es de medir las tem$erat#ras a"re"e el a"#a caliente a el a"#a 3r(a %me&cle con el termometro asta *#e la tem$erat#ra se estabilice % re"istrela T3inal)

,. Mida % re"istre la masa del calor(metro % el a"#a me&cladaM3inal)

. De$ite el $rocedimiento dos ,eces con di3erentes masas de a"#a a di3erentes tem$erat#ras)8$odemos tratar $oniendo el a"#a 3ria en la caliente9

ata




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/ala 1.1 datos

E$erimento 1 E$erimento 2 E$erimento ?

Mcal

Mcal a"#a 3ria

Mcal a"#a caliente

Tcaliente

Tfria

T3inal

M3inal

Clculos

Con estos datos determine las masas del a"#a 3r(a % caliente 8Ma"#a 3riaMa"#a caliente9 % tambi/n el

cambio de tem$erat#ra s#3rida $or cada #na 8T3ria % Tcaliente9) De"istre s#s res#ltados en la Tabla

1)2)Usando las ec#aciones *#e se m#estran aba5o calc#le fr!a % 7caliente el calor "anado $or el a"#a

3r % caliente res$ecti,amente) De"istre s#s res#ltados en la tabla)fr!aG 8Magua fr!a98Tfr!a981 cal;" H9

calienteG 8Ma"#a caliente98Tcaliente981 cal;" H9

/ala 1.2 Clculos

E$erimento 1 E$erimento 2 E$erimento ?

Ma"#a 3ria

Ma"#a caliente

Tcaliente

Tcaliente

Tfria

fr!a

caliente

)re!untas

1. I#e tenia mas ener"(a t/rmica) Las dos co$as de a"#a antes de me&clarlas o des$#/sK I!e

conser,a la ener"(aK2. =isc#ta sobre las 3#entes no deseada de $erdida de calor *#e $#edan aber tenido #n e3ecto sobre

el e$erimento)$. !i 200 "r de a"#a a ' C se a"re"aran a 1'0 " de a"#a a 1' C c#al seria la tem$erat#ra 3inal dee*#ilibrio de la me&claK))




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Experimento2: Calor especfico

Equipo (ecesario

A Calor(metroA Termmetro

A M#estras de al#miniocobre % t#n"steno

A "#a CalienteA "#a 3r(a

A Balan&a

A nticon"elante a$roimadamente 100"

'!ua caliente y fria

Introduccin

El calor es$eci3ico de #na s#bstancia #s#lmente indicado $or el simbolo C el la cantidad de calorre*#erida $ara ele,ar la tem$erat#ra de #n "ramo de esa sa#bstancia 1 C 8o 1H9) de la de3inicinn

de caloria dada en el e$erimento 1 $#ede obser,arse *#e el calor es$eci3ico del a"#a es de 1)0

cal;" H) !i #n ob5eto esta eco de #na s#bstancia con calor es$eci3ico i"#al a cs#b entonces el calor, re*#erido $ara ele,ar la tem$erat#ra del ob5eto $or #na cantidad T is :

"8masa del ob5eto9 8cs#b9 8#T9 o como dice el libro de !ears

$=mcs TEn este e$erimento medir #sted los calores es$ec(3icos de al#miniocobre % t#n"steno)

reca#cion este e$erimento in,ol#cra el #so de a"#a caliente % el mane5o

de ob5etos metlicos calientes) Traba5e con c#idado)

Los calores especificos de Aluminio, Cobre, y Tungsteno

1) Mida Mcal la masa del calor(metro *#e #sara 8debe de estar ,ac(o % seco9) De"istre s#s

res#ltados en la Tabla 2)1)2) Mida las masas de las m#estras de al#minio cobre % t#n"steno) De"(strelas en la Tabla 2)1

en la 3ila marcada como Mm#estra)

?) te #n ilo a cada #na de las m#estras de metal % s#s$enda cada #na de ellas en a"#air,iendo) 7"alo $or el tiem$o s#3iciente $ara *#e se caliente $or com$leto)




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@) Llene el calor(metro a$roimadamente a la mitad con a"#a 3r(a#se s#3iciente a"#a $ara

c#brir $or com$leto las m#estras)') Mida T3ria la tem$erat#ra del a"#a 3r(a) De"istre el res#ltado en la tabla)


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Use la ec#acin anterior $ara obtener los calores es$ec(3icos del al#minio el cobre % el t#n"steno

1)-comente sobre los calores es$ec(3icos de las m#estras con res$ecto al calor es$eci3ico del a"#a )

2)- E$li*#e si a s# 5#icio #bo $/rdidas de calor % como oc#rrieron estas

?)- com$are s#s res#ltados con los res#ltados re$ortados estndares) Calc#le s# error $orcent#al)




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Experimento 3: Calor latente de Vaporiaci!n yCalor latente de fusi!n

E"uipo necesario

Calor(metro)

A Nenerador de ,a$or)A Tram$a de a"#a

A Termmetro)

ABalan&aA 7ielo en a"#a 8a $#nto de derretirse9

A "#a caliente % man"#eras)

Calor latente de 3apori4acin.

