Práctica No

Facultad de Ciencias Químico-Biológicas
Manual de prácticas
Física II
Semestre II
M. C. Juan Ramón López López
I. Q. Ignacio Calderón Ayala
I. Q. Ladislao Romero Bojórquez
Dra. Ana María López Beltrán
Universidad Autónoma de Sinaloa
Culiacán, Sinaloa, Enero de 2012
Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
Directorio
Dr. Víctor Antonio Corrales Burgueño
Rector
Dr. José Alfredo Leal Orduño
Secretario General
Dr. Juan Ignacio Velázquez Dimas
Director de Servicios Escolares
Dr. Jorge Milán Carrillo
Director FCQB
Dr. Ángel Valdez Ortiz
Sub Director Académico FCQB
L.I. Humberto Ledesma López
Sub Director Administrativo FCQB
Dr. Héctor Samuel López Moreno
Jefe de Carrera de QFB
M.C. Guadalupe Valdez Zazueta
Jefe de Carrera de IBQ
Dr. Oscar Hernández Calderón
Jefe de Carrera de IQ
I.Q. Arlete Du-Pond Barrera
Coordinador del Departamento de Control Escolar
Q.F.B. Rebeca Guadalupe Salado González
Coordinadora del Departamento de Servicio Social
I.Q. Ignacio Calderón Ayala
Coordinador del dpto. de planeación educativa
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
REGLAMENTO DEL LAB. FÍSICA – FISICOQUÍMICA
Disposiciones generales:
1) Toda persona que se encuentre dentro del área del laboratorio quedará sujeta al
presente reglamento, sin excepción alguna.
2) Dentro del laboratorio únicamente se admitirá a aquellas personas que tengan
alguna tarea o asunto relacionado con el mismo.
3) Toda persona que se encuentre dentro del laboratorio deberá seguir estrictamente
las normas de seguridad, que se anexan al presente reglamento.
4) Toda persona que requiera un servicio, material bibliográfico o instrumental
deberá presentar una solicitud por escrito al jefe del laboratorio.
A los alumnos:
5) Tendrán derecho a realizar prácticas en el laboratorio de Física - Fisicoquímica
aquellos alumnos que estén inscritos en el grado correspondiente a la materia.
6) El número de integrantes por equipo estará sujeto al número total de alumnos, no
debiendo exceder de 5 integrantes por equipo.
7) Cada grupo tendrá asignado un día a la semana para realizar la práctica. Todo
alumno que no se presente en la fecha y hora correspondiente no tendrá derecho
a realizar la práctica.
8) En caso de que se prevea la imposibilidad para asistir a la realización de alguna
práctica deberá avisarse con un día de anticipación al instructor correspondiente
para la asignación de otra fecha.
9) Todo alumno dispone de una semana a partir de la realización de la práctica,
para hacer entrega de su reporte. De no cumplir se le dará de baja en dicha
práctica.
10) El área de trabajo deberá permanecer libre de objetos personales, alimentos, etc.,
permitiéndose únicamente el uso del material necesario para el registro de los
datos obtenidos.
11) El orden y la disciplina dentro del laboratorio están confiados al alumno, que de
no ser satisfactorio podrá ser acreedor a sanciones por parte del encargado del
laboratorio.
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
12) Los alumnos que se encuentren realizando prácticas son responsables del equipo
y material de laboratorio de que hagan uso.
13) Los usuarios del laboratorio son responsables de la limpieza del área de trabajo
y equipos utilizados.
14) No se permitirá la realización de la práctica a aquellos alumnos que no hagan uso
de la bata de laboratorio si la práctica así lo requiere.
15) Ningún experimento debe ser iniciado hasta que se haya completado la
planeación del mismo y se cuente con la aprobación del instructor.
16) Ningún equipo deberá ser operado parcial o totalmente hasta que se tenga la
autorización del instructor.
17) Se deberá permanecer en la práctica mientras ésta no se concluya a menos que se
obtenga la autorización del instructor.
18) Ningún equipo puede ser desarmado parcial o totalmente o trasladado de su
posición sin la autorización del instructor.
19) El deterioro o fallas del equipo deben ser reportadas de inmediato ante el
instructor o jefe del laboratorio.
20) Tendrán derecho a recibir comprobante de realización de prácticas aquellos
alumnos que hayan cumplido mínimamente con el 90% de las mismas.
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NORMAS DE SEGURIDAD EN EL LABORATORIO
DE FÍSICA – FISICOQUÍMICA
1) Abstenerse de fumar en el interior del laboratorio.
2) No introducir ni consumir alimentos dentro del laboratorio
3) Conservar limpia su área de trabajo.
4) Use el equipo de seguridad para protección personal de acuerdo a los
requerimientos de la práctica (bata, lentes, guantes etc.)
5) Utilice para sus prácticas el área de trabajo asignado.
6) No opere ningún equipo si no tiene la autorización y supervisión del instructor.
7) Utilice la herramienta o instrumento adecuado a cada trabajo.
8) No traslade ni realice modificaciones a ningún equipo ó instrumento si no tiene
autorización para ello.
9) Mantenga el orden y disciplina dentro del laboratorio.
10) Verifique que en su área de trabajo existan condiciones adecuadas (luz,
ventilación, etc.).
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
CONTENIDO
Pág.
1. REGLAMENTO DEL LABORATORIO .. …………………………………..i
2 INTRODUCCIÓN..............................................................................................6
3. PRÁCTICAS
3.1 LabFisicaII-0.1. Estudio de cargas eléctricas en reposo…………………7
3.2 LabFisicaII-0.2. Construcción de un capacitor sencillo ………………16
3.3 LabFisicaII-0.3 Uso de equipo de medición (multímetro y protoboard).22
3.4 LabFisicaII-0.4. Demostración de la ley de Ohm ……………………...30
3.5 LabFisicaII-0.5 Leyes de Kirchhoff .....................................................40
4. BIBLIOGRAFÍA …………………………………………………………..47
5. ANEXOS ……………………………………………………………………47
4.1 Cuestionarios …………………………………………………47
4.2 Código de colores de resistencias eléctricas …………………...49
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
INTRODUCCIÓN
El presente manual de prácticas esta dirigido a los estudiantes adscritos en la asignatura
de física II, impartida en el segundo semestre del tronco común, en el nivel de
licenciatura de esta facultad. Este manual ayudará a confirmar experimentalmente las
leyes fundamentales estudiadas en el curso de Física II.
El manual de prácticas es una herramienta fundamental para el funcionamiento
apropiado de este laboratorio, ya que permite una adecuada programación de los
experimentos acorde con los avances programáticos desarrollados en el aula. Además
proporciona una fuente de de información al estudiante, la cual puede y debe consultar
con anticipación, a la asistencia a este laboratorio, para un mejor aprovechamiento de la
práctica experimental.
