quimica industrial practica 1

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

UPIICSA

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS SOCIALES Y ADMINISTRATIVAS

LABORATORIO DE QUÍMICA INDUSTRIAL

PROFESOR: GERMÁN B. QUIROZ SOSA

PRÁCTICA NO. 1: RELACIÓN ENTRE LAS CAPACIDADES CALORÍFICAS DE UN GAS.

NOMBRE BOLETALÓPEZ SANLUIS ERICK 2015601225

MEDINA CÁRDENAS ITZEL AMAIRANI 2015601372

MENESES GONZÁLEZ KAREN 2015601442

ROSAS DÍAZ EMMANUEL 2015601993

3er. SEMESTRE

SECUENCIA 2IV37

PRÁCTICA NO. 1

RELACIÓN ENTRE LAS CAPACIDADES CALORÍFICAS DE UN GAS.

RESUMEN

El objetivo de la práctica fue determinar el valor de la relación entre el calor específico a presión constante (Cp) sobre el calor específico a volumen constante (Cv) para el aire, utilizando el método de Clément y Desormes, el cual permite estudiar los cambios adiabáticos e isotérmicos que experimenta un gas añadido a un recipiente de vidrio de gran volumen. Con este último método mencionado se puede calcular el exponente de los procesos adiabáticos, denominado gama. Conociendo esto podemos decir que existen cuatro procesos de los gases ideales, y son el isotérmico, isobárico, isométrico, y por último el que estamos estudiando adiabático. Para conocer experimentalmente este proceso utilizamos un sistema termodinámico, que es una porción del universo que se aísla para estudiarlo.

OBJETIVO

El alumno determinara el valor de la relación Cp/Cv para el aire, por el método de Clément y Desormes.

INTRODUCCIÓN TEÓRICA

En todo proceso, tanto físico como químico, están implicadas ciertas energías de distintos tipos (energía potencial, energía cinética, energía eléctrica…). La ciencia que estudia los cambios energéticos en sus distintas manifestaciones, en cualquier tipo de proceso, recibe el nombre de termodinámica. Esta utiliza dos conceptos fundamentales para su estudio, el sistema y el entorno.

El sistema es la parte del Universo que se aísla del resto para observarlo, en nuestro caso, por ejemplo, un recipiente en el que tiene lugar una reacción química, el entorno es todo lo que rodea al sistema, pudiendo estar relacionado con el mismo o no estarlo.

Los sistemas termodinámicos se clasifican en sistemas abiertos, cerrados o aislados según su capacidad para intercambiar materia y energía con el entorno. Así:

Sistema abierto: puede intercambiar con el entorno tanto materia como energía, generalmente en forma de calor. Por ejemplo, la combustión de madera al aire libre, o una reacción química en un vaso de laboratorio abierto, que permite tanto el paso de calor a través de las paredes del recipiente como desprendimiento de gases.

Sistema cerrado: puede intercambiar energía con el entorno, pero no materia. Por ejemplo, un recipiente cerrado de vidrio en el que se lleva a cabo una reacción química que desprende calor. Los gases formados no pueden abandonar dicho recipiente porque está cerrado con un tapón, pero el calor sí que puede desprenderse porque las paredes de vidrio son diatérmicas. Si tocamos el recipiente con las manos, lo notaremos caliente.

Sistema aislado: no es posible el intercambio ni de materia ni de energía. Por ejemplo, lo que se conoce coloquialmente como un termo, y que se usa para llevar infusiones o café y que se mantengan calientes más tiempo, es en teoría un sistema aislado, que no permite ni el paso de materia ni de energía.

Ahora bien hablaremos acerca del proceso adiabático.

El cálculo de las variaciones de energía, necesarias en la realización de balances en operaciones unitarias y procesos unitarios requiere de un método que sea fácil y general. Esto se consigue con el uso de una propiedad termodinámica conocida como capacidad calorífica.

