Determinación del calor de fusión del agua

PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA EN LA DETERMINACION DEL CALOR LATENTE
OBJETIVO
Determinar el calor de fusión del agua utilizando un
Calorímetro adiabatico Parr a presión constante.
Dibujar el diagrama de fases del agua indicando las zonas y líneas respectivas para ubicar un proceso
aproximadamente.
CONSIDERACIONES TEORICAS
Calor.− Es la forma de energía debida ala agitación de las moléculas que constituyen una sustancia. Los
efectos físicos más importantes relacionados con la variación del calor de los cuerpos son los cambios de
estado y de volumen, las variaciones de temperatura y diversos efectos eléctricos como la variación de la
resistencia.
Calorimetría. − Para que una reacción química pueda estudiarse en un calorímetro, ésta debe de ser
suficientemente rápida como para que el intercambio de calor entre el calorímetro y los alrededores pueda
despreciarse durante la reacción. Además, es preferible que la reacción sea completa para no tener que
analizar la mezcla y determinar la cantidad de materia que ha reaccionado.
Calor latente.− Es una cambio de entalpia acompañado de una cambio de fase a temperatura y presión
constante.
Calor de fusión.− Debido a que las moléculas estarán mas fuertemente enlazadas en el estado sólido que en
estado liquido, se requiere calentar para provocar la transición de fase sólido − liquido. La energía por lo
general en kilojoules que se requiere para fundir un gramo de un sólido se le llama calor de fusión.
Cp.− Es el cambio de entalpia con la temperatura a presión constante.
Cv.− Es la velocidad de cambio de la energía interna con la temperatura a volumen constante.
¿En función de que variable se expresa la Cp?
En función de la temperatura.
El diagrama de fases del agua nos muestra una gráfica la cual se divide en tres regiones cada una de las cuales
representa una fase pura. La línea de separación entre dos regiones indica las condiciones en las cuales estas
dos fases pueden existir en equilibrio.
El punto en donde las tres curvas coinciden se llama punto triple. Para el agua este punto es de 0.01°C y
0.006atm. Esta es la única condición en la cual las tres fases pueden estar en equilibrio entre sí.
El diagrama de fases de agua permite predecir los cambios en los puntos de fusión y puntos de ebullición de
una sustancia como resultado de cambios en la presión externa; también se pueden anticipar las direcciones de
las transiciones de fase provocadas por cambios en la temperatura o presión.
DESARROLLO EXPERIMENTAL
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1. − Se nos proporciono un calorímetro adiabatico Parr el cual se nos indico como utilizarlo.
2. − En un matraz volumétrico se le agrego agua hasta llegar a un volumen de dos litros.
3. − Este volumen de agua se le agrego al calorímetro.
4. − Se peso una masa de hielo aproximadamente tres cubos y le agregaron al calorímetro.
5. − Se puso en marcha el calorímetro.
6. − Se toma una temperatura inicial y una final antes y después del hielo respectivamente.
7. − Se tira el agua se lava el material y se entrega.
MATERIAL Y SUSTANCIAS UTILIZADAS
Un calorímetro adiabatico Parr.
Un matraz volumétrico.
Un termómetro.
Agua.
Tres cubos de hielo.
ESQUEMA DEL EQUIPO UTILIZADO
Calorímetro adiabatico Parr
Matraz Termómetro
DESCRIPCION DE LA EXPERIMENTACION
1. − En primer lugar el profesor nos enseño todas las partes en las que se compone un calorímetro y nos
enseño a armarlo para poder así iniciar la experimentación.
2. − Después nosotros con la ayuda del matraz tomamos un volumen de dos litros que posteriormente nos iba
a ser útil en la experimentación.
3. − La introducimos al calorímetro y lo pusimos a andar después de dos minutos tomamos la temperatura que
seria la inicial.
4. − Mientras otros compañeros pesaban la masa del hielo que se nos había proporcionado momentos antes
por el profesor.