En la primer parte del manual se plantean actividades experimentales en los temas de
electrostática, con el fin de cumplir los siguientes objetivos:
1.- Confirmar y comprender el comportamiento de cargas estáticas.
2.- Comprender el principio de funcionamiento de un capacitor.
Al final se proponen prácticas sencillas como tema principal, los circuitos eléctricos de
corriente directa, atendiendo los siguientes objetivos:
1.- Comprender el funcionamiento y uso del multímetro.
2.- Confirmar dos de las leyes más fundamentales en los circuitos eléctricos de
corriente directa: la ley de Ohm y las leyes de Kirchhoff.
Es de suma importancia que el alumno adquiera habilidad y capacidad para aplicar estos
principios ya que son temas importantes en el ámbito profesional.
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LabFísicaII-01. Estudio de cargas eléctricas en reposo (electrostática).
1.0 Objetivos
1.1 Construir un electrómetro sencillo.
1.2 Investigar cuántos tipos de cargas existen y la forma de interactuar entre sí.
1.3 Determinar el tipo de carga que posee un cuerpo cargado.
2.0 Introducción
Los antiguos griegos descubrieron que el ámbar, después de frotarlo con piel de animal,
adquiría la propiedad de atraer cuerpos ligeros. En la actualidad todos estamos
familiarizados con los efectos de la electricidad estática, incluso algunas personas son
mas susceptibles que otras a su influencia. Creamos electricidad estática cuando
frotamos un bolígrafo con nuestra ropa, luego comprobamos que el bolígrafo atrae
pequeños trozos de papel. Lo mismo podemos decir cuando frotamos vidrio con seda.
Para explicar como se origina la electricidad estática, hemos de considerar que la
materia está conformada de átomos. Los átomos poseen un núcleo con carga positiva,
rodeado de una nube de electrones. Normalmente, la materia es neutra, tiene el mismo
número de cargas positivas y negativas.
Fig. 1.1 Representación esquemática del modelo atómico.
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Algunos átomos tienen más facilidad para perder sus electrones que otros. Si un material
tiende a perder alguno de sus electrones cuando entra en contacto con otro, se dice que
es mas positivo en la serie triboeléctrica. Si un material tiende a capturar electrones
cuando entra en contacto con otro material, dicho material es mas negativo en la serie
triboeléctrica. Estos son algunos ejemplos de materiales ordenados de más positivo a
más negativo:
Piel de conejo, vidrio, pelo humano, nylon, lana, seda, papel, algodón, madera, ámbar,
poliéster, poliuretano, polietileno, cloruro de polivinilo (PVC), teflón, goma de silicona.
El vidrio frotado con seda provoca una separación de las cargas, por que ambos
materiales ocupan posiciones distintas en la serie triboeléctrica. Cuando dos materiales
no conductores entran en contacto, uno de los materiales puede capturar electrones del
otro material. La cantidad de carga depende de la naturaleza de los materiales (de su
separación en la serie triboeléctrica), y del área de la superficie que entra en contacto.
Otro de los factores que intervienen es el estado de las superficies, si son lisas o rugosas.
La humedad o impurezas que contengan las superficies proporcionan un camino para
que se recombinen las cargas. La presencia de impurezas en el aire tiene el mismo efecto
que la humedad.
El electrómetro. Un electrómetro convencional consta de dos láminas delgadas de oro
(A) que están fijas en el extremo de una varilla metálica (B) que pasa a través de un
soporte (C) de ebonita, ámbar o azufre. Cuando se toca la bola del electrómetro con un
cuerpo cargado, las hojas adquieren carga del mismo signo y se repelen siendo su
divergencia una medida de la cantidad de carga que ha recibido. La fuerza de repulsión
electrostática se equilibra con el peso de las hojas.
C
B
A
Fig. 1.2 Representación esquemática de un electrómetro convencional.
Si se aplica una diferencia de potencial entre la bola C y la caja del mismo, las hojas
también se separan.
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Electroscopio cargado, Al acercar un objeto con carga “+” se cierran las laminilla
Al acercar un objeto con carga “-” se separan las laminillas.
Fig. 1.3 Procedimiento para identificar el tipo de carga de un cuerpo, usando
el electrómetro. Por medio de este sencillo dispositivo es posible identificar
el tipo de carga que se le aplica tanto positiva como negativa.
Una variante de un electrómetro se puede fabricar fácilmente con un circuito electrónico como el que se
muestra en la Fig. 1.4. Los componente principales de este circuito son un transistor tipo
FET (MPF-102N) y un LED, conectados en serie en el circuito. Cuando se acerca un
objeto cargado negativamente a la terminal del transistor que funciona como antena
receptora, disminuye la intensidad de corriente en el circuito hasta que el LED se apaga
por completo. Un caso inverso se presenta cuando se acerca un objeto cargado
positivamente al circuito, la resistencia interna del circuito disminuye y aumenta la
intensidad de corriente en el circuito, el LED enciende con mayor intensidad.
Fig. 1.4 Circuito electrónico para construcción de un electrómetro.
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3.0 Material y equipo.
Material.
Trozos de papel tipo confeti.
Plastilina.
Tres globos.
Tijeras.
Trozo pequeño de madera (como los usados en las paletas).
Bolígrafo (tipo BIC, trasparente).
Barra de silicón.
Alambre de cobre.
Trozo de Papel de aluminio de aproximadamente 5 x 5 cm.
Matraz de 250 mL.
Tapón de hule para matraz de 250 mL (perforado).
Regla de 30 cm.
Retazo de tela de seda (aproximadamente de 30 cm x 30 cm)
NOTA: El alumno se hará responsable de adquirir el siguiente material: Globos, barra de
silicón, tijeras, plastilina, trozo de madera, papel aluminio, regla, bolígrafo y retazo de
seda.
4.0 Técnica.
4.1 Construcción de un electrómetro.
4.1.1. Recortar dos tiritas finas de papel de aluminio (más o menos 7 mm x 10 mm).
4.1.2. Cortar un pedazo de cable de cobre de unos 10 cm de longitud, y eliminar el
aislante en los extremos.
4.1.3. Colocar las tiritas de aluminio en un extremo del alambre de cobre, perforándolas
con el mismo (las tiritas deben tener libre movimiento).
4.1.4. Colocar el alambre en el tapón de hule perforado, de forma que el papel de
aluminio quede en el interior del matraz, y el extremo libre del cable quede hacia afuera.