La razón entre Cv y Cp se le denomina gamma (γ):

γ= CpCv

Este valor es un exponente adiabático y donde es muy común que ocurran calentamientos y enfriamientos adiabáticos debido al cambio de la presión de un gas. Estos fenómenos se pueden cuantificar usando la ley de los gases ideales. El método que se utilizará es el de Clément y Desormes que consta de tres etapas:

a)Añadir aire al sistema, aumentando la presión hasta P1, que es mayor a la atmosférica P0, manteniendo el volumen V1y la temperatura ambiente T1.

b) Liberar el gas contenido dentro del recipiente para que experimente una expansión adiabática. Al ocurrir esto, P1 disminuye hasta alcanzar la presión atmosférica P0, la temperatura también disminuye hasta un valor T2 y el volumen aumenta hasta V2.

c) Luego se debe cerrar el sistema y esperar un intervalo de tiempo para que la temperatura se equilibre con la ambiental (T1) para alcanzar así la presión final P2, en un volumen constante V2.

El proceso adiabático establece la siguiente relación:

P1 V1 γ =P2 V2 γ

Para calcular gama utilizamos la siguiente relación:

γ= ∆ P ADIABATICA=P2−P1∆ PISOTERMICA=P3−P1

MATERIAL UTILIZADO

1 Garrafón de vidrio 1 Perilla de hule 1 Manómetro diferencial (con agua) 1 Llave de paso 1 Tapón de hule trihoradado Tubería de vidrio y látex

SUSTANCIAS

Aire (mezcla de gases diatómicos)

n= 1 molComposición del aire79%mol N2

21%mol O2

R = 0.082 atmL/molK = 1.987 cal/molkCp = 7 cal/molKCv = 5 cal/molKP1 = 1 atmT1 = 273K

DESARROLLO Practica 1

Relación entre las capacidades caloríficas de un gas

Se instaló el equipo, que consistió en conectar el garrafón a la

tubería de vidrio y látex, y a su vez conectar la perilla de hule al

manómetro diferencial.

Se colocó el tapón de hule trihoradado en la boquilla del

garrafón, y se instaló la llave de paso.

Con ayuda de la perilla se bombeo

RESULTADOS OBTENIDOS

Considerando lo siguiente:

h1 (cmH2O) h2 (cmH2O) h3 (cmH2O)

Δh = |h2 – h1|

Δh1 Δh2 Δh = |h2 – h1| Δh3

1 40.5 - 23.5= 16.5 0 34-30 42 41.5 - 22.5 19 0 34.5-29.5 53 40.3 - 23.5 16.8 0 35-29 64 41.5 - 22.5 19 0 34.5-29.5 55 37.2 – 26.8 10.4 0 38.3-30.7 7.66 44.5 -19.5 25 0 35-29 67 45.5 - 18.5 27 0 35.3-28.7 6.6

Con ayuda de la perilla se bombeo

8 47 -17.5 29.5 0 44-20 249 52.3 – 11.7 40.6 0 41.4-22.6 18.810

48.5 – 15.5 33 0 42-22 20

CALCULOS

Aplicando las conversiones correspondientes suponiendo

En apoyo de la tabla anterior para la conversión de cmhg a mmhg pudimos obtener las presiones absolutas por medio de la siguiente formula.

N° P abs

Patm + Pman

(mmhg)

P abs

Patm + Pman

(mmhg)

P abs

Patm +P man

(mmhg)

1 12.1357+585=597.1357 0+585=585 2.9532+585=587.9532

2 13.9756+585=598.9756 0+585=585 3.6775+585=588.6775

3 12.3564+585=597.3564 0+585=585 4.413+585=589.413

1Cmh20 = 0.7355mmhg

Pabs=Patm+Pman

N°

Δh1 (mmhg) Δh2 (mmhg) Δh3 (mmhg)

1 12.1357 0 2.95322 13.9756 0 3.67753 12.3564 0 4.4134 13.9745 0 3.67755 7.6492 0 5.58986 18.3875 0 4.4137 19.8585 0 4.85438 21.6972 0 17.659 29.8613 0 13.82

