Aplicacion de La Ley de La Termodinamica

 

UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA INGENIERIA QUIMICA

TEMA: 

LABORATORIO N° NOMBRE: C M CHO ORTEG

ORELL

J HZEEL

QUISPE M RINE TEKI

CRUZ P NI GU

RENE

NGEL 

MATERIA: FISICOQUIMIC PARALELO: DOCENTE:

Ms Ing MARIO HUANCA IBAÑEZ 

 

 

PLIC CIÓN DE L PRIMER TERMODIN MIC

LEY DE L

1. RESUMEN. En la presente práctica experimental se emplearan emplearan mediciones de magnitudes físicas como temperatura, altura y volumen seguidamente registraremos datos para luego hacer cálculos posteriores, como el cálculo de presión, de volumen y temperaturas para luego calcular el trabajo, calor y energía interna empleando el método de expansión compresión isotérmica.  Aplicando la primera ley de la termodinámica,  Aplicando termodinámica, mediante mediante diferentes procesos se puede determinar los cambios de energía, en nuestro caso un proceso de enfriamiento molecular isométrico seguido de una compresión adiabática y una compresión isobárica respectivamente donde obtuvimos los siguientes resultados.

TABLA 5. RESULTADOS OBTENIDOS, POR EL METODO DE LA COMPRESION EXPANSION ISOTERMICA. Nº 1  2  3 ∑ 

PR OCES O  A→B  B→C   C→A  Totall Tota

W[J] 0 2,5231 1,0092 3,5323

Q[ Q[JJ ] -2,5231 0 -6,3631 -8,8862

∆ U[J] U [J] -2,5231 -2,5231 -2,5231 -7,5693

∆ H[J] H [J] -6,3631 6,3631 -6,3631 6,3631

2. INTRODUCCION. La termodinámica es la rama de la ciencia que estudia los principios de transformación de la energía en sistemas macroscópicos.   Según la primera ley de la termodinámica “ la energía no se crea ni se destruye solamente se trasforma”

PROCESO TERMODIÁMICO Es el resultado de la modificación de las formas de energía en un sistema por variar o modificar las variables de estado (P, V, T) en sistemas específicos.

 

 

A

B

U1

U2 To

Proceso

T1 

Po

P1 

Vo

V1  U

Estado inicial

Estado final

Según la primera ley de la termodinámica: En este tipo de transformación se ven afectadas las siguientes variables:  

FUNCIONES DE TRAYECTORIA: TRAYECTORIA: Calor y trabajo.   FUNCIONES DE ESTADO: ESTADO: Energía interna y entalpia.

3. OBJETIVOS.  

Efectuar lecturas de volúmenes de gas al modificar las presiones en el sistema a TEMPERATURA constante, según la ley de Boyle: Para dibujar una isoterma en el diagrama P-V, empleamos los métodos de compresión isotérmica y expansión-expansión isotérmica  isotérmica 

 

Dibujar o representar una u otra isoterma a la temperatura de 135°C, empleando la ley combinada de los gases de comportamiento ideal con referencia a los datos experimentales.

 

Representar una transformación termodinámica en el diagrama P-V, a partir de un estado de equilibrio que se elija a alguna isoterma o temperatura; la transformación requerida es inicialmente el gas sufre un enfriamiento molecular a volumen constante, continua con una compresión adiabática reversible y finaliza con una compresión isobárica. Para esta transformación calcule para cada etapa y la transformación total: w, q,  y . (Considere que el gas tiene comportamiento ideal).

∆ ∆

4. FUNDAMENTO TEORICO.

 

 

La primera ley no es otra cosa que el principio de conservación de la energía aplicado a un sistema de muchísimas partículas. A cada estado del sistema le corresponde una energía interna U. Cuando el sistema pasa del estado A al estado B, su energía interna cambia en

∆

U=UB-U A

Supongamos que el sistema está en el estado A y realiza un trabajo W, expandiéndose. Dicho trabajo mecánico da lugar a un cambio (disminución) de la energía interna de sistema

∆

U=-W

También podemos cambiar el estado del sistema poniéndolo en contacto térmico con otro sistema a diferente temperatura. Si fluye una cantidad de calor Q del segundo al primero, aumenta su energía interna de éste último en

∆

U=Q

Si el sistema experimenta una transformación cíclica, el cambio en la energía interna es cero, ya que se parte del estado A y se regresa al mismo estado, DU=0. Sin embargo, durante el ciclo el sistema ha efectuado un trabajo, que ha de ser proporcionado por los alrededores en forma de transferencia de calor, para preservar el principio de conservación de la energía, W=Q.