4.1.5. Fijar el alambre en el tapón usando plastilina y revisar que se selle perfectamente.
Tapar bien el matraz y el electrómetro queda terminado como se muestra en la Fig. 1.5.
Para usar el electrómetro acercar el objeto cargado al cable de cobre externo.
4.1.6. Si el electrómetro no funciona adecuadamente calentar un poco el matraz (para
eliminar la humedad) antes de cerrarlo.
4.2 Investigar la existencia de la electricidad estática
4.2.1 Interacción de un bolígrafo cargado con pedacitos de papel.
4.2.1.1 Colocar unos cuantos pedacitos de papel, tipo confeti, en la mesa.
4.2.1.2 Acercar uno de los bolígrafos a los pedacitos de confeti. Verificar que no pasa
nada.
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4.2.1.3 Frotar el bolígrafo en tu pelo y acercarlo al de papel confeti. Observar que los
pedacitos de papel son atraídos bolígrafo. El bolígrafo quedó cargado de "electricidad
estática".
4.2.1.4 Si esto no sucede, repetir el procedimiento frotando con mayor tiempo el
bolígrafo en el cabello. Se puede usar el electrómetro para verificar que la pluma se
carga.
4.2.1.5 Repetir el experimento frotando el bolígrafo en otros objetos. Probar en un suéter,
en el pantalón de mezclilla, en algodón, etc. Verás que algunos objetos son capaces de
"cargar" el bolígrafo y otros no.
4.2.2 Interacción entre un globo cargado, confeti y piel humana.
4.2.2.1 Llenar el globo con pedacitos de papel bond (tipo confeti), se puede utilizar el
papel usado con el bolígrafo.
4.2.2.2 Inflar el globo, observar como los papeles caen al fondo.
4.2.2.3 Frotar el globo en tu cabello por aproximadamente 1 minuto, asegurarse de frotar
la totalidad del globo.
4.2.2.4 Observar como se adhieren los pedacitos de papel a la superficie del globo.
4.2.2.5 Por ultimo, intentar tocar los pedacitos de papel con la punta del dedo y observar
la reacción.
4.2.3 Interacción de un bolígrafo cargado y un chorro fino de agua.
4.2.3.1 Abrir la llave del agua que se encuentra en la mesa de trabajo de modo que salga
un chorro fino y continuo.
4.2.3.2 Acercar el bolígrafo, sin cargar al chorro de agua, verificar que no pasa nada.
4.2.3.3 Cargar el bolígrafo frotándolo en tu pelo.
4.2.3.4 Acercar una punta del bolígrafo al chorro de agua, pero sin tocarlo. Verás que el
chorro de agua se dirige hacia el bolígrafo produciendo un efecto muy vistoso.
4.2.3.5 Realizar el mismo experimento empleando una barra de vidrio cargado con la
seda.
NOTA: Realizar las observaciones y conclusiones de los experimentos realizados.
4.3 Identificar el tipo de carga que posee un cuerpo.
4.3.1 Cargar un globo y acercarlo al electrómetro convencional, observar como las placas
se abren.
4.3.2 Retirar el globo y verificar que las plaquitas de aluminio queden semiabiertas (el
electrómetro quedo cargado negativamente).
4.3.3 Tomar una barra o tubo de vidrio y frotar con seda. Acercar el vidrio al
electrómetro y observar como las plaquitas se cierran rápidamente. Cuando esto sucede,
significa que el segundo objeto tiene carga contraria, o sea positiva.
4.3.4 Cargar nuevamente el electrómetro con el globo y verificar lo que pasa al acercar
diferentes materiales como: papel, madera, silicón y cabello.
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Fig. 1.5 Imagen de un electrómetro simple.
5.0 Resultados
5.1 Anotar las observaciones respecto a la construcción del electrómetro convencional
simple.
5.2 Anotar las observaciones y conclusiones que se realizaron en los experimentos de
verificación de la carga electrostática.
5.3 Reportar el tipo de carga identificado en cada material estudiado. Incluya
observaciones y conclusiones.
6.0 Conclusiones y comentarios.
7.0 Bibliografía
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HOJA PARA ANOTACIONES
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REPORTE DE LA PRÁCTICA
Nombre de la práctica: Estudio de cargas eléctricas en reposo (electrostática).
Nombre del alumno:
Grupo:
Grado:
Equipo:
Fecha:
Carrera:
5.0 Resultados.
5.1 Anotar las observaciones respecto a la construcción del electrómetro convencional
simple
5.2 Anotar las observaciones y conclusiones que se realizaron en los experimentos de
verificación de la carga electrostática
5.3 Reportar el tipo de carga identificado en cada material estudiado. Incluya
observaciones y conclusiones.
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6.0 Conclusiones y comentarios
¿Alcanzaron los objetivos?
Sí
No
Comentarios:
Nombre del Instructor:
Firma
Sello
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LabFísicaII-02. Construcción de un capacitor sencillo.
1.0 Objetivos
1.1 Construir un capacitor sencillo.
1.2 . Comprender la función básica del condensador como almacenador de carga
2.0 Introducción
Un condensador o capacitor es un dispositivo electrónico que está formado por dos
placas metálicas separadas por un aislante llamado dieléctrico. Un dieléctrico o aislante
es un material que evita el paso de la corriente
El capacitor es un dispositivo que almacena energía en la forma de un campo eléctrico y
se llama capacitancia o capacidad a la cantidad de carga eléctrica que es capaz de
almacenar.
- La capacidad depende de las características físicas de condensador:
- Si el área de las placas que están frente a frente es grande la capacidad aumenta
- Si la separación entre placas aumenta, disminuye la capacidad
- El tipo de material dieléctrico que se aplica entre las placas también afecta la
capacidad
- La función del dieléctrico es aumentar la capacidad del condensador.
Los diferentes materiales que se utilizan como dieléctricos tienen diferentes grados de
permisividad (diferente capacidad para el establecimiento de un campo eléctrico).
Material
Vacío
Aire
Polietileno
Porcelana
Mica
Cloruro de polivinilo
Agua
Permisividad relativa (r)
1
1.0059
2.25
5-6
3-6
3.18
80.4
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Mientras mayor sea la permisividad mayor es la capacidad del condensador. La
capacitancia de un condensador está dada por la fórmula:
C 
 0 r A
(2.1)
d
Donde:
C = capacidad (F)
r = permisividad relativa del material
0 = permisividad del vació (8.85 x10-12 C2/ N m2)
A = área entre placas (m2)
d = separación entre las placas (m)
Debido a que el faradio (F) es un valor muy grande de capacidad, generalmente se
manejan submúltiplos como el miliFaradio (mF), microFaradio (F), el nanoFaradio
(nF) y el picoFaradio (pF). Las principales características eléctricas de un condensador
son su capacidad o capacitancia y su máxima tensión entre placas (máxima tensión que
es capaz de aguantar sin dañarse).
