UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO

FACULTAD DE INGENIERÍAPROGRAMA INGENIERÍA QUÍMICA

¨REVISIÓN DE EXPERENCIAS DE RELACIÓN Cp/Cv REALIZADAS POR ESTUDIANTES DE LA ASIGNATURA TERMODINÁMICA

QUÍMICA II EN SEMESTRES ANTERIORES¨

Presentado por:

Hans Cortés Arenas

Andrea Gutiérrez Torres

Marco Ortiz Polo

María Fernanda Sánchez Rojano

Presentado a:

Ing. Ph.D. Marley Vanegas Chamorro

Termodinámica química II

Barranquilla, Abril 29 de 2014

CONTENIDO

Resumen…………………………………………………………………………1

Introducción……………………………………………………………………...2

1. Justificación……………………………………………………………….3

2. Objetivos………………………………………………………………......3

2.1 Objetivo general………………………………………………………3

2.2 Objetivos específicos……………………………………………….3

3. Marco teórico……………………………………………………………...4

4. Metodología………………………………………………………………..5

5. Identificación de errores………………………………………………...6

5.1 Trabajo 1 (Experiencia para aire, Ar, O2, N2, CO2)………………..6

5.2 Trabajo 2 (Experiencia con aire seco)……………………………...6

6. Soluciones y sugerencias………………………………………………7

6.1 Sugerencias para mejorar el experimento…………………..……..7

6.2 Sugerencias para mejorar las GUI………………………………….7

6.2.1 Sólo aire seco…………………………………………………7

6.2.2 Simulación para aire, O2, N2, CO2, Ar………………………8

7. Conclusiones……………………………………………………………...8

RESUMEN

Una característica fundamental de la ciencia es la necesidad de actualizar las teorías y paradigmas propuestos algún tiempo atrás, con el fin de conseguir cada vez más una mejor descripción del fenómeno de la naturaleza que se esté estudiando. A través de los siglos, se han conocido muchos casos de leyes fundamentales que durante mucho tiempo fueron reconocidas como verdaderas y luego se probó que eran imprecisas, y en su lugar se propusieron otras que describían mejor el suceso en cuestión, tal es el caso de la teoría geocéntrica de Claudio Ptolomeo, la cual perduró por más de 1000 años hasta que Nicolás Copérnico propuso la teoría heliocéntrica en 1543. Gracias a la aplicación del método científico se han desarrollado y actualizado métodos experimentales que permiten la reproducción de prácticas de laboratorio en las que se prueba la veracidad de las hipótesis teóricas.

En el presente trabajo se revisarán algunas experiencias realizadas con anterioridad acerca de la obtención de datos empíricos con los cuales se calcula la relación entre las capacidades caloríficas molares a presión y volumen constante para diversos gases, aplicando para este fin el método de Clément-Desormes. Además, se expondrán los errores que pudieren haber sido generados durante la realización de la práctica, se propondrán soluciones que permitan mejorar los procedimientos realizados en el laboratorio, se discutirá la viabilidad de la reproducción continua de este experimento según las condiciones del lugar de trabajo y se resaltarán posibles correcciones a las simulaciones por computador (GUI) diseñados para describir el experimento de forma virtual.

INTRODUCCION

El mundo de la ciencia y la investigación se lleva a cabo a partir de un proceso de inquietud, cuestionamiento, análisis y perfeccionamiento de los desarrollos experimentales que sustentan muchas leyes y teorías según la rama de ciencia y desarrollo como lo es la termodinámica.

Una de sus principales finalidades es abarcar los diferentes métodos experimentales que permitan establecer relaciones entre las distintas formas y manifestaciones de la energía, su transformación como energía en forma de calor a otras formas de energía más útil, y viceversa.

Las fuerzas intermoleculares de las distintas sustancias de la materia que impulsan los procesos, el equilibrio que se establece al variar las propiedades fijadas en los sistemas, y las nuevas características de los estados de agregación de la materia.

Existen muchos métodos experimentales que permiten describir los fenómenos a nivel macroscópico del comportamiento de un gas al someterse a diferentes cambios, como permitirle expandirse adiabáticamente a consta de su energía interna, presentándose una disminución de esta propiedad y por ende una leve disminución de la temperatura del gas antes de la expansión; el restablecimiento de la temperatura, se dá a través de un proceso isocórico (volumen constante).