             

∆∆ ∆

Si la transformación no es cíclica U 0 Si no se realiza trabajo mecánico U=Q Si el sistema está aislado térmicamente U=-W Si el sistema realiza trabajo, U disminuye Si se realiza trabajo sobre el sistema, U aumenta Si el sistema absorbe calor al ponerlo en contacto térmico con con un foco a temperatura superior, U aumenta. Si el sistema cede calor al ponerlo en contacto térmico con un foco a una temperatura inferior, U disminuye.

Todos estos casos, los podemos resumir en una única ecuación que describe la conservación de la energía del sistema.

∆

U=Q-W

Si el estado inicial y final están muy próximos entre sí, el primer principio se escribe dU = dQ - pdV

 

 

Transformaciones   La energía interna U del sistema depende únicamente del estado del sistema, en La energía un gas ideal depende solamente de su temperatura. Mientras que la transferencia de calor o el trabajo mecánico dependen del tipo de transformación o camino seguido para ir del estado inicial al final.

Isocora o a volumen constante No hay variación de volumen del gas, luego W=0 Q= n cV (TB-T A) Donde cV  es el calor específico a volumen constante

Isóbara o a presión constante W =p (vB-v A) Q = n cP (TB-T A) Donde cP es el calor específico

Isoterma o a temperatura constante,La curva p= cte/ V que representa la transformación en asíntotas un diagrama una hipérbola cuyas son p-Ves los ejes coordenados. pV=nRT

∆

U=0

Q=W

 

 

Adiabática o aislada térmicamente, Q=0 La ecuación de una transformación adiabática la hemos obtenido a partir de un modelo simple de gas ideal. Ahora vamos a obtenerla a partir del primer principio de la Termodinámica. Ecuación de la transformación adiabática Del primer principio DU = -pdV

Integrando

Donde el exponente de V se denomina índice adiabático g del gas ideal

Si A y B son los estados inicial y final de una transformación adiabática se cumple que

Para calcular el trabajo es necesario efectuar una integración similar a la transformación isoterma.

Como podemos comprobar, el trabajo es igual a la variación de energía interna cambiada de signo Si Q=0, entonces W=- U=-n cV(TB-T A) La primera ley de la termodinámica da una definición precisa del calor, otro concepto de uso corriente.

 

 

El primer principio es una ley de conservación de la energía. Afirma que, como la energía no puede crearse ni destruirse dejando a un lado las posteriores ramificaciones de la equivalencia entre masa y energía la cantidad de energía transferida a un sistema en forma de calor más la cantidad de energía transferida en forma de trabajo sobre el sistema debe ser igual al aumento de la energía interna del sistema. El calor y el trabajo son mecanismos por los que los sistemas intercambian energía entre sí. En cualquier máquina, hace falta cierta cantidad de energía para producir trabajo; es imposible que una máquina realice trabajo sin necesidad de energía. Una máquina hipotética de estas características se denomina móvil perpetuo de primera especie. La ley de conservación de la energía descarta que se pueda inventar nunca una máquina así. A veces, el primer principio se enuncia como la imposibilidad de la existencia de un móvil perpetuo de primera especie.

