Informe 1 de Quimica II uni
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Descripción: Primer informe de Química II...
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Geológica Minera Metal!rgica " FIGMM
INTRODUCCIÓN La termodinámica es la parte de la física que trata de los fenómenos relacionados con la energía térmica y de las leyes que rigen su transformación en otro tipo de energía. La variación de energía térmica acumulada en un medio en un proceso de calentamiento o de enfriamiento se obtiene como el producto de la masa del medio, por su calor específico y por el salto térmico. Pero no toda la energía térmica almacenada en un medio es utilizable. Todos los procesos de aprovecamiento energético recurren en un momento al intercambio de energía térmica. La energía nuclear genera una energía cinética que se transforma en energía térmica. La energía eólica es consecuencia de las variaciones térmicas en la atmósfera. !n el presente informe está orientado a transmitir al lector un mayor conocimiento acerca de la Termo Termodin dinámi ámica, ca, además además de analiz analizar ar y determ determina inarr a través través de los datos datos e"perim e"periment entale aless la capacidad calorífica de un calorímetro, el calor de neutralización y disolución en una reacción.
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OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL #ar a conocer la aplicación de los criterios termodinámicos relacionados con los cambios térmicos que acompa$an a las reacciones químicas, así como los cambios de energía que e"perimentan los procesos físicos.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS #eterminar e"perimentalmente la capacidad calorífica de un calorímetro. %alcular a partir de los datos e"perimentales recolectados en el laboratorio el calor de neutralización de una reacción acido&base. %alcular el calor de disolución de algunas sales utilizando un calorímetro.
FUNDAMENTO TEÓRICO La#oratorio N$% de &uí'ica II
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OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL #ar a conocer la aplicación de los criterios termodinámicos relacionados con los cambios térmicos que acompa$an a las reacciones químicas, así como los cambios de energía que e"perimentan los procesos físicos.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS #eterminar e"perimentalmente la capacidad calorífica de un calorímetro. %alcular a partir de los datos e"perimentales recolectados en el laboratorio el calor de neutralización de una reacción acido&base. %alcular el calor de disolución de algunas sales utilizando un calorímetro.
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TERMODINÁMICA La Termodinámica Termodinámica es la rama r ama de la 'ísica que estudia a nivel nivel macro macroscó scópi pico co las las trans transfor forma maci cione oness de la energía, y cómo esta energía puede convertirse en traba(o )movimiento*. !l punto de partida de la mayor parte de conside consideraci racione oness termod termodiná inámic micas as son las llamad llamadas as leyes o principios de la Termodinámica. !n términos sencillos, estas leyes definen cómo tienen lugar las transfo transforma rmacio ciones nes de energí energía. a. %on el tiempo tiempo,, an llegado a ser de las leyes más importantes de la ciencia.
SISTEMA TERMODINÁMICO +n sistema termodinámico, también denominado sustancia de traba(o se define como la parte del universo ob(eto de estudio. +n sistema termodinámico puede ser una célula, una persona, el vapo vaporr de una una máqu máquin inaa de vapo vaporr, la mezc mezcla la de gasolina y aire en un motor térmico, la atmósfera terrestre, etc. !l sistema termodinámico puede estar separado del resto resto del del univ univer erso so )deno )denomi minad nadoo alred alreded edore oress del sistema* por paredes reales o imaginarias. !n este ltimo caso, el sistema ob(eto de estudio sería, por e(emplo, una parte de un sistema más grande. Las paredes que separan un sistema de sus alrededores pueden ser aislantes )llamadas ) llamadas paredes adiabáticas* o permitir el flu(o de calor )diatérmicas*.
CLASIFICACIÓN Los sistemas termodinámicos se clasifican segn el grado de aislamiento que presentan con su entorno en Sistema Sistema aislad aislad- !s aquel que no intercambia ni materia ni energía con su entorno, es decir se encuentra en equilibrio termodinámico. +n e(emplo de esta clase podría ser un gas encerrado encerrado en un recipiente de paredes rígidas lo suficientemente suficientemente gruesas )paredes adiabát adiabática icas* s* como como para conside considerar rar que los interca intercambi mbios os de energía energía calorí calorífica ficasean despreciables y que tampoco puede intercambiar energía en forma de traba(o.