Los condensadores se pueden clasificar en dos tipo generales:
- Los fijos: de papel, de plástico, de cerámica y los electrolíticos
- Los variables: Giratorios y los de ajuste.
3.0 Material y equipo.
- Tornillo con tuerca (aproximadamente de 1/4 de pulgada de diámetro y ¾ de longitud).
- Cinta adhesiva transparente.
- Papel aluminio.
- Porta rollo de película fotográfica.
- Cable de cobre de hilos finos con forro aislante.
- Alambre para conexión.
- Generador de carga estática (globo frotado con el cabello).
- Clip pequeño.
NOTA: El alumno se hará responsable de adquirir todo el material excepto el clip.
4.0 Técnica
4.1 Construcción de un capacitor sencillo.
4.1.1 Corta un trozo de papel aluminio, el necesario para envolver con este el porta rollo
de película fotográfica (use un pequeño trozo de cinta adhesiva para unir el papel).
Enseguida colocar en el interior otro trozo de lámina de aluminio, como se muestra en la
Fig. 2.1.
17
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4.1.2 Perforar la tapa del porta rollo (de preferencia en el centro de la tapa) y colocar el
tornillo con su tuerca correspondiente.
4.1.3 Colocar en el tornillo, por la parte interior de la tapa, un extremo de un clip
pequeño. El otro extremo del clip hacer contacto con el papel aluminio colocado en el
interior del frasco.
4.1.4 Tomar un trozo de cable (con varios hilos) y sujetarlo en la parte de arriba del
tornillo, llamaremos a esta parte "cepillo de colección".
4.1.5 Cortar un pedazo de cable aislado y colocarlo de forma que haga contacto eléctrico
con el recubrimiento exterior del porta rollo.
4.1.6 Estimar la capacitancia del equipo construido usando las ecuaciones mostradas en
la introducción. Si tiene un capacitómetro mida este valor de la capacitancia con fines
comparativos.
4.2 Comprender el funcionamiento básico del capacitor como almacenador de
carga.
4.2.1 Tomar el alambre sujetado del aluminio que esta en la parte exterior y conectarlo a
tierra. Si no se tiene un sistema de tierra adecuado, un integrante del equipo puede tomar
el frasco sujetando por la parte que tiene papel aluminio y con la otra mano tomar un
globo inflado.
4.2.2 Frotar el globo en el cabello durante unos 20 segundos, enseguida acercar el globo
al cepillo de colección hasta tocarlo suavemente, con mucho cuidado para no reventar el
globo. Repetir esta operación por lo menos tres veces, después de esto el capacitor debe
estar cargado.
4.2.3 Acercar, lentamente, el extremo del alambre (unido a la envoltura exterior) a la
cabeza del tornillo, para comprobar que el capacitor construido tiene carga almacenada.
Si el capacitor tiene suficiente carga almacenada se debe observar una pequeña chispa.
4.2. 4 Hacer todas las observaciones y anotaciones correspondientes.
Fig. 2.1 Construcción de un capacitor sencillo (botella de Leyden).
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5.0 Resultados
5.1. Calcular la capacitancia del capacitor construido.
5.2. Observaciones y conclusiones durante la construcción de un capacitor sencillo.
5.3. Resultados obtenidos sobre la función básica de un condensador.
6.0 Conclusiones y comentarios
7.0 Bibliografía
Número 1, 5 y 6 de la sección de bibliografía de este manual
8.0 Anexos
No aplica
Cronómetro
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HOJA PARA ANOTACIONES
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REPORTE DE LA PRÁCTICA
Nombre de la práctica: Construcción de un capacitor sencillo.
Nombre del alumno:
Grupo:
Grado:
Equipo:
Fecha:
Carrera:
5.0 Resultados
5.1 Calculo de la capacitancia del capacitor construido.
5.2 Observaciones y conclusiones durante la construcción de un capacitor sencillo.
5.3 Resultados obtenidos sobre la función básica de un condensador.
6.0 Conclusiones y comentarios
¿Alcanzaron los objetivos?
Sí
No
Comentarios:
Nombre del Instructor:
Firma
Sello
21
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+
LabFísicaII-03. Empleo de equipo de medición eléctrica básico.
1.0 Objetivos.
1.1 Conocimiento y uso correcto del Protoboard.
1.2 Conocer los aparatos de medición eléctrica y sus precauciones al utilizarlos.
1.3 El alumno será capaz de medir continuidad, resistencia, voltaje y corriente con el
multímetro.
2.0 Introducción.
Un circuito eléctrico está constituido por cualquier conjunto de elementos a través de los
cuales pueden circular cargas eléctricas. Existirá pues, un conjunto de dispositivos
eléctricos (por ejemplo fuentes, resistencias, bobinas, capacitores, transformadores,
transistores, etc.) interconectados entre sí.
En experimentaciones eléctricas es común el empleo del protoboard para realizar
uniones temporales en los elementos del circuito. El protoboard es un material que nos
facilita el armado y desmontaje de sistemas electrónicos sin necesidad de soldar y
desoldar componentes del circuito. Estas tabletas de experimentación se encuentran
divididas en 4 secciones como se muestra en la Fig. 3.1; las líneas indican continuidad
eléctrica entre los puntos
Fig. 3.1 Esquema general de un Protoboard.
El multímetro es un instrumento compacto que nos permite medir voltaje, corriente,
resistencia, continuidad, etc. Esencialmente está compuesto de tres partes principales
(ver fig. 3.2). La primera es una pantalla digital (1), que despliega el valor que estamos
midiendo, la unidad, y algunas opciones de la medida. La segunda, un conmutador
rotatorio o perilla (2), que al girarlo se elige lo que se quiere medir.
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y la tercera, tres orificios o terminales (3), dos de los cuales deben ser ocupados siempre
para conectar los cables, que van al elemento que se desea medir.
Generalmente con un multímetro digital se puede medir voltaje en corriente continua y
en corriente alterna, en tanto que intensidad de corriente solo se puede medir en
continua. El funcionamiento general de un multímetro es el siguiente: con la perilla
selectora de Función/Rango (2) se elige la función (lo que se desea medir) y el rango
deseado. Por ejemplo en los multímetros empleados en este laboratorio contienen los
siguientes rangos en voltaje de corriente continua ( ): 200 mV, 2 V, 20 V, 200 V y 600
V. Si la perilla selectora se posiciona en voltaje de corriente alterna ( ), se tendrán los
rangos: 200 V y 600 V. Para corriente continua ( ), los rangos son: 20 mA y 200 mA.