10 24.2715 0 14.71

4 13.9745+585=598.9745 0+585=585 3.6775+585=588.6775

5 7.6492+585=592.6492 0+585=585 5.5898+585=588.5898

6 18.3875+585=603.38-5 0+585=585 4.413+585=589.413

7 19.8585+585=604.8585 0+585=585 4.8543+585=589.8543

8 21.6972+585=606.6972 0+585=585 17.65+585=602.65

9 29.8613+585=614.8613 0+585=585 13.82+585=598.82

10 24.2715+585=609.2715 0+585=585 14.71+585=599.71

N° Presión adiabática

(mmhg)

P2−P1

Suponiendo que P2=585

Presión isotérmica

(mmhg)

P3−P1

Padiab á ticaP isot é rmica

=¿γ

(mmhg)

1 585-597.1357=-12.1357 587.9532-597.1357=-9.1825

12.13579.1825

=1.3216

2 585-598.9756=-13.9756 598.9756-588.6775=10.2981

13.975610.2981

=1.3571

3 585-597.3564=-12.3564 597.3564-589.413=7.9434

12.35647.9434

=1.5555

4 585-598.9745=-13.9745 598.9745-588.6775=10.297

13.974510.297

=1.3571

5 585-592.6492 =-7.6492 592.6492-588.5898=4.0594

7.64924.0594

=¿1.8843

6 585- 603.38-5=-18.3875 603.3875-589.413=13.9745

18.387513.9745

=1.3157

7 585-604.8585= -19.8585 604.8585-589.8543=15.0042

19.858515.0042

=¿1.3232

8 585-606.6972=-21.6972 606.6972-592.65=14.0472

21.697214.0472

=1.5445

9 585-614.8613 =-29.8613 614.8613-598.82=16.0413

29.861316.0413

=¿1.8615

10 585-609.2715 =-24.2715 609.2715-599.71=9.5615

24.27159.5615

=2.5384

Tabla final de resultados.

N° Presión adiabática

(mmhg)

Presión isotérmica

(mmhg)

P adiabáticaP isotérmica

=¿γ

1 -12.1357 9.1825 1.3216

2 -13.9756 10.2981 1.3571

3 -12.3564 7.9434 1.5555

4 -13.9745 10.297 1.3571

5 -7.6492 4.0594 1.8843

6 -18.3875 13.9745 1.3157

7 -19.8585 15.0042 1.3232

8 -21.6972 4.0472 1.5445

9 -29.8613 16.0413 1.8615

10 -24.2715 9.5615 2.5384

ᵞExperimental = (1.3216+1.3571+1.5555+1.3571+1.8843+1.3157+1.3232+1.5445+1.8615+2.5384)/10=1.60589

ᵞTeórica =1.40

CUESTIONARIO

1.- ¿En qué momento del experimento se llevan a cabo los procesos: a) adiabático y b) isométrico? Explique brevemente.

a) El proceso adiabático ocurre cuando el sistema pasa del estado 1 al 2, que es cuando nosotros destapamos el garrafón y lo volvimos a tapar rápidamente, ocasionando un cambio de presión muy rápido en el sistema sin permitir alguna transferencia de calor.

b) El proceso isométrico se lleva a cabo cuando el sistema va del estado 2 al 3 ya que tapando de nuevo el garrafón le regresamos un poco de presión al sistema y así mismo aumenta un poco su temperatura, pero manteniendo un volumen constante.

2.- ¿Por qué no se lleva a cabo de manera física el proceso isotérmico?

El procesos isotérmico no se lleva a cabo porque el sistema debe de regresar del tercer estado hasta el primero, esto es dejar el sistema para que las condiciones ambientales por si solas ocasionen que la presión del sistema disminuya y aumente su volumen, pero manteniendo su temperatura, hasta llegar a las condiciones iniciales del sistema y esto tarda mucho tiempo.