Durante el proceso se registran las diferencias de altura manométrica, la altura del líquido manométrico en reposo, la altura a la que el gas arrastra el líquido en el tubo en U, la altura del descenso y la altura al llegar al equilibrio.

Este procedimiento descrito corresponde al método de Clemént-Desormes1, el cual fue utilizado para determinar el coeficiente de dilatación del aire seco en uno de los trabajos realizados por los estudiantes de ingeniería química en la asignatura de termodinámica química II, y el coeficiente de dilatación para N2, Ar, O2, CO2 y nuevamente aire seco por otro grupo distinto.

Este método aunque es antiguo, es el más utilizado por su sencillez y manipulación de equipos para registrar los datos; determinándose además las capacidades caloríficas del gas a presión y volumen constante. Esta propiedad extensiva de las sustancias de absorber calor de su entorno2, se relaciona con los cambios de entalpia y energía interna respectivamente, dependiendo a su vez de la temperatura2.

El siguiente trabajo tiene como finalidad revisar y proponer mejoras de las técnicas utilizadas por estudiantes de semestres anteriores de la asignatura antes mencionada, al determinar los valores empíricos de las capacidades calóricas de cada sustancia y su error con respecto al teórico, además de las simulaciones virtuales llevadas a cabo en los distintos lenguaje de programación, para hacer de estas técnicas experimentales métodos más precisos y exactos.

1 COLLIEU, A. M., POWNEY, D. J. Propiedades mecánicas y térmicas de los materiales. Editorial Reverté. 1977. Cap. 12. Pag. 225-226.22 CASTELLAN, Gilbert. Fisicoquímica. Segunda edición. Editorial. Pearson educación. 1987. Pag. 127. 2

1. JUSTIFICACIÓN

En la revisión de las experiencias de determinación de la relación Cp/Cv por el método de Clément-Desormes realizadas por estudiantes de Ingeniería química en la asignatura de termodinámica química II de semestres anteriores, se evidencia la necesidad de analizar y corregir las técnicas experimentales con el fin de mejorar ciertos aspectos como lo son el cumplimiento de los objetivos propuestos, las evidencias físicas de los resultados obtenidos, las sugerencias expuestas para el desarrollo de la metodología de trabajo, las condiciones bajo las cuales se llevaron a cabo dichas experiencias y la importancia de llegar a la obtención de datos más precisos y exactos mediantes las modificaciones propuestas al método de Clément-Desormes, que harán de éste un método más responsable.

La identificación de errores presentes en estas experiencias y posteriores mejoras aplicadas a las mismas, busca proporcionarle a las técnicas utilizadas un valor agregado que les permita ser reproducibles y de referencias para ser llevadas a cabo de acuerdo al uso de las BPL3 y ser incluidas en manuales o guías de laboratorio aptos para ser utilizados en experiencias posteriores.

2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL

Revisar los experimentos de obtención de la relación Cp/Cv hechos por estudiantes de la asignatura Termodinámica Química II en semestres anteriores

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Revisar los trabajos teóricos y la metodología utilizada para encontrar errores y proponer correcciones a los mismos

Revisar las simulaciones realizadas a computador de la experiencia y sugerir mejoras a las mismas

3. MARCO TEÓRICO

33 VALCÁRCEL, M. J., RÍOS, A. La calidad en los laboratorios analíticos. Editorial Reverté. 2002. Cap. XI. Pag. 361-406.

La capacidad calorífica es una propiedad que indica la capacidad de un material de absorber calor de su entorno2.

La determinación de la relación de las capacidades caloríficas a presión constante y a volumen constante de un gas, se puede llevar a cabo si el gas se expande adiabáticamente y posteriormente se lleva a su temperatura inicial, hasta con la que inició la expansión adiabática. Para ello se debe conocer la presión inicial, la presión después de la expansión adiabática y la presión que se logra alcanzar una vez el gas se ha dejado calentar a su correspondiente temperatura original. Los dos métodos correspondientes, llevados a cabo son: expansión adiabática y expansión isotérmica. Esta expansión adiabática se puede suponer aproximadamente cuasi-estática.4