TRABAJO (W) En física, se refiere a la energía necesaria para cambiar la posición de un cuerpo cuando sobre ella se le aplica una determinada fuerza F; por tanto, el trabajo mecánico se define como: W = F . d   Donde: F  es  es la fuerza que se aplica para cambiar la posición de un cuerpo, cuando éste se desplaza una determinada distancia "d"   y F se mide en unidades de energía, [Julio]. Termodinámicamente se refiere a la energía necesaria para cambiar el estado o posición de las moléculas dentro de un sistema por efectos de presión o temperatura, esto se puede ver en la siguiente figura 1, cuando el proceso es isotérmico, estos es:

La figura 1, muestra un proceso de expansión, si la temperatura es constante, se denomina proceso de expansión isotérmico; donde P1>P2, significa que, para producir una expansión se tiene que disminuir la presión en el sistema. Por tanto, el trabajo realizado en una sola etapa se determina por: W = P . dV

ó también por:

 

 

W = Pop . (V 2     - V 1 )  2 -

Diagrama P-V de expansión isotérmica.   Diagrama P-V de compresión isotérmica.  Fíjese en los diagramas, el trabajo de expansión isotérmica  en una sola etapa contra una presión de oposición P2   está marcado por un área menor al de un proceso de compresión isotérmica, para el cual se emplea una presión de oposición P1  La convención del signo para el trabajo que se emplea, es que un valor negativo significa que el sistema ha realizado trabajo sobre el medio y un valor positivo significa que el medio ha realizado trabajo sobre el sistema.

CALOR (Q) El calor es una forma de energía que se manifiesta por diferencia de temperatura. En termodinámica, el calor (Q),  se define como la energía que se transfiere por diferencia de temperatura entre el sistema y el medio; donde el calor fluye en el sentido donde existe menor temperatura. La convención del signo para el calor, si es positivo (+) significa que fluye calor del medio al sistema y si es negativo (-) tiene el significado de que el sistema libera calor al medio y esto ocurre porque el sistema está caliente. La cantidad de calor absorbido o liberado por una sustancia de n moles y de una capacidad calorífica molar C, cuando existe diferencia de temperaturas T 2  y T1, donde el estado final corresponde a (2) y el es6tado inicial a (1), se tiene: Q = n . C . (T 2   - T 1 ) 2  -

Si no existe un intercambio de energía calorífica, se puede entender que entre dos sistemas existe un equilibrio térmico, porque, T2 = T1

ENERGIA INTERNA (U) La energía interna (U)  de un sistema es el resultado del movimiento molecular a una determinada temperatura, por tanto, queda definido el estado del sistema durante un proceso no se pueden medir energías internas absolutas; sino que se U 

 )  cuando durante el perciben cambios en las energías internas, es decir ( proceso un sistema cambio un estado 1 a un estado 2, por tanto:

 

 

U  =

U 2   - U 1 2  -

Si el proceso es cíclico ΔU = 0 y si no es cíclico es diferente a cero, y este cambio puede ocurrir, cuando el sistema absorbe calor y su energía interna aumenta y por tanto es capaz de realizar trabajo sobre el medio con la consecuencia de disminuir su energía interna, esto se puede escribir como: U   = Q – W Si las transformaciones ocurren en cambios infinitesimales o lo que es lo mismo que durante el proceso el estado inicial y final están muy próximos, el cambio de energía interna se escribe como: dU = dQ ─ p dV   Esto conduce a reafirmar la Primera Ley de la Termodinámica, que la energía interna en un sistema no se crea ni se pierde sino se transforma de una forma a otra. Esta primera ley también se estudia en física estadística y termodinámica, termodinámica,   para procesos reversibles. dU= dq – dq – dW  dW y:

dq= m Cv Dt

dW= W= pdV Qv= ΔU=  ΔU= n Cv Δ Cv ΔT T

ENTALPIA (H) Es una forma de energía que mide la cantidad de calor en un sistema a presión constante Qp= ΔH=  ΔH= n Cp Δ Cp ΔT T - Diagrama P-V permite definir el cambio de estado de un sistema referido a las variable de estado (P, V, T)

A PA  B PB 

To T1To

VA 

VB 

 

 

5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.-

1ºMETODO- COMPRESION ISOTERMICA: Este método consiste en comprimir un volumen de gas contenido dentro de un sistema cilíndrico adicionando fracciones de volúmenes de agua a temperaturas constantes.

