Primera y Segunda Ley de la Termodinámica

PRACTICA # 3
APLICACIÓN DE LA PRIMERA Y SEGUNDA LEY DE LA
TERMODINAMICA.
OBJETIVOS:
Aplicar la primera ley de la termodinámica calculando el calor que se transfiere de los alrededores al sistema y
en base a ello determinar si es factible considerar al calorímetro empleado en la experimentación como
adiabatico.
Calcular el cambio de entropía total.
Interpretar la variación de entropía total obtenida de acuerdo ala segunda ley de la termodinámica.
CONSIDERACIONES TEORICAS
La primera ley para un sistema termodinámico contenido en un recipiente de paredes adiabaticas que sufre un
proceso mediante el cual intercambia con los alrededores una cantidad de trabajo W, el cambio de su energía
interna U es igual a dicha cantidad de trabajo esto es:
"U=W
Esta ecuación y por tanto esta primera ley, establece la existencia de la variable de energía interna U.
Para aquellos procesos donde no se cumpla la ecuación antes mencionada es necesario, si no se quiere
descartar el principio de la conservación de la energía, admitir la existencia de otros modos no mecánicos
atravez de los cuales pueda un sistema intercambiar energía con sus alrededores.
De manera entonces, que si en un sistema térmicamente aislado se efectúa un proceso en el cual el sistema
absorbe una cantidad de trabajo de sus alrededores esto es:
"U−W=0
Sin embargo, si el mismo proceso ocurre cuando el proceso no es adiabatico, en general el miembro derecho
es diferente de cero porque puede intercambiarse de tal forma que:
"U−W = Q
Donde Q es el calor que esta expresado en unidades de energía, vemos entonces que la ecuación no es mas
que la definición termodinámica de calor.
Físicamente Q representa la energía absorbida o cedida por el sistema en forma de calor en tanto que W es el
trabajo de los alrededores que reciben o ceden del sistema.
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA
En el curso de los años se han realizado muchos enunciados de la segunda ley y en realidad el principiante
obtiene considerablemente mas información apartir de un cierto numero de enunciados que de cualquier otro.
1
La segunda ley lo mismo que la primera es un resultado de la experiencia, y se descubrimiento y refinamiento
lógico, empezó con el trabajo de Carnot. Algunos enunciados significativos son:
Es imposible que una maquina que actúa por si misma sin ayuda de un agente exterior, haga pasar calor desde
un cuerpo a cierta temperatura hasta otro a una temperatura superior.
Es imposible construir una maquina termodinámica que, cuando opere según cierto ciclo, no produzca mas
efectos que efectuar trabajo e intercambiar calor con un solo deposito térmico.
Todos los procesos espontáneos dan por resultado un estado mas probable.
DESARROLLO EXPERIMENTAL
1.−Nos brindo una breve explicación sobre los cálculos y lo que tenaimos que hacer experimentalmente.
2.− Nos proporciono el siguiente material un termómetro, un calorímetro cenco, un matraz , y una pequeña
porción de hielo.
3.− Llenamos el matraz con agua hasta un volumen 160ml.
4.−Posrteriormente ese volumen de agua lo pasamos al calorímetro y tomamos su temperatura.
5.−Le agregamos la masa de hielo y posteriormente lo agitamos hasta que este se disolviera.
6.− Medimos su temperatura y después el volumen lo regresamos al matraz.
7.− Por diferencia sacamos la masa del hielo que se nos había proporcionado.
8.− Enjuagamos el material utilizado y lo entregamos.
ESQUEMA DEL EQUIPO UTILIZADO
2
TERMÓMETRO PROBETA
CALORIMETRO
DESCRIPCION DE LA EXPERIMENTACIÓN
1.− En primer lugar se midió un volumen inicial de agua de 160 mililitros.
2.− Se tomo la temperatura ambiente en esos momentos del laboratorio.
3.− Se tomo la temperatura del agua.
4.− El volumen inicial de agua se paso al calorímetro y después de dos minutos se tomo nuevamente la
temperatura.
5.−Se le agrego una masa de hielo desconocida.
6.− Se movió hasta disolverlo y después se tomo la temperatura.
7.− El volumen se paso nuevamente ala probeta para después tomar su temperatura.
8.− Por diferencia se conoce la masa del hielo utilizada en la experimentación.
TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES
TEMPERATURA AMBIENTE
VOLUMEN INICIAL DE AGUA
TEMPERATURA PROBETA 1
TEMPERATURA INICIAL
TEMPERATURA FINAL
VOLUMEN FINAL
TEMPERATURA PROBETA 2
28°C
160ml
26.5°C
26.5°C
14.5°C
182ml
16°C
TABLA DE ECUACIONES
CALCULO DE
MASA DE AGUA
CP AGUA
CALOR DEL AGUA
CALOR CALORIMETRO
MASA FINAL
MASA DEL HIELO
CALOR DE FUSION
CALCULO Qs
CALOR TOTAL
CALCULO DE "ST
"S DEL AGUA
"Sc
FORMULA
DENSIDAD(VOLUMEN)
A+BT+CT²+DT²
MAGUA(CP)(tf−ti)
K(Tf − Ti)
DENSIDAD(VOLUMEN)
Masa F− Masa de agua
M hielo( biblio)
M agua(CP)(tf−0)
Qagua+Qc+Qf+Qs
"Ssist+"Salre
M(CP)Ln Tf/Ti
K Ln Tf/Ti
UNIDADES
Gramos
J/MOL K
Joules
Calorias
Gramos
Gramos
Joules
Joules
Joules
J/K
J/K
J/K
3
"Sf
"Ss
"S SISTEMA
"S ALREDEDORES
"S TOTAL
QF/273.15
Mhielo(cp)Ln Tf/273.1
"s+"Sc+"Sf+"S+"Ss
−Q/ T ambiente
"S SIST+"S ALREDE
J/K
J/K
J/K
J/K
J/K
CALCULOS
CALOR DEL AGUA
Densidad del agua a temperatura probeta 1 =.996649 g/cm³
Masa del agua = .996649 g/cm³(160 cm³)
Masa del agua = 159.4638 gramos
Tp= 26.5°C+14.5°C = 20.5°C =293.65K
2
CP/R= [8.712+1.25X10³(293.65)+(−0.18X106)(293.65)²]