Introduccin

C#ando #na s#bstancia cambia de 3ase

el arre"lo de s#s mol/c#las cambia) !iel n#e,o arre"lo tiene ma%or ener"(a

interna la s#bstancia debe absorber

calor $ara acer la transicin de 3ase)or el contrario si el n#e,o arre"lo

tiene menor ener"(a interna tiene *#e

liberar calor c#ando ace la transicin de 3ase)

En este e$erimento #sted determinar *#e tanto mas ener"(a esta contenida en #n "ramo de,a$or a 100 C *#e en #n "ramo de a"#a a la misma tem$erat#ra) Este ,alor se llama calor latente

de ,a$ori&acin del a"#a)

s( como el ,a$or tiene #na ener"(a interna ms alta *#e el a"#a /sta tiene ma%or ener"(a interna*#e el ielo) !e re*#iere de cierta cantidad de ener"(a $ara *#e las mol/c#las del a"#a rom$an las

3#er&as *#e las mantienen #nidas en la estr#ct#ra cristalina del ielo) Esta misma cantidad de ener"(a

se libera c#ando las mol/c#las se #nen $ara 3ormar el ielo)

En este e$erimento #sted deber medir la di3erencia de ener"(a interna de #n "ramo de ielo a 0 C% #n "ramo de a"#a a 0 C) esta di3erencia en ener"(a le llamamos calor latente de 3#sin del a"#a)

reca#cion este e$erimento in,ol#cra el #so de a"#a caliente % ,a$or)Traba5e con c#idado)




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)rocedimiento

1.-Mida T' la tem$erat#ra ambiente)

2)-rre"le el "enerador de ,a$or % la tram$a de a"#a como se m#estra en la 3i" las lon"it#des de las

man"#eras deben ser a$roimadamente como se m#estra)

$.-=etermine la masa del calor(metro ,ac(oM&) De"istre s#s res#ltados)

*.-Llene el calor(metro asta #n 1;2 de s# ,ol#men con a"#a tibia 1? C $or deba5o de de latem$erat#ra ambiente)

+.-Mida % re"istre la masa del calor(metro % el a"#a 8 M&A)9 % la tem$erat#ra inicial T4del a"#a))

,.-Encienda el "enerador de ,a$or % es$ere a *#e el ,a$or 3l#%a libremente $or el t#bo $or menos

d#rante #n min#to)

.-!#mer"a el t#bo corto *#e esta s#elto en el a"#a 3ria del calorimetro) "ite contin#amente el a"#a

con el termometro)

ota 4m$ortante:(a fondo de la trampa de agua de)e mantenerse por encima del nivel del agua enel calor!mentro para evitar *ue el agua del calor!metro sea succionada a la trampa de agua.

5.- C#ando la tem$erat#ra del a"#a este $or encima de la tem$erat#ra ambiente alrrededor de 1? C

retire el t#bo % anote la mima tem$erat#ra re"istrada)ota: !iem$re retire el t#bo con ,a$or del a"#a antes de a$a"ar el "enerador de ,a$or) 8I#ede

#sted e$licar $or*#eK9)

6.-=etermine inmediatamente la masa 3inal del calor(metro mas el a"#a mas el ,a$or condensado)

)arte 2 Calor latente de fusin

10.- Una ,e& *#e %adetermin la masa ,#el,a a medir la tem$erat#ra del a"#a Ty ase"#rese *#e al

menos esta 10 o mas $or encima de la tem$erat#ra ambiente si no es asi a"re"e #n $oco de a"#a

caliente % ,#el,a a $esarM+(cal+agua) % medir la tem$erat#ra Ty )

11)- '"re"#e $e*#e+os $eda&os de ielo al a"#a tibia secando el eceso de a"#a de cada $eda&o de

ielo antes de a"re"arlo) "re"#e el ielo des$acio % contin#amente a"ite el a"#a con el

termmetro asta *#e cada $eda&o se derrita)

12)-C#ando la tem$erat#ra de la me&cla se enc#entre $or deba5o de la tem$erat#ra ambiente tanto

como se encontraba el a"#a tibia $or arriba de la tem$erat#ra ambiente % todo el ielo se enc#entre

derretido mida la tem$erat#ra 3inal del a"#a T+)

1?)-Inmediatamente des$#/s de medir T+, $ese el Calor(metro % el a"#a $ara determinar la masa

3inal M+)




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=atos:

T' G PPPPPPPP McalG PPPPPPPP T-G PPPPPPP M(cal+agua ) GPPPPPPPP

T, GPPPPPPPPP Mfinal G PPPPPPPPPPP

T. " /////// M+(cal+agua) " //////// T+"///// M+"//////

Calculos

C#ando el ,a$or se condensa en a"#a 3r(a se libera ener"(a en 3orma de calor en el a"#a de dos3ormas) rimero $rimero se libera el calor latente de ,a$ori&acin *#e $ermite *#e el ,a$or se

con,ierta en a"#a esta n#e,a a"#a esta a #na tem$erat#ra de 100C )

!e"#ndo esta a"#a n#e,a libera calor $ara lle"ar al e*#ilibrio t/rmico con el a"#a 3r(a a #na

tem$erat#ra 3inal T)