3.- En una expansión adiabática un gas se enfría. ¿Cómo explica esto si Q=0?

Cuando ocurre una expansión de algún gas, las moléculas de éste tienen más espacio para moverse, lo que significa que rebotan menos entre ellas y disminuye su velocidad, bajando su energía cinética (movimiento) y esto significa que baja la temperatura, por lo tanto se enfría el gas.

4.- Calcule el porcentaje de desviación obtenido para “ƴ” (promedio) en comparación con el valor teóricamente esperado.

5.- Calcule los volúmenes y las temperaturas para 2 procesos de expansión de 1 mol de aire que inicialmente está a condiciones normales de presión y temperatura (CNPT), uno isotérmico y otro adiabático utilizando el valor obtenido para “ƴ”.

Proceso isotérmico. n=1 mol de aire, T=273K, PV= cte. o P1V1=P2V2

Presión(atm) 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

Volumen (L) 22.4 24.87 27.98 31.98 37.31 44.77 55.97 74.62 111.93 223.86

PV=nRT V=nRTP

V= (1 ) .082¿(273) ¿.9

=24.87 V= (1 ) .082¿(273) ¿.6

=37.31V=(1 ) .082¿(273) ¿.3

=74.62

V= (1 ) .082¿(273) ¿.8

=27.98V=(1 ) .082¿(273) ¿.5

=44.77V= (1 ) .082¿(273) ¿.2

=¿111.93

V= (1 ) .082¿(273) ¿.7

=31.98 V= (1 ) .082¿(273) ¿.4

=55.97V=(1 ) .082¿ (273) ¿.1

=223.86

Proceso adiabático. n= 1 mol de aire, PVƴ = cte. O P1V1ƴ

=P2V2ƴ

Presión(atm) 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 01Volumen (L) 22.4 23.92 25.74 27.98 30.80 34.52 39.69 47.51 61.21 94.40

Temperatura K 273 266.4 259.3 251.4 242.7 232.7 221.1 207 188.5 160.7

6 3 9 3 6 6 7 8Nota: 1atm= 1.01325 x105 Pa

P1V1ƴ

=P2V2ƴ

(V1ᵞ= (P2 V2

ᵞ)/(P1) )

ᵞ

V2 = ((P1V1ϒ)/P2))^1/ϒ = ((1atm*22.4L1.6)/0.9atm))^(1/1.6) = 23.92L

V3 = ((0.9atm*23.42L1.6)/0.8atm))^(1/1.6) = 25.74LV4 =((0.8atm*25.74L1.6)/0.7atm))^(1/1.6) = 27.98LV5 = ((0.7atm*27.98L1.6)/0.6atm))^(1/1.6) = 30.80LV6 = ((0.6atm*30.80L1.6)/0.5atm))^(1/1.6) = 34.52LV7 = ((0.5atm*34.52L1.6)/0.4atm))^(1/1.6) = 39.69LV8 = ((0.4atm*36.69L1.6)/0.3atm))^(1/1.6) = 47.51LV9 = ((0.3atm*47.51L1.6)/0.2atm))^(1/1.6) = 61.21LV10=((0.2atm*61.21L1.6)/0.1atm))^(1/1.6) = 94.40L

T2 = (T1) (P2P1

)¿1.61cal /molK7 cal /molK

= (273K) (0.9atm1atm


= 266.46K

T3 = (266.46K) (0.8atm0.9atm

)¿1.61cal /molK7 cal /molK = 259.33K

T4 = (259.33K) (0.7atm0.8atm


= 251.49K

T5 = (251.49K) (0.6atm0.7atm


T6 = (242.73K) (0.5atm0.6atm


= 232.76K

T7 = (232.76K) (0.4atm0.5atm


T8 = (221.16K) (0.3atm0.4atm


= 207.0K

T9 = (207K) (0.2atm0.3atm


T10 = (188.57K) (0.1atm0.2atm


= 160.78K

6.- Trace en una hoja de papel milimétrico, en los ejes P en función de V, los datos de las 2 tablas anteriores, correspondientes a las curvas de los procesos isotérmicos y adiabáticos. Interprete los resultados obtenidos.