     

 

T= Cte. Temp.ambiente

 

2º METODO METODO EXPANSION-COMPRESION ISOTERMICA: El método consiste en modificar los volúmenes de una masa de gas contenido en un sistema a TEMPERATURA constante cambiando la posición de niveles de líquido arriba y abajo.

Ejecución del experimento  

En el extremo de la bureta conectar el la manguera, en el extremo libre de la manguera conectar el embudo.   En un vaso precipitado medir la temperatura ambiente en la cual se realiza el experimento.   Agregar agua y determinar el nivel de referencia.   Mover de abajo hacia arriba para que las burbujas de aire presentes en la manguera salgan.

 

 

 

Encontrado el nivel de referencia se debe tapar la bureta con el tapón en la cual el aire queda atrapado en la bureta.

Elevar de arriba hacia abajo para crear las diferencias de presiones  Este segundo método es el desarrollado en el presente informe

Montaje experimental

6. DATOS Y RESULTADOS. Los siguientes datos experimentales son obtenidos experimentalmente por el método de la compresión-expansión isotérmica, efectuando lecturas de volumen y altura de líquido, a 18ºC PARA EL GAS AIRE, TOMANDOLO COMO SI SU COMPORTAMIENTO FUESE IDEAL.

TABLA 1. DATOS OBTENIDOS EXPERIMENTALMENTE N°  1  2  3  4  5  6 

V [ml]  55 51 46 40 66 40

H [cm]  235,0 164,5 89 0 -51,5 -113,3

7 

34

-158,5

 

 

LOS CALCULOS SE DESARROLLAN EN EL APENDICE. TABLA 2. VOLUMENES TOTALES DE AIRE TABULADOS N° 1 2 3 4 5 6 7

V[L]

h[mm]

0,055 0,051 0,046 0,04 0,066 0,04 0,034

2350 1645 890 0 -515 -1133 -1585

TABLA 3. DATOS CALCULADOS PARA REALIZAR LA PRIMERA ISOTERMA ISOTERM A A 18ºC N°  1  2  3  4  5  6  7 

V [ml] 

P1[atm] 

55 51 46 40 66 40 34

0,848 0,779 0,706 0,620 0,569 0,509 0,466

TABLA 4. DATOS CALCULADOS PARA REALIZAR LA SEGUNDA ISOTERMA. N°  1  2  3  4  5  6  7 

V [ml] 

P2[atm] 

55 51 46 40 66 40 34

0,848 0,779 0,706 0,620 0,569 0,509 0,466

 

 

TABLA 5. RESULTADOS OBTENIDOS, POR EL METODO DE LA COMPRESION EXPANSION ISOTERMICA. Nº 1  2  3 ∑ 

PR OCES O  A→B  B→C     C→A Totall Tota

W[J] 0 2,5231 1,0092 3,5323

Q[ Q[JJ ] -2,5231 0 -6,3631 -8,8862

∆ U[J] U [J] -2,5231 -2,5231 -2,5231 -7,5693

∆ H[J] H [J] -6,3631 6,3631 -6,3631 6,3631

7. RECOMENDACIONES  

Recomendamos que a la hora de realizar el experimento tomemos en cuenta el lugar donde se realizara el procedimiento y que sea en un lugar alto y que sea recto y estable .

 

También observamos que el experimento no estuvo complicado de realizar pero el detalle estaba en hacer muy bien las conexiones de las mangueras y tener un poco de cuidado al tomar las mediciones y al dejar escapar un poco de gas.

 

Tener también mucho cuidado con la medición de las alturas ya que son muy importantes para realizar los cálculos correspondientes debemos ser lo más precisos posible en este tema.

 

Debemos tener mucho cuidado con el manómetro, ya que en muchos casos se sale el líquido, puede estar no muy bien conectado o simplemente se puede romper ya que el tubo es muy delgado.