Algunos instrumentos presentan un rango extra de 10 A (para acceder a este rango
primero se tiene que conectar la terminal de prueba rojo en el orificio marcado con la
graduación correspondiente a 10 ADC). Para medir resistencia el selector se pone en la
posición “Ω” y se seleccione uno de los rangos disponibles: 200 Ω, 2 KΩ, 20 KΩ, 200
KΩ y 2 MΩ.
Para usar adecuadamente el multímetro debemos tener las siguientes precauciones
previas:
1.- Luego de prender el aparato, esperar 5 segundos antes de realizar cualquier medida.
2.- La perilla selectora se debe poner en la función a medir, antes de conectar los cables
al punto de medición.
3.-Desconectar los cables de prueba del componente que se está midiendo antes de
cambiar el conmutador.
4.- Cuando no conozca el rango de la variable que quiere medir inicie la medición con el
rango más alto para evitar que el equipo se dañe.
3.- Nunca conecte, el multímetro, en paralelo con el circuito para medir corriente, de lo
contrario se dañara el equipo.
1
2
3
Fig. 3.2 Partes principales de un multímetro digital.
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3.0 Material y equipo.
- Multímetro.
- Protoboard.
- Fuente de voltaje CD
- Par de cables conectores con caimanes.
- Resistencias de carbón (470 Ω, 1.2 K Ω, 4.7 KΩ, 10 KΩ y 15 KΩ)
NOTA: El alumno se hará responsable de conseguir las resistencias eléctricas indicadas
(1 de cada una por equipo)
4.0 Técnica.
4.1 Mediciones eléctricas usando el multímetro digital.
4.1.1 Medición de la resistencia de resistor comercial de 470 Ω (nominal).
4.1.1.1 Conectar el cable negro de prueba a la terminal “COM” del multímetro.
Conectar el cable rojo a la terminal “VΩmA”.
4.1.1.2 Poner el selector rotatorio en la posición “Ω” y seleccionar el rango adecuado
(2000 Ω, siempre debe ser mayor que la magnitud de la variable a medir).
4.1.1.3 Conectar las puntas de las terminales del multímetro a los extremos del resistor
(para esta operación puede utilizar los cables conectores con caimanes). Anotar el valor
medido de la resistencia en la tabla 3.1 y desconectar el multímetro de la resistencia.
4.1.1.4 Repetir los pasos 4.1.1.1 a 4.1.1.3, para las resistencias de 1.2 K Ω, 4.7 KΩ, 10
KΩ y 15 KΩ.
4.1.1.5 Comparar y estimar el error del valor nominal con respecto al valor medido.
4.1.2 Medición de voltaje a través de una resistencia de 10 KΩ.
4.1.2.1 Conectar el cable negro de prueba a la terminal “COM” del multímetro.
Conectar el cable rojo a la terminal “VΩmA”.
4.1.2.2 Armar el circuito eléctrico que se muestra en la Fig. 3.3a, usando el protoboard.
Y encender la fuente de voltaje en 3 V.
4.1.2.3 Poner el conmutador selector en la posición “ ” y seleccionar el rango de 20 V.
4.1.2.4 Conectar las puntas de los cables del multímetro a la resistencia montada en el
circuito (cada uno a un extremo de la resistencia), use los cables conectores con
caimanes para evitar un falso contacto. Observar la Fig. 3.3b.
4.1.2.5 Anotar el voltaje medido y desconectar el multímetro del circuito.
4.1.2.6 Repetir el procedimiento colocando la fuente de voltaje a 6 V y 9 V.
4.1.3 Medición de la corriente a través de una resistencia de 1.2 KΩ.
4.1.3.1 Conectar el cable negro de prueba a la terminal “COM” del multímetro.
Conectar el cable rojo a la terminal “VΩmA”.
4.1.3.2 Poner el conmutador selector en la posición “ ” y seleccionar el rango de 200
mA. En nuestro caso sabemos que la corriente es de al menos 6 mA y no mayor a 200
mA, en este caso podemos usar la escala de 200 mA del instrumento. Recuerde que
cuando no se conocen ni siquiera aproximadamente los valores a medir, se comienza
con el rango más alto (10 A).
4.1.3.3 Armar el circuito eléctrico que se muestra en la Fig. 3.4, usando el protoboard
(la fuente debe estar apagado). Verificar que el multímetro quede conectado en serie
24
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
con el circuito de lo contrario se dañara el multímetro.
4.1.3.4 Encender la fuente de voltaje (6 V) y observar la corriente registrada por el
multímetro. Si la corriente fuese inferior a 20 mA, se podrá usar la escala de 20mA
para medir con mayor precisión.
4.1.3.5 Registrar el valor de la corriente y desconectar la fuente de voltaje.
4.1.3.6 Repetir el procedimiento sustituyendo la resistencia de 1.2 KΩ por la resistencia
de 4.7 KΩ, 10 KΩ y 15 KΩ.
4.1.4 Medición de continuidad eléctrica.
4.1.4.1. Conectar el cable negro de prueba a la terminal “COM” del multímetro.
Conectar el cable rojo a la terminal “VΩmA”.
4.1.4.2 Poner el selector de funciones en “►+”.
4.1.4.3 Junte las dos puntas de los cables para comprobar el funcionamiento (Se debe
escuchar un sonido).
4.1.4.3 Comprobar si hay continuidad eléctrica en distintos materiales (mesa,
metales, lápices, papel, etc.). Recuerde que existe buena conductividad de
corriente entre los dos puntos.
3V
3V
R= 10 KΩ
Fig. 3.3 Medición del voltaje en una resistencia.
6V
R= 10 KΩ
Fig. 3.4 Medición de la corriente en una resistencia.
25
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5.0 Resultados.
Tabla 6.1 Valores de la resistencia medidos usando el multímetro.
% Error
R()
nominal
R()
medida
R n o m in al  R m ed id a
*100
R n o m in al
470
1.2 K
4.7 K
10 K
15 K
Tabla 6.2 Valores de voltaje medidos
Voltaje
nominal
3
6
9
Voltaje
medido
Tabla 6.3 Valores de corriente medidos
Voltaje
nominal
6V
6V
6V
6V
Resistencia
()
1.2 K
4.7 K
10 K
15 K
Corriente medida
(mA)
6.0 Conclusiones y comentarios
7.0 Bibliografía
Número 1, 2 y 3 que corresponden a la sección de bibliografía de este manual
8.0 Anexos
No aplica
26
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HOJA PARA ANOTACIONES
27
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REPORTE DE LA PRÁCTICA
Nombre de la práctica: Empleo de equipo de medición eléctrica básico.