5. − Después esa misma masa de hielo se le agrego al calorímetro específicamente al agua que estaba
contenida en él.
6. − Posteriormente se puso en funcionamiento el calorímetro por espacio de cinco minutos o hasta que se
disolviera el hielo.
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7. − Se tomo la temperatura que en este caso será la final.
8. − Se desecha el agua y se limpia el material para posteriormente entregarlo al profesor.
TABLA DE DATOS ADICIONALES
Masa del vaso
980 g
Masa del caucho
23 g
Volumen anular
2 lt
T inicial del hielo
0°C
TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES
T inicial
21.2°C
T final
18.1°C
M bruta
77.9 g
M tara
8.5 g
M hielo
69.4g
TABLA DE ECUACIONES
CALCULO
Masa del agua
Tem. Promedio
Q agua
Q calorímetro
Masa Cu
Cp Cu
N Cu
Q Cu
Masa Zn
N Zn
Cp Zn
Q Zn
Q caucho
N aire
Q aire
N hielo
Qs
FORMULA
DH2O(V H2O)
Ti+Tf/2
N (Cp)(Tf−Ti)
Qcu+QZn+Qcau
.65(ML)
5.44+.01462T
Mcu/ MMCu
Ncu CpCu(Tf−Ti)
0.35(ML)
M Zn/MM Zn
5.25+.0027T
NZnCpZn(Tf−Ti)
MC(CpC)(Tf−Ti)
PV aire/R Tf
NaCPa(Tf−Ti)
MH/MMagua
Ns(Cps)(Tf−0)
−Qh−Qc−Qa−Qs/masa hielo
UNIDADES
Gramos
K o °C
Joules
Joules
Gramos
Cal/mol°C
g/mol
Calorías
Gramos
g/mol
Cal/mol°C
Calorías
Cal/g°C
Moles
Joules
Moles
Joules
Joules/gramo
CALCULOS
Calcular el calor perdido por el agua
Densidad el agua a 21.2°C =.9979g/ml
Magua=2000ml(.9979g/ml)= 1.9958kg
Cp del agua a temperatura promedio:
294.35K+291.25K
3
2
Temperatura promedio = 292.8K
Cp = 3.470+1.450 ³(292.8k)+0.121 (292.8 ²)
R
Cp= 4.0357 (8.314) = 33.552 J/mol K
N = m/MM = 1995.8 gramos
18g/mol
N= 110.877 mol
Q agua = 110.877 mol (33.552 J/mol k)(291.25−294.35K)
Q agua = −11532.5307 joules
Calcular el calor perdido por el calorímetro:
Calculo del calor del cobre:
M cu =.65(980g) =637g
Cp Cu = 5.44+.01465(292.8K)
Cp Cu =9.729 cal/mol °C
N Cu = 637g = 10.025 mol
63.54g/mol
Q Cu = 10.025 mol (9.72952 cal/mol °C)(18.1°C − 21.2°C)
Q Cu =−302.369 cal
−302.369 cal l joule = −1314.30565 joules
.23006cal
Calculo del calor del Zn
M Zn = .35 (980g) =343 g
N Zn = 343 g =5.247 mol
65.37 g/mol
Cp Zn = 5.25+0.0027(292.8K)= 6.040 cal/mol °C
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Q Zn = 5.247 mol(6.040 cal /mol °C)(18.1°C− 21.2°C)
Q Zn = −98.253 cal
−98.253 cal 1 joule = −427.0796 joules
.23006cal
Calor del caucho:
Cp caucho = .415 cal/g °C
Q caucho = 23 g (0.415cal /g °C) (18.1°C−21.2°C)
Q caucho = −29.5895 cal
−29.5895 cal 1 joule =−128.616 joules
.23006cal
Calor total del calorímetro:
Q Cu + Q Zn + Q caucho
−1314.3056J + (−427.0796j) + (−128.616J)
Q cal= −1870 J
Calcular el calor del aire
N aire = PV aire
R Tf
585 mm Hg 1 bar =.77993 bar
750mm Hg
.77993 bar 100000 Pa = 7.7993 Pa
1 bar
N aire = 7.7993 Pa (.002m³) = 0.0644 mol
• (291.25 K)
Cp/R= 3.355+.575 ³ (292.8K)+(−.016 )(292.8 ² K )
Cp = 29.138 J/mol K
Qaire=.0644mol(29.138J/molK)(291.25K−294.35K)
5
Qaire= −5.8171 J
Calculo del calor sensible del hielo
N hielo = 69.4 g =3.855 mol
18 g/mol
Cp/R = 3.470+ 1.450 ³ (145.625K)+(.121 )(145.625³ K)