Para la determinación del coeficiente de comprensibilidad adiabática se deben tener muchos elementos en cuenta, debido a las transformaciones que son necesarias realizar para la obtención del valor en cuestión; por otro lado, se hace necesario tener en cuenta características propias del gas que se pretende probar, debido a que su comportamiento se ve afectado por sus interacciones moleculares. Se debe tener en cuenta que se trabajarán con gases ideales y poliatómicos, en consecuencia, se hace necesario tratarlos individualmente en cada ámbito mencionado. En cuyo caso, determinar experimentalmente la relación entre las capacidades caloríficas a presión y volumen constante se puede hacer por diferentes procedimientos, para el cual, el enfoque de estudio es el método de Clément-Desormes al que se le determinan los errores y se cuestionan las presunciones sobre el sistema estudiado. En general, durante una práctica de laboratorio se presentan errores de tipo personal, crasos y/o accidentales, algunos ejemplos de éstos son los errores sistemáticos, los cuales se deben a causas como errores de calibración, condiciones inapropiadas de trabajo, fórmulas incorrectas, entre otras. Cabe anotar que este tipo de error sólo afecta la exactitud de las mediciones más no la precisión. y se pueden eliminar si se conoce la causa que los genera5. Por el contrario, los errores aleatorios o indeterminados se deben a perturbaciones casi imperceptibles por el experimentador, no son fáciles de identificar debido a que interviene muchas variables no controlables que afectan la precisión de los datos experimentales. Ejemplos de éstos son: influencia de las condiciones de trabajo e inconsistencias en las definiciones de las cantidades a determinar5. Por tanto, es de vital importancia conocer una guía o manual de normas que corrijan y eviten la mayoría de errores producidos, tal guía de procedimientos son las Buenas Prácticas de Laboratorio (BPL). Se pueden definir como “un agrupamiento de reglas, procedimientos operativos y prácticas establecidos por una organización dada que se consideran obligatorios con objeto de certificar la calidad y la corrección de los resultados que produce un laboratorio” (M. Valcarcel, Principles of Analytical Chemistry: Berlín: Springer, 2000, p. 323). Elementos de las BPL son: SOP (Standard Operating Procedures): Procedimientos Normalizados de Trabajo y QAU (Quality Assurance Unit): Unidad de Aseguramiento de la Calidad.

Por otra parte existen varios métodos experimentales que permiten encontrar la relación C p/C v definida como γ . Los métodos más conocidos son el método de Clement - Désormes, Rüchardt

24 Cuasi-estática: proceso real en el que el sistema está en todo momento muy cerca del estado de equilibrio.5 CORAL, Euler Eugenio, D en C. Guía para análisis de experimentos. Laboratorios de Física. Versión corregida. Agosto de 2012. p. 12-14.

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y Rinkel. En este caso se revisará el experimento realizado a través del el método Clément y Desormes. Téngase en cuenta que C p es mayor que C v, y que por lo tanto, γes siempre mayor que la unidad. Además, para el aire seco normal la relación es de 1.4.6

4. METODOLOGÍA

La metodología llevada a cabo en este trabajo consiste en tres etapas:

Revisión detallada del material asignado para la respectiva corrección. Identificación de errores de carácter sistemático y aleatorio presentes en las

experiencias a estudiar. Sugerencias que permitan la solución a los errores encontrados en el material analizado.

5. IDENTIFICACION DE ERRORES

66 CENGEL, Y. A., y BOLES, M. A.: Termodinámica. McGraw-Hill, 2001.

5.1 TRABAJO 1 (EXPERIENCIA PARA AIRE, Ar, O2, N2, CO2)

Falta una evidencia física (audiovisual) que confirme que se trabajó con el método de Clemét-Desormes modificado y que además demostrara que los valores obtenidos se hallaron con el equipo descrito en el trabajo.

En el trabajo se menciona que realizan el experimento utilizando gases como aire, O2, N2, CO2 y argón. Sin embargo, no se muestran los cálculos ni el diagrama PV generado por MATLAB para los dos primeros gases mencionados.

El corazón de este trabajo era mostrar los porcentajes de error de los valores de obtenidos con el método de Clemét-Desormes modificado y de esta forma probar que la modificación propuesta realmente produjera resultados más precisos con respecto a los teóricos, el cual era uno de los objetivos de este trabajo. Sin embargo, esto no se concluye, dando a entender que no se cumplieron los objetivos planteados.