8. CONCLUSIONES   Se realizaron lecturas de volúmenes de una masa de gas aire contenido en un sistema a temperatura constante, y se representó una isoterma en el diagrama PV o  Se dibujó la segunda isoterma a la temperatura de 135ºC, empleando la ley combinada de los gases de comportamiento ideal empleando los volúmenes calculados. o  Se representó en un diagrama P-V las dos isotermas a 18ºC y 135ºC, cuando el gas sigue una serie de procesos, como ser: enfriamiento molecular (1), seguido de una compresión adiabática reversible (2) y por ultimo una compresión isobárica (3).

o

  Se obtuvo los siguientes resultados:

o

 

 

TABLA 5. RESULTADOS OBTENIDOS, POR EL METODO DE LA COMPRESION EXPANSION ISOTERMICA. Nº 1  2  3 ∑ 

PR OCES O  A→B  B→C     C→A Totall Tota

W[J] 0 2,5231 1,0092 3,5323

Q[ Q[JJ ] -2,5231 0 -6,3631 -8,8862

∆ U[J] U [J] -2,5231 -2,5231 -2,5231 -7,5693

∆ H[J] H [J] -6,3631 6,3631 -6,3631 6,3631

8. BIBLIOGRAFIA. a. Ing. Mario Huanca Ibáñez,”Guía de Practicas de Laboratorio de Fisicoquímica”,Edit.F.N.I. , Oruro – Bolivia – Bolivia –  – 2000  2000 b. Www.Quimica_Fisica2/Alv/Estarmat.Com c. Www.Wikipedia.Com d. J.M. Smith “Introduccion A La Termodinamica En Ingenieria Quimica”  Quimica”  

9. APENDICE. Para el método de expansión-compresión isotérmica.Los siguientes datos experimentales son obtenidos experimentalmente por el método de la compresión-expansión isotérmica, efectuando lecturas de volumen y altura de líquido, a 18ºC PARA EL GAS AIRE, TOMANDOLO COMO SI SU COMPORTAMIENTO FUESE IDEAL. TABLA 1. DATOS OBTENIDOS EXPERIMENTALMENTE N° 

V [ml] 

H [cm] 

  21  3  4  5  6  7 

55 51 46 40 66 40 34

235,0 164,5 89 0 -51,5 -113,3 -158,5

 = ,,  

   

TOMANDO EN CUENTA LOS VOLUMENES PROCEDEMOS A LO SIGUIENTE:

     =  

 

 

Sumando el volumen que no se ve en la bureta se tiene la siguiente tabla:

TABLA 2. VOLUMENES TOTALES DE AIRE TABULADOS N° 1 2 3 4 5 6 7

V[L]

h[mm]

0,055 0,051 0,046 0,04 0,066 0,04 0,034

2350 1645 890 0 -515 -1133 -1585

Con las alt alturas uras hallamos las presiones presiones que el líquido ejerce una pr presión esión sobre el gas: Para la primera lectura:

   ∗2350 1       = 486,4   + 13,56      −15,447∗ 760  1 = 0,848   

Sucesivamente se realiza con las otras lecturas, lecturas, se tiene la siguiente tabla: TABLA 3. DATOS CALCULADOS PARA REALIZAR RE ALIZAR LA PRIMERA ISOTERMA A 18ºC N°  1  2  3  4  5  6  7 

V [ml] 

P1[atm] 

55 51 46 40 66 40 34

0,848 0,779 0,706 0,620 0,569 0,509 0,466

*Para hallar el isoterma a 135[°C], se realiza el uso de la ley combinada de los gases (usando el volumen como constante) Se realiza el uso de la ley general de los gases:

 

 

 ∗  =  ∗  ∗  →  = 

 

Hallando el número de moles en el equilibrio:

En el equilibrio se tiene los siguientes datos: P=0,620[atm] T=18[°C]

;

V=0,04[L]

0,62020 ∗291, ∗0,0415 = 0,00104  =  ∗∗∗  = 0, 0821

;

 

Una vez teniendo el número de moles, procedemos a calcular las presiones para la isoterma a 408,15ºK  

Para la primera lectura:

  ∗ ∗      0 , 0 0104      ∗0, 0 821 ∗408, 1 5    ∗ ∗    = 0.6321  = 0,055

 

Sucesivamente se realiza con las otras lecturas, lecturas, se tiene la siguiente tabla: TABLA 4. DATOS CALCULADOS PARA REALIZAR LA SEGUNDA ISOTERMA. N°  1  2  3  4  5  6  7 