=e ac#erdo al $rinci$io de conser,acin de la ener"(a la cantidad total de calor liberado $or el,a$or es i"#al al calor total absor,ido $or el a"#a 3r(a)

(Mvapor)($v )+(Mvapor)(1cal /g 0)(TvaporTfinal)=(Magua)(1cal/g 0)(TfinalTinicial)

Mvapor=MfinalM(cal+agua) G PPPPPPPPP Tvapor=100% &

Magua=M(cal+agua)McalG PPPPPPPPPPP

Enc#entre $v 8calor latente de ,a$ori&acin $or "ramo de a"#a9 de la in3ormacin anterior) 8nota:

6a *#e el termometro absor,e cierta cantidad de calor d#rante el e$erimeto Una b#ena

a$roimacin es s#$oner *#e la ca$acidad calor(3ica del termometro es e*#i,alente a a la de #n

"ramo de a"#a8 i)e) "re"e 1 "ramo a Magua en las ec#aciones anteriores)9

$v G PPPPPPP

re"#ntas:1)-I or*#e #na *#emad#ra ca#sada $or #n "ramo de ,a$or a 100C es ma%or *#e la ca#sada $or #n

"ramo de a"#a a 100CK

2)- I #ede #sted es$ec#lar como a3ecta al clima el calor latente de ,a$ori&acinK

?)- I=e *#e manera el a"#a #sada $ara cocinar la comida sir,e como re3ri"eranteK 8$ista: I#e $asac#ando el toda el a"#a se e,a$oraK9

parte 2)

=e ac#erdo al $rinci$io de conser,acin de la ener"(a la cantidad de calor absor,ido $or el ieloc#ando se derrite % l#e"o se calienta asta alcan&ar la tem$erat#ra 3inal de e*#ilibrio debe ser i"#al a

la cantidad de calor liberado $or el a"#a caliente c#ando se en3r(a la lle"ar a la tem$erat#ra 3inal de

e*#ilibrio)




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(M1ielo)($ f)+(M1ielo)(1cal /g 0)(T,+0% &)=(Magua)(1cal/g 0)(T.T,+)

M1ielo=M+M+(cal+agua) G PPPPPPPPPPPPPPPP

#se la in3ormacin anterior $ara calc#lar $f el calor latente de 3#sin del ielo $or "ramo de a"#a)




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Experimento #:%eyes de C&arles y 7oyle para los !ases

E*#i$o re*#erido:

M*#ina de calor con $istnTermmetro

Vaso de $reci$itado

!ensor de $resin 8C4-


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)rocedimiento

1) colo*#e la cmara de aire en el ,aso de $reci$itado lleno de a"#a caliente l#e"o de $ermitir

*#e la tem$erat#ra se e*#ilibre re"istre la tem$erat#ra % la alt#ra del $istn)

2) "re"#e ielo al ,aso de $reci$itado % re"istre la tem$erat#ra % la alt#ra del $istn ainter,alos de tiem$o re"#lares)

?) Calc#le el ,ol#men del "as en las di3erentes alt#ras del $istn) 6 realice #na "r3ica detem$erat#ra contra ,ol#men)8El radio del $istn es de 1')QR0)1 mm9

Se!unda )arte

/eora

La Le% de Bo%le dice *#e el $rod#cto de la $resin $or el ,ol#men es #na constante a tem$erat#raconstante)

32=a Con lo c#al 3=a

2

'rre!lo E#perimental

a9 con la $lata3orma ele,ada a s# ma%or

$osicin conecte el sensor de $resin a

#no de los $#ertos de la base del a$arato)

b9!elle el t#bo no #tili&ado)c9 conecte el sensor a la inter3ace % a la

com$#tadora) se"rese de tomar losdatos $or medio del tablero en o$ciones dem#estreo)

)rocedimiento

De"istre la alt#ra del $iston % la $resion

c#ando la $lata3orma se enc#entra en s#

$osicion mas alta)

resione la $lata3orma acia aba5o en

di,ersas alt#ras % re"istre ademas de esta

la $resin)

Calc#le el ,ol#men de las alt#ras re"istradas 8 El dimetro del $istn es de ?2' mm9)

Dealice #na "r3ica de $resin contra ,ol#men)




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ota: $resiones ma%ores de 120 Sa la relacin entre la $resin % el ,ol#men $#ede no ser linealdebido a las 3#"as de aire del sistema a $resiones ma%ores)

Bbilo"ra3ia:

1)-Calor % Termodinmica) !eta edicin

emansS% MarS ) =ittman Dicard 7)

McNra.-7ill de meico 1Q')

2)-Termod%namics

Fermi Enrico =o,er 1Q'>

?)-Termodinamica

Narc(a-Colin Trillas 1Q0

@)-F(sica ,ol#men 1 'a Edicin Dobert DesnicS =a,id 7allida% Hennet Hrane

CEC! 4!B Q>0-2@02'>-?

')-C#rso de 3(sica Neneral tomo 1

!) Fris timore,a Editorial Mir

practicas de termodinamica2

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