Al proponer la modificación del método utilizado para la experiencia, no se describieron las recomendaciones de seguridad que se deben seguir al momento de manipular los equipos. Se debe tener en cuenta que una modificación de un experimento va estrechamente ligada al perfeccionamiento del montaje.

Aunque el experimento debe ser reproducido en cualquier ambiente y entregar resultados igualmente fiables, es necesario especificar las condiciones en las cuales se llevó a cabo la experiencia. De esta forma se puede obtener una idea de la calidad de las reproducciones de la misma y tener una referencia acerca de las posibles causas que generen errores en las mediciones si el experimento se repite en un medio distinto al expuesto.

5.2 TRABAJO 2 (EXPERIENCIA CON AIRE SECO)

Hace falta mencionar la lista de materiales con los cuales se trabaja en la experiencia para estudiar la influencia de las propiedades de los mismos en los resultados que se recojan, por ejemplo, es importante conocer el tipo de fluido manométrico utilizado para medir las alturas de la columna de fluido que éste forma.

6. SOLUCIONES Y SUGERENCIAS

6.1 SUGENENCIAS PARA MEJORAR EL EXPERIMENTO

Para efectos de reproducir la experiencia de una forma más precisa y exacta, y teniendo en cuenta que los errores identificados en los trabajos estudiados son de carácter sistemático, se proponen las siguientes soluciones a dichos errores:

Si se va a realizar una experiencia o una modificación y/o mejora de la misma, se debe mostrar además de los resultados obtenidos una evidencia audiovisual que pruebe que el experimento realmente fue llevado a cabo tal cual como se describe en la metodología.

Para garantizar que el experimento se realice de forma adiabática se recomienda que los ensayos a realizar con los procedimientos que esto conlleva, esto es, abrir la llave de paso y cerrar el tubo en T sean realizados por una sola persona para minimizar los errores debidos al tiempo de reacción.

Para hacer una lectura precisa del manómetro, la persona que realice esta labor necesariamente debe tener una buena visión. Estas lecturas deben hacerse de forma paralela, para así evitar inconsistencias en las medidas debido a errores de paralaje.

Se debe asegurar que todos los equipos con los cuales se trabaje estén debidamente calibrados. Lo ideal es contar con una gráfica de calibración del manómetro con lo cual se obtengan mediciones dentro de un intervalo aceptable de error, o bien, obtener una constante de corrección que se pueda sumar o restar al valor experimental obtenido.

Como se ha mencionado, los errores aleatorios no son de fácil identificación, por lo que se sugiere realizar varios ensayos o repeticiones de medidas y obtener un valor promedio de las mismas.

6.2 SUGERENCIAS PARA MEJORAR LAS GUI

6.2.1 SÓLO AIRE SECO

Es necesario contar con un botón de ayuda en el simulador que indique que para ejecutar el programa se debe tener instalado y activado LabVIEW.

Las simulaciones debería tener una opción donde se visualicen las propiedades de las sustancias trabajadas y las condiciones del medio.

Para efectos de mayor entendimiento del procedimiento se requiere que la simulación sea lo más interactiva y/o dinámica posible. Sin embargo, éste es un trabajo bastante complejo, lo que requiere un excelente manejo de programación, específicamente, del lenguaje LabVIEW.

Es recomendable extender este simulador para que describa la experiencia para varios gases de uso común.

Si se incluye una animación y/o diagrama del procedimiento éste debe describir el mismo de forma clara, sin dar lugar a ambigüedades y/o confusiones a la hora de

entender el mismo. También debería haber una opción que despliegue un manual que explique la metodología del proceso.

6.2.2 SIMULACIÓN PARA AIRE, O2, N2, CO2, Ar

7. CONCLUSIONES

La revisión de trabajos experimentales es una medida que provee a los mismos de las herramientas necesarias para obtener mayor veracidad y precisión, lo cual es de suma importancia a la hora de ser expuestos al público y evaluados por otros profesionales.

La modificación de una técnica o método experimental está encaminada a reducir lo máximo posible los errores sistemáticos del método original, algo esencial para la obtención de mejores resultados que reafirmen las teorías propuestas, tal como se sugiere en el método científico. Gracias a esto es imperativo que al exponer un cambio en los métodos se indique que forma clara y concisa la nueva metodología utilizada y se discuta si realmente es factible para su reproducción y cumple con el objetivo planteado.