Nombre del alumno:
Grupo:
Grado:
Fecha:
Carrera:
Equipo:
5.0 Resultados
5.1 Medición de la resistencia de resistores comerciales
Resistencia()
nominal
470
1.2 K
4.7 K
10 K
15 K
% Error
Calculado
5.2 Observaciones y anotaciones realizadas durante la medición del voltaje
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
5.3 Medición de corriente a través de resistores comerciales.
Voltaje
nominal
6V
6V
6V
6V
Resistencia
()
1.2 K
4.7 K
10 K
15 K
Corriente medida
(mA)
28
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
5.4 Reporte sus observaciones durante medición de la continuidad
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
6.0 Conclusiones y comentarios
¿Alcanzaron los objetivos?
Sí
No
Comentarios:
Nombre del Instructor:
Firma
Sello
29
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LabFísicaII-04. Demostración de la Ley de Ohm
1.0 Objetivos
1.1 Comprobar experimentalmente la ley de Ohm.
1.2 Comprobar experimentalmente que en un circuito serie la resistencia total.
1.3 Comprobar experimentalmente que en un circuito serie la corriente es la misma en
cualquier punto.
1.4 Comprobar experimentalmente que en un circuito paralelo (o derivación), la
resistencia total equivalente viene dada por: 1/ RT = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 +...1/ RN.
1.5 Comprobar que la suma de las corrientes en las distintas ramas de un circuito
derivación, es igual a la corriente total en el circuito.
2.0 Introducción
La ley de Ohm define que la corriente a través de una resistencia es igual a la tensión
aplicada entre sus extremos divididos por el valor de su resistencia.
2.1
I=V/R
(4.1)
En donde si V se expresa en voltios y R en ohmios, la corriente I vendrá dada en
amperios.
En esta ley se fundamenta la teoría de la Electricidad.
Se comprueba en esta práctica la ley de Ohm, midiendo la corriente I en un circuito en el
cual la tensión V y la resistencia R son conocidas. Luego se calculará el valor de I
utilizando la fórmula I = V/R y se comprobarán ambos resultados.
En los circuitos eléctricos y electrónicos, existen tres formas básicas de conexión de las
resistencias: en serie, en paralelo y en una disposición mixta; si bien existen
combinaciones más complejas, siempre es posible estudiar el comportamiento de un
circuito reduciéndolo a una de dichas formas de conexión.
30
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2.2 Propiedades de un circuito serie.
En la Fig. 4.1 se representan tres resistencias conectadas en serie con una fuente de
tensión E. En esta conexión sólo existe un camino para la corriente, de donde se deduce
que dicha corriente es la misma para todo el circuito.
Fig. 4.1 Representación de un circuito en serie.
El voltaje externo V representa la suma de las energías perdidas por unidad de carga al
circular a través de cada resistencia. De aquí que:
V = V1 + V2 + V3
(4.2)
Aplicando la ley de Ohm a este circuito se obtiene:
IRT = IR1+ IR2 + IR3
(4.3)
La corriente debe circular por cada resistor (R1, R2 y R3) debe ser idéntica ya que solo
existe una trayectoria, por tanto la resistencia total del circuito viene dada por:
3
RT = R1 + R2 + R3
(4.4)
La corriente que circulará por el circuito es, según la ley de Ohm:
4
I
=
____E______ = _E_
R1 + R2 + R3
RT
(4.5)
2.3 Propiedades de un circuito paralelo.
En el circuito de la figura 4.2 se representan tres resistencias en paralelo con una fuente
de tensión V. En esta disposición, la corriente total IT se divide y circula por cada una de
las tres ramas formadas por R1, R2 y R3. Obsérvese que la tensión aplicada a cada una de
estas resistencias es la misma, ya que eléctricamente los puntos A, C y F se reducen al
punto X; así como B, D y G lo hacen al Y.
31
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Fig. 4.2 Representación de un circuito en paralelo.
La corriente IT en este circuito viene dada por la expresión:
IT = I1+ I2 + I3
(4.6)
Al aplicar la ley de Ohm en la ecuación 4.6, se obtiene:
E= E + E+ E
RT R1 R2 R3
(4.7)
Dado que la tensión aplicada a cada una de las resistencias es la misma, la resistencia
total del circuito viene dada por la siguiente ecuación:
_1 = 1 + _1_ + _1_
RT
R1 R2
R3
(4.8)
Para medir IT, bastará interrumpir el circuito en los puntos X o Y e insertar el
amperímetro. Si se desea medir I1, I2 e I3, interrumpimos el circuito en A o en B, en C o
en D y en G o en F, respectivamente.
Un procedimiento sencillo para determinar el valor total RT de las resistencias conectadas
en derivación, es interrumpir el circuito en X o en Y para eliminar la fuente de tensión y
utilizar un óhmetro para tal fin. De igual manera, si se desea medir el valor de R1, R2 o
R3, desconectaremos uno de sus terminales del circuito y conectaremos entre sus bornes
el óhmetro.
32
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3.0 Material y equipo
Plantilla de experimentación chica (protoboard).
Fuente de alimentación: Voltaje continuo variable de 0 a 9 V.
Multímetro electrónico digital.
Resistencia carbón 1.2 KΩ , 1/2 W
Resistencia carbón 2.2 KΩ , 1/2 W
Resistencia carbón 3.3 KΩ , 1/2 W
Resistencia carbón 4.7 KΩ , 1/2 W
Resistencia carbón 10 KΩ , 1/2 W
Resistencia carbón 12 KΩ , 1/2 W
Resistencia carbón 15 KΩ , 1/2 W
Cable de cobre
Cales con caimanes
NOTA: El alumno se hará responsable de conseguir las resistencias eléctricas
indicadas (1 de cada una por equipo)
-
33
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4.0 Técnica
4.1 Variación de la corriente en función de la resistencia a voltaje constante.
4.1.1 Armar un circuito en serie con una resistencia de 3.3 KΩ, como se muestra en la
Fig. 4.3. Comprobar que los instrumentos de medida están correctamente conectados,
al momento de usarlos.
Fig. 4.3 Esquema para demostración de la ley de Ohm.
4.1.2 Ajustar la fuente de voltaje a 9 V. Cerrar el interruptor y comprobar en el
voltímetro que la tensión en bornes de R sea 9 V.
4.1.3 Medir la corriente usando el multímetro y anotar en la tabla 4.1 el valor de la
corriente indicada en el amperímetro.