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Geológica Minera Metal!rgica " FIGMM Sistema !e""ad- !s el que puede intercambiar energía pero no materia con el e"terior. /ultitud de sistemas se pueden englobar en esta clase. !l mismo planeta Tierra puede considerarse un sistema cerrado.
Sistema a#ie"t- !n esta clase se incluyen la mayoría de sistemas que pueden observarse en la vida cotidiana. 0a que intercambia materia con el e"terior, además, intercambia energía con el entorno.
!"isten otros criterios para la clasificación de sistemas. La omogeneidad que pueda presentar un sistema es uno de ellos. #e esta manera se abla de sistemassi las propiedades $m%&'es, macroscópicas de cualquier parte del sistema son iguales en cualquiera parte o porción del mismo. !l estado de agregación en el que puede presentarse el sistema puede ser cualquiera.
$ete"%&'es, cuando no ocurre lo anterior
E(UILIBRIO TERMODINÁMICO !n Termodinámica se dice que un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico cuando las variables intensivas que describen su estado no varían a lo largo del tiempo. %uando un sistema no está aislado, el equilibrio termodinámico se define en relación con los alrededores del sistema. Para que un sistema esté en equilibrio, los valores de las variables que describen su estado deben tomar el mismo valor para el sistema y para sus alrededores. %uando un sistema cerrado está en equilibrio, debe estar simultáneamente en equilibrio térmico y mecánico.
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Geológica Minera Metal!rgica " FIGMM !quilibrio térmico- la temperatura del sistema es la misma que la de los alrededores. !quilibrio mecánico- la presión del sistema es la misma que la de los alrededores.
VARIABLES TERMODINÁMICAS Las variables termodinámicas o variables de estado son las magnitudes que se emplean para describir el estado de un sistema termodinámico. #ependiendo de la naturaleza del sistema termodinámico ob(eto de estudio, pueden elegirse distintos con(untos de variables termodinámicas para describirlo. !n el caso de un gas, estas variables son-
Masa )m ó n*- es la cantidad de sustancia que tiene el sistema. !n el 1istema 2nternacional se e"presa respectivamente en 3ilogramos )3g* o en nmero de moles )mol*. Vl)me' )V *- es el espacio tridimensional que ocupa el sistema. !n el 1istema 2nternacional se e"presa en metros cbicos )m*. 1i bien el litro )l * no es una unidad del 1istema 2nternacional, es ampliamente utilizada. 1u conversión a metros cbicos es- 4 l 5 46& m. P"esi*' ) p*- !s la fuerza por unidad de área aplicada sobre un cuerpo en la dirección perpendicular a su superficie. !n el 1istema 2nternacional se e"presa en pascales )Pa*. La atmósfera es una unidad de presión comnmente utilizada. 1u conversión a pascales es- 4 atm . 467 Pa. Tem+e"at)"a )T ó t *- 8 nivel microscópico la temperatura de un sistema está relacionada con la energía cinética que tienen las moléculas que lo constituyen. /acroscópicamente, la temperatura es una magnitud que determina el sentido en que se produce el flu(o de calor cuando dos cuerpos se ponen en contacto. !n el 1istema 2nternacional se mide en 3elvin )9*, aunque la escala %elsius se emplea con frecuencia. La conversión entre las dos escalas es- T )9* 5 t ):%* ; oules )>* La e"presión que relaciona la cantidad de calor que intercambia una masa m de una cierta sustancia con la variación de temperatura ?t que e"perimenta es-
donde c es el !al" es+e!./i! de la sustancia.