Cp = 35.3489 J/mol K
Qs = 3.855 mol(35.3489 J/mol K)(291.25 K)
Qs = 39688.64 joules
Calcular el calor latente de fusión del hielo:
= − Q agua−Qcal−Qaire−Qs
masa hielo
= −(−11532.5307J)−(−1870J)−(−5.8171J)−(39688.64J)
69.4 gramos
= −378.678 J/g
Para verificar que los cálculos estén bien:
Qagua +Qcal + Qaire +Mh + Qs = 0
−11532.5307J +(−1870J) +(−5.8171J) +((69.4g)(−378.678J/g)) + 39688.64 J= 0.03
TABLA DE RESULTADOS
COMPUESTO
AGUA
COBRE
ZINC
AIRE
CAUCHO
MOLES
111.08
10.025
5.247
0.0644
23 gramos
Q CALORÍMETRO
Cp
33.55 J/M K
5.868 cal/m°C
13.15 cal/m°C
29.138 J/M K
.415 cal/m°C
Q
−11532.530J
−1314.305 J
−427.0796 J
−5.8171 J
−128.616 J
−1851.01 JOULES
−378.678 J/G
GRÁFICA DEL PUNTO TRIPLE
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ANÁLISIS DE RESULTADOS Y GRÁFICA
En los resultados obtenidos se puede observar que era sencillo por lo general todos los cálculos eran pura
sustitución
aritmética lo cual no era muy complicado pero en los resultados se puede observar que todo salió como se
esperaba por que cuando se hizo la comprobación de los calores para ver si daban cero el resultado vario muy
poco creo que era .03 que en realidad es cero creo que lo mas difícil de estos cálculos era encontrar algunos
valores de su capacidad calorífica para realizar los cálculos correspondientes.
En lo que corresponde sobre la gráfica estuvo muy fácil de realizar por que también teníamos que investigar a
que temperatura estaba el punto triple y a que presión para poder de ahí nosotros tomar una guía para poder
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empezar a gráficar nuestra temperatura final. Pero en la gráfica se puede observar que presión y que
temperatura se necesitan para que siga siendo un liquido y en que momento puede cambiar a vapor o a sólido.
CONCLUSION
A la conclusión que en lo personal yo llegue es que esta practica nos fue muy útil para saber calcular una
perdida de calor cuando se mezclan dos sustancias en este caso agua con hielo y para conocer algunas de sus
propiedades así como se comporta en una gráfica y ver que tan alejado queda del punto triple pero en realidad
esta practica estuvo muy sencilla pero muy laboriosa por la serie de cálculos e investigaciones que se tuvieron
que realizar. Lo que mas trabajo nos costo encontrar para realizar el calculo del calor perdido por el caucho
fue su capacidad calorífica ya que no la encontramos en la bibliografía proporcionada por el profesor.
RECOMENDACIONES SOBRE LA PRACTICA
La principal recomendación sobre esta practica es que deberíamos de ser menos integrantes por lo menos tres
ya que en esta ocasión fuimos ocho y esto no es muy conveniente por que no todos tienen la oportunidad de
experimentar correctamente y por lo tanto no entender bien la practica.
BIBLIOGRAFIA
Química
Raymond Chang
Mc Graw Hill
1998
Manual del Ingeniero Quimico
Perry
Enciclopédia Tematica Encarta
Microsoft
1999
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