V [ml] 

P2[atm] 

55 51 46 40 66 40 34

0,632 0,682 0,756 0,869 0,527 0,869 1,023

Para hallar el trabajo, calor, entalpia y energía interna en el ciclo. Se toma puntos de las isotermas Para recorrer el ciclo UTILIZAREMOS LA GRAFICA PARA DIBUJAR EL CICLO ENTRE AMBAS ISOTERMAS, COMO SE VE EN LA GRAFICO EXISTEN TRES PROCESOS Y PARA CADA UNO SUS DOS PUNTOS. PROCESO 1 “El gas experimenta un enfriamiento molecular isométrico” isométrico”   T A=135[°C] = 408, 15ºK

TB=18[°C] = 291, 15ºK

 

 

P A=0,869[atm]

PB=0,509[atm]

V A=0,04 [L]

VB=0,04[L]

 

*Para el proceso A→ B (isométrico) 

PARA UN PROCESO ISOMETRICO EL VOLUMEN ES CONSTANTE.

Trabajo (el trabajo en un proceso isométrico es igual a cero)

 = ∫ ∫  = 0  = 0

 

ENTONCES:

 

Calor  

LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA NOS DICE:  

∆ =  +  ∆ =   = ( − )  = 0,00104 ∗ 52 ∗8,314[   ] (291,15−408,15) = −2,5231  = −2,5231 5231 ∆ = (= −∆) → ∆ = −2,5231 ∆ = 0,00104 0104 ∗ 72 ∗8,314[   ] (291,15−408,15)5) = −3,5323 323 ∆ = −3,5323

Como el trabajo es cero es calor es igual a la energía interna  

 

 

 

Energía interna: Entalpia: 

 

 

 

 

PROCESO 2. “El gas experimenta una compresión isotérmica reversible”    Para el proceso B → C(compresión adiabática) 

Trabajo (el calor es igual a cero en un proceso isotérmico entonces el trabajo es igual a menos la energía interna)

 

 

=0 ∆ =  +   

 

Debido a que el gas se comprime, se está realizando un trabajo sobre el sistema, por lo tanto el trabajo es positivo, pero la energía interna es negativa.

∆ ==−∆−  = ( − )  = 0,00104 0104 ∗ 52 ∗8,314[   ] (408,15−291,15)5)  = , ∆ = −, −,  ∆ = ( − ) ∆ = 0,00104 ∗  ∗,[   ] (,−,) ∆ = ,    

 

 

 

LA ENERGIA INTERNA:

 

Calculamos la entalpia.

 

 

 

PROCESO 3 “el gas sufre una compresión isobárica”    

Para el proceso C → D

En un proceso isobárico la presion es constante Trabajo

∆ =  + 

 

Como al comprimir el gas realizamos un trabajo sobre el sistema, el trabajo es positivo 

 = − ∗(∗ ( − )  = 0,00104 0104 ∗8,314[   ∗∗ ]∗(,−,) = 1,0092  

 

 

 

 = 3,840 ∆ = ( − ) ∆ = 0,0017 017 ∗ 52∆∗8,=3−2,14[5231    ∗∗] ∗ (,−,)) ∆ =  +   = ∆∆ − −  = −2,5231−3,840  

Calculamos la Energía interna

 

 

 

Calculamos el calor:

   

 

 

ENTALPIA: EN UN PROCESO ISOBARICO

 = −6,3631 ∆ =  ∆ = −6,3631  

 

**Sumando el q, w , entalpia y energía interna en el ciclo. TABLA 5. RESULTADOS OBTENIDOS, POR EL METODO DE LA COMPRESION EXPANSION ISOTERMICA. Nº 1  2  3 ∑ 

PR OCES O  A→B  B→C   C→A  Totall Tota

W[J] 0 2,5231 1,0092 3,5323

Q[ Q[JJ ] -2,5231 0 -6,3631 -8,8862

∆ U[J] U [J] -2,5231 -2,5231 -2,5231 -7,5693

∆ H[J] H [J] -6,3631 6,3631 -6,3631 6,3631