Cal" Es+e!./i!0 !l calor específico )o capacidad calorífica específica* es la energía necesaria para elevar en un 4 grado la temperatura de 4 3g de masa. 1us unidades en el 1istema 2nternacional son >@3g 9. !n general, el calor específico de una sustancia depende de la temperatura. 1in embargo, como esta dependencia no es muy grande, suele tratarse como una constante. !n esta tabla se muestra el calor específico de los distintos elementos de la tabla periódica y en esta otra el calor específico de diferentes sustancias.
Ca+a!idad Cal"./i!a Mla" %uando se traba(a con gases es bastante abitual e"presar la cantidad de sustancia en términos del nmero de moles n. !n este caso, el calor específico se denomina capacidad calorífica molar C . !l calor intercambiado viene entonces dado por-
!n el 1istema 2nternacional, las unidades de la capacidad calorífica molar son >@mol9. C"ite"i de si%'s- 8 lo largo de estas páginas, el calor absorbido por un cuerpo será positivo y el calor cedido negativo.
PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA La#oratorio N$% de &uí'ica II
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+n sistema termodinámico puede intercambiar energía con su entorno en forma de traba(o y de calor, y acumula energía en forma de energía interna. La relación entre estas tres magnitudes viene dada por el principio de conservación de la energía.
Para establecer el principio de conservación de la energía retomamos la ecuación estudiada en la página dedicada al estudio de sistemas de partículas que relaciona el traba(o de las fuerzas e"ternas )W ext * y la variación de energía propia )?+*-
Aombramos igual a la energía propia que a la energía interna porque coinciden, ya que no estamos considerando la traslación del centro de masas del sistema )energía cinética orbital*. Por otra parte, el traba(o de las fuerzas e"ternas es el mismo que el realizado por el gas pero cambiado de signo- si el gas se e"pande realiza un traba(o )W * positivo, en contra de las fuerzas e"ternas, que realizan un traba(o negativoB y a la inversa en el caso de una compresión. 8demás, aora tenemos otra forma de suministrar energía a un sistema que es en forma de calor )Q*.
Luego la e"presión final queda-
!ste enunciado del principio de conservación de la energía aplicado a sistemas termodinámicos se conoce como Primer Principio de la Termodinámica.
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CALORÍMETRO !s un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. !s decir, sirve para determinar el calor específico de un cuerpo, así como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos. !l tipo de calorímetro de uso más e"tendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. 1e coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua asta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. 1i 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. %uando la fuente de calor es un ob(eto caliente de temperatura conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose segn se va enfriando el ob(eto.
CALOR DE REACCIÓN !n un sistema termodinámico cerrado en el que tenga lugar una reaccióna8 ; bC
c% ; d#
1e produce una rotura de enlaces y formación de otros, por lo que abrá una variación de la energía interna del sistema. 1e denomina calor de reacción a la cantidad de energía calorífica que el sistema a de ceder o absorber para que la temperatura permanezca constante durante todo el proceso de la reacción química. 1i el medio e"terior recibe energía la reacción se denomina e"otérmica y si el sistema absorbe energía se llama endotérmica. !n las reacciones e"otérmicas, se necesita menos calor para romper los enlaces del que se desprender al formar los nuevos, y en las reacciones endotérmicas, ocurre al contrario, se necesita más calor para romper los enlaces del que se desprende al formar los nuevos.
C1l!)l del Cal" de Rea!!i*' La#oratorio N$% de &uí'ica II
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Primero debemos definir la reacción química de 'ormación- ésta es la reacción que produce un mol de la sustancia a partir de sus elementos en su forma más estable. Por e(emplo, la reacción de formación del propano, %DE )g* se denota de la manera siguiente % )grafito* ; FD< )g* G %DE )g*
La e'tal+.a de /"ma!i*' será el calor que se produce o que se necesita para formar un mol de un compuesto a partir de sus elementos en su forma más estable. La entalpía estándar de formación, se denota de la manera siguiente Aos indica el calor de formación de los compuestos para condiciones estándares. Por convención los valores de la !ntalpías estándar de formación a
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