4.1.4 Abrir el interruptor y sustituir la resistencia de 3.3 KΩ por otra de 4.7 KΩ. Cerrar
el interruptor y medir la corriente anotando su valor en la tabla. Previamente se habrá
reajustado la tensión de alimentación a 9 V. Repetir esta operación con los valores de
resistencias de 10 KΩ y 15 KΩ. Calcular el valor de la corriente para cada uno de los
valores de R utilizados, por medio de la ley de Ohm (I = V/R)
4.2 Variación de la corriente en función del voltaje a resistencia a constante.
4.2.1 Abrir el interruptor y conectar la resistencia de 3.3 KΩ.
4.1.2 Ajustar la tensión de alimentación a 3 V. Cerrar el interruptor y anotar el valor de
la corriente. Repetir el procedimiento para distintos valores de la tensión de
alimentación (4.5 V, 6 V, y 9 V), manteniendo constante el valor de la resistencia (3.3
KΩ).
4.1.3 Representar gráficamente la variación de la corriente en función de la tensión,
manteniendo constante la resistencia. Utilizar los datos obtenidos y sacar conclusiones.
I = f (V, R)
4.3 Mediciones de la corriente y la resistencia total en un sistema en serie.
4.3.1 Conectar el circuito como se muestra en la siguiente Fig. 4.4. Comprobar
que los instrumentos de medida están correctamente conectados.
34
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Fig. 4.4 Esquema experimental para medición de la corriente y la resistencia total en un circuito
en serie.
4.3.2 Utilizar las resistencias combinándolas en 3 series de 3 resistencias, según se
indica en la tabla 4.3. Anotar en dicha tabla los valores reales de las resistencias, la
resistencia total en serie y la corriente teórica y medida en el amperímetro. Ajustar la
fuente de alimentación a 9 V de tensión en corriente continua. Para los valores teóricos
utilizar las fórmulas vistas para los circuitos serie.
4.4 Mediciones de la corriente y la resistencia total en un sistema en paralelo.
4.4.1 Conectar el circuito como se muestra en la Fig. 4.5. Comprobar que los
instrumentos de medida están correctamente conectados.
Fig. 4.5 Esquema experimental para medición de la corriente y la resistencia total en un circuito
en paralelo.
4.4.2 Utilizar las resistencias combinándolas en 3 series de 3 resistencias, según se
indica en la tabla 4.4. Anotar en dicha tabla los valores reales de las resistencias, la
resistencia total en paralelo (entre los puntos C y D) y la corriente total teórica y medida
en el amperímetro. Ajustar la fuente de alimentación a 6 V de tensión en corriente
continua. Para los valores teóricos utilizar las fórmulas vistas para los circuitos en
paralelo. Conectar las terminales de la resistencia a la fuente de voltaje.
4.2.3 Repetir la operación anterior para una tensión de alimentación de 9 V.
35
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5.0 Resultados
5.1 Demostración experimental de la ley de Ohm.
Tabla 4.1. Variación de la corriente en función de la resistencia manteniendo el Voltaje constante.
R(Ω)
nominal
3.3 K
4.7 K
10 K
15 K
R(Ω)
medida
V(V)
I(mA)
teórico
I(mA)
medido
9
9
9
9
Tabla 4.2. Variación de la corriente en función del Voltaje manteniendo la resistencia constante
R(Ω)
nominal
3.3 K
3.3 K
3.3 K
3.3 K
R(Ω)
medida
V(V)
I(mA)
teórico
I(mA)
medido
3
4.5
6
9
5.2 Mediciones de la corriente y la resistencia total en un sistema en serie.
Tabla 4.3. Variación de la corriente en función de la resistencia manteniendo el voltaje constante, en
un circuito en serie.
R(Ω) nominal
R(Ω) medida
RT
R1
R2
R3
RT
V(V) I(mA)
teórico
9
R1
R2
R3
12 K
4.7 K
470
9
12 K
4.7 K
3.3 K
9
I(mA)
medido
NOTA: La cantidad medida (R medida, I medido, etc.) se refiere a la obtenida experimental
mente mediante el uso del multímetro. La cantidad teórica a la calculada mediante el uso de
la ecuación de la ley de Ohm.
36
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5.3
Mediciones de la corriente y la resistencia total en un sistema en paralelo.
Tabla 4.4. Variación de la corriente en función de la resistencia manteniendo un voltaje constante de
6 V, en un circuito en paralelo.
R(Ω)
nominal
R1
R2
R3
3.3 K 1.2 K 2.2 K
3.3 K 1.2 K 10 K
RT
R1
R(Ω)
medida
R2
R3
V IT(mA)
(V) medido
RT
I(mA)
medido
I1 I2 I3
6
6
6.0 Conclusiones y comentarios
7.0 Bibliografía
Número 1, 5 y 6 de la sección de bibliografía de este manual
8.0 Anexos
No aplica
37
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HOJA PARA ANOTACIONES
38
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REPORTE DE LA PRÁCTICA
Nombre de la práctica: Demostración de la Ley de Ohm
Nombre del alumno:
Grupo:
Grado:
Equipo:
Fecha:
Carrera:
5.1 Reportar los resultados obtenidos durante la comprobación experimental de la ley de
Ohm.
R (Ω) medida V (V)
I (mA)
R (Ω) medida V(V) I (mA)
9
3
9
4.5
9
6
9
9
5.2 Mediciones de la corriente y la resistencia total en un sistema en serie.
R(Ω) medida
V(V) I(mA)
I(mA) medido
teórico
R1
R2
R3
RT
9
9
9
9
5.3 Mediciones de la corriente y la resistencia total en un sistema en paralelo.
R(Ω)
V
IT(mA) I (mA) medido
medida
(V)
medido
R1
R2
R3
RT
I1
I2
I3
6
6
6
6.0 Conclusiones y comentarios
¿Alcanzaron los objetivos?
Sí
No
Nombre del Instructor:
Firma
Sello
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LabFísicaII-05. Demostración de las leyes de Kirchhoff.
1.0 Objetivos
1.1 Demostrar la ley de Kirchhoff de los nodos.
1.2 Demostrar la ley de Kirchhoff de las mallas.
2.0 Introducción
Muchas veces, en los circuitos eléctricos es necesario conocer la intensidad que circula
por cada elemento y la tensión en los bornes. Para determinar estos valores, la Ley de
Ohm resulta insuficiente y debemos recurrir a las leyes de Kirchhoff. Para poder
trabajar con el método de Kirchhoff, hemos de definir dos conceptos imprescindibles:
el nodo y la malla.
Un nodo es cualquier punto del circuito donde se conectan tres terminales o más de
diferentes componentes. Una malla es un circuito que se puede recorrer sin pasar dos
veces por el mismo punto.