7.- ¿Qué condiciones permiten que un proceso sea adiabático? Fundamente su respuesta en términos de:a) Rapidez de la realización del proceso, b) Aislamiento del sistema, c) Términos de la ecuación de la Primera ley de la termodinámica.

El proceso adiabático es cuando un sistema no gana ni pierde calor, y para que no haya intercambio de calor con el exterior este debe realizarse efectuándolo muy rápidamente o rodeando el sistema de material aislante. Según la primera ley de la termodinámica para los sistemas cerrados adiabáticos, el trabajo no va a depender del proceso, sino tan solo de los estados inicial y final.

8.- En un proceso adiabático, ¿Para qué se utiliza “ƴ”?

En los procesos adiabáticos que se realizan con gases, se compara el calor específico a presión constante (Cp) con el calor específico a volumen constante (Cv). El coeficiente gamma se define como: ƴ = CP / CV. Estos calores adoptan los nombres de los procesos que se ponen en juego en el sistema, por ejemplo, si se calienta cíclicamente un gas sin variar el volumen y no realiza trabajo, su energía recibida es igual al calor ingresado. Pero si el sistema no varía su estado energético mientras realiza un proceso cíclico isobárico, el calor ingresa al sistema como calor específico a presión constante y sale del mismo como trabajo a presión constante. Si a partir de un estado (V0,P0) del gas se realiza un proceso de compresión adiabática hasta el estado (V1,P1) y a volumen constante se descomprime por pérdida de calor hasta el estado (V1,P2) para alcanzar, vía proceso isotérmico, el estado inicial, se habrá completado el proceso cíclico.

9.- Describa brevemente el ciclo de refrigeración, ilustrando su respuesta con un esquema.

El refrigerante se encuentra en el depósito de líquido, pasa por la válvula de estrangulación para presurizarse y llega al evaporador donde absorbe el calor de los alimentos y por lo tanto, los mantiene fríos. Después el refrigerador pasa al compresor donde aumenta su presión. Llega al condensador con una presión alta y una temperatura baja y se convierte en un líquido saturado, entrega calor a la fuente caliente o sea a la habitación, una vez en estado líquido pasa al depósito para completar así el ciclo. Para poder realizar este ciclo se necesita que una fuente externa realice el trabajo sobre el refrigerante, por ello el refrigerador consume electricidad.

BIBLIOGRAFIA

Bibliografía” Título: Introducción a la química industrialÁngel Vian OrtuñoEditorial ReverteEspaña 2006. pp. (35-40) (Gas ideal)

Termodinámica, teoría cinética y termodinámica estadísticaEscrito por Francis Weston Sears,Gerhard L. SalingerDistribuidores:· Editorial Reverte· Casa del Libro· Gandhi· LibreriaNorma.com· Muchoslibros.comPágina 75

Título: Quimica generalAutores: Petrucci, Harwood & Amp; HerringEditorial: Pearson EducaciónNo. de edición: 8No. de pág.: 1178Pág.: 56 a 75

http://muchoslibros.com/

http://librerianorma.com/

CONCLUSIÓN

Se pudo realizar el proceso diez veces, lo cual propicio que todos los integrantes tuvimos la oportunidad de realizar el experimento y así poder realizar la “compresión adiabática y la expansión isotérmica” (utilizando el manómetro y dejando entrar aire al sistema descontrolando así el equilibrio en el mismo) y esto propiciara una modificación no solo en la P sino también en el V y la T.

Esto claro con el motivo de encontrar a la gama experimental, que teóricamente era 1.40, y de esta manera poder obtener un porcentaje de error experimental; la temperatura es constante y ocurre al abrir y quitar la compresión adiabática ocurre una expansión isotérmica.

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