CP = [8.712+0.3670−.01552] 8.314
CP= 75.353 J/MOL K
75.353 J/MOL K 1JOULE .
.239006 CAL = 1 cal/g k
18 g/MOL
Q agua = 159.4638 g(1cal/g k)(287.65k−299.65k)
Q agua = −1913.56 cal
Calor del Calorímetro
K= 12 cal/°C
Qc= 12 cal/°C(14.5°C−26.5°C) =−144 CAL
l
CALCULO DE Qf
Densidad del agua a temperatura probeta 2= .998943 g/cm³
Masa final = .998943 g/cm³(182 cm³) =181.8076gramos
Masa del hielo = 181.8076− 159.4638 = 22.3438 gramos de hielo
4
Qf=22.3438 g (6000j/mol) = 7447.92 joules
18g/mol
7447.92 j 1 joule = 1782 cal
.239006 cal
CALCULOL DE QS
CP= [8.712+1.25 X103(143.825)+(−0.18X10−6)(143.825)²] 8.314
CP= 73.925 J/MOL C =.98 CAL/G C
Qs = 22.3438g(.98cal/g C)(14.5C−0)
Qs =306.55 CAL
CALOR TOTAL
Qt = −1913.56+(−144)+1782 +306.55= 31 CALORIAS
CALCULO DE LA VARIACIÓN DE ENTROPIA
"S DEL AGUA =159.4638g( 1 cal/g k)(Ln 287.65k/299.65k)
"S del agua =−6.51 cal/k
"S DEL CALORÍMETRO
"S c = 12 CAL/K (Ln 287.65k/299.65k) = −.490 cal
"S DE FUSION
"S f =1782 cal/273.15k =6.52 cal/k
"S s = 22.3438g(.98 cal/g k)(Ln 287.65k/273.15k)
"S s =1.132 g/k
"S SISTEMA
"S S=−6.51−.490+6.52+1.132=0.652 cal /K
"S ALREDEDORES= −31CAL/301.15K=−0.10CAL/K
"S TOTAL =0.652 cal/k−0.10 cal/k
"S TOTAL =.552 cal/K
TABLA DE RESULTADOS
5
CALCULO DE
CP DEL AGUA
CALOR DEL AGUA
CALOR CALORÍMETRO
CALOR DE FUSION
QS
CALOR TOTAL
"S DEL AGUA
"S CALORÍMETRO
"S DE FUSION
"S S
"S SISTEMA
"S ALREDEDORES
"S TOTAL
RESULTADO
1
−1913.56
−144
1782
306.55
15529.71
−6.51
−.490
6.52
1.132
0.652
−0.10
0.54
UNIDADES
cal/g K
Calorías
Calorías
Calorías
Calorías
Calorías
Cal/K
Cal/K
Cal/K
Cal/K
Cal/K
Cal/K
Cal/k
INTERPRETACION DE LA VARIACIÓN DE ENTROPÍA CON RELACIÓN ALA SEGUNDA LEY
DE LA TERMODINAMICA
Si delta s es mayor o igual acero el proceso es reversible y si es diferente la desigualdad se les llama
irreversible y en este caso es irreversible.
ANALISIS DE RESULTADOS
En los resultados mostrados con anterioridad se pudo observar que el agua fue la que más perdió calor y me
imagino que fue por que entraron en contacto el agua con el hielo que es totalmente lo contrario con el calor
sensible del hielo ya que este gano demasiado por que pasar de cero grados hasta una temperatura de 16
grados fue bastante ganancia y es la que perdió el agua y con respecto ala variación de entropía yo pienso que
es reversible por que aunque la temperatura halla bajado en el sistema después de un rato vuelve a la
temperatura inicial por que este sistema va absorber calor del ambiente y hasta que no logre estar ala misma
temperatura que la del ambiente el sistema va a estar ganando calor y en al ambiente la perdida de calor va a
ser despreciable.
CONCLUSION
A la conclusión ala que llegue es que esta practica es muy parecida ala anterior ya que se siguieron los
mismos pasos y los mismos cálculos únicamente variando con los cálculos de la entropía y esto me sirvió
mucho para ver que tanto ganaron y perdieron calor los sistemas involucrados además de empezar a conocer
como se comportan algunos sistemas en el medio.
RECOMENDACIONES DE LA PRACTICA
La única recomendación que haría seria que nos proporcionara un aproximado del resultado por que así no
sabemos con seguridad si realizamos los cálculos correctamente o no.
BIBLIOGRAFIA
Química
Raymond Chang
6
Mc Graw Hill
1998
Manual del Ingeniero Quimico
PERRY
Enciclopédia Tematica Encarta
Microsoft
1999
1
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