La primera ley de Kirchhoff hace referencia a los nodos del circuito y establece que, en
un nodo cualquiera, la suma de las intensidades que llegan es igual a la suma de las
intensidades que salen.
La segunda ley de Kirchhoff hace referencia a las mallas del circuito y establece que la
suma de las fuerzas electromotrices de los generadores a lo largo de cualquier malla es
igual a la suma de las caídas de tensión de las resistencias en esta malla.
Para poder aplicar las leyes de Kirchhoff considere el circuito mostrado en la Fig. 5.1,
donde se desea calcular la corriente y la caída de voltaje en cada resistencia.
R2
R3
I3
I2
E2
E1
R1
I1
Fig. 5.1 Ejemplo de un circuito para demostración de las leyes de Kirchhoff (R1= 3.3 K Ω, R2
= 1 K Ω, y R3 = 2K Ω).
40
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
Para resolver este circuito por el método de Kirchhoff debemos seguir los pasos
siguientes:
Identificar y cuantificar los nodos y mallas del circuito. En este circuito podemos
observar el nodo B y dos mallas que son las que no se pueden subdividir en otros
circuitos cerrados. La malla 1 esta conformada por el segmento EBAFE (recorrida en
sentido contrario a las manecillas del reloj) y la malla 2 por EBCDE (recorrida en el
sentido de las manecillas del reloj).
Dibujar los sentidos arbitrarios de las corrientes de las ramas existentes y un sentido de
corrido en cada malla también arbitraria.
Aplicar la primera ley de Kirchhoff en el nodo B, para obtener la siguiente
ecuación:
I1 = I2 + I3
(5.1)
Aplicando la segunda ley de Kirchhoff, la suma de los voltajes alrededor de la malla 1
(EBAFE) es:
I1R1 + I3R3 - E1 = 0 = I1 (3300 Ω) + I3 (2000 Ω) – 9 V
(5.2)
La suma de los voltajes en la malla 2 (EBCDE) es:
I1R1 + I2R2 - E2 = 0 = I1 (3300 Ω) + I2 (1000 Ω) – 6 V
(5.3)
Por lo tanto, tendremos en total tres ecuaciones simultáneas con tres incógnitas (I1, I2 e
I3) para resolver.
De la ecuación 8.1 se despeja I3 y se sustituye su valor en la ecuación 8.2 y obtenemos
la siguiente expresión:
I1R1 + (I1- I2)R3 - E1 = 0 = I1 (3300 Ω) + (I1- I2) (2000 Ω) – 9V
(5.4)
Simplificando:
(5300 Ω) I1 - (2000 Ω) I2 – 9V = 0
(5.5)
Dividiendo la ecuación 8.5 por dos:
(2650 Ω) I1 - (1000 Ω) I2 – 4.5V = 0
(5.6)
Sumando esta ecuación a la ecuación 8.3, obtenemos:
(2650 + 3300) I1 + (1000 - 1000) I2 – 4.5V - 6V= 0
(5.7)
41
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Simplificando
(5950 Ω) I1 – 10.5V = 0
(5.8)
Despejando y resolviendo para I1
I1 = 10.5 V / 5950 Ω = 1.765 x10-3 A
Sustituyendo el valor de I1 en la ecuación 8.3 y resolviendo para I2
I2 = [6 V - 1.765 x10-3(3300 Ω)]/1000 Ω = 1.755x x10-4A
Finalmente:
I3 = I1 - I2 = 1.765 x10-3 A - 1.755x x10-4A = 1.589x x10-3A
3.0 Material y equipo.
- Multímetro digital.
- Fuente de voltaje de 6 y 9 V.
- Resistencias comerciales de 1 K Ω, 2 K Ω y 3.3 K Ω.
- Cables conectores con caimanes.
- Cable de cobre.
- Protoboard.
NOTA: El alumno se hará responsable de conseguir las resistencias eléctricas indicadas
(1 de cada una por equipo)
4.0 Técnica.
4.1 Demostración de la ley de los nodos
4.1.1 Montar el circuito mostrado en la fig. 5.1 empleando el protoboard.
4.1.2 Conectar el cable negro de prueba a la terminal “COM” del multímetro.
Conectar el cable rojo a la terminal “VΩmA”.
4.1.3. Poner el conmutador selector en la posición “ ” y seleccionar el rango de 200
mA.
4.1.4 Medir la corriente I1, conectando las terminales del multímetro en serie con la
resistencia R1 (conectar una punta del multímetro al nodo B y otra al extremo de la
resistencia). Registrar el valor en la tabla. 5.1.
4.1.5 Conectar una punta del multímetro al nodo B y otra al extremo de la resistencia R2
para medir la corriente I2 (el multímetro debe quedar conectado en serie con R2).
Registrar el valor en la tabla. 5.1.
4.1.6 Medir la corriente I3 de forma similar y registrar su valor en la tabla 5.1.
4.1.7 Verificar que se cumple la ley de los nodos y comparar la magnitud de corriente
medida con los valores calculados.
Nota: Recuerde que los valores nominales de las resistencias difieren del valor real, por
42
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
tanto para una mejor comparación se debe medir primero el valor real de las resistencias
y con estos valores realizar los cálculos teóricos.
4.2 Demostración de la ley de las mallas
4.2.1 Montar el circuito mostrado en la fig. 5.1 empleando el protoboard.
4.2.2 Conectar el cable negro de prueba a la terminal “COM” del multímetro.
Conectar el cable rojo a la terminal “VΩmA”.
4.2.3. Poner el conmutador selector en la posición “ ” y seleccionar el rango de 20 V.
4.2.4 Medir las tensiones en la malla 1, iniciando con R1.
4.2.4.1 Conectar cada una de las terminales del multímetro a los extremos de la
resistencia uno (punto B y E), sin desconectar la resistencia. En esta operación pueden
usarse los cables conectores con caimanes.
4.2.4.2 Conectar las terminales del multímetro con los extremos de R3 para medir la
tensión. En estas mediciones el multímetro siempre debe quedar conectado en paralelo
con la resistencia.
4.2.4.3 Medir la tensión de la fuente E1 conectando las terminales del multímetro en los
puntos A y F. Registrar todas las mediciones en la tabla 5.2 y verificar la ley de las
mallas.
4.2.5 Medir las tensiones en la malla 2, iniciando con R2 (la tensión en R1 es la misma
registrada en el procedimiento de la malla 1).
4.2.5.1 Conectar las terminales del multímetro con los extremos de R2 para medir su
tensión.
4.2.5.1 Medir la tensión de la fuente E2 conectando las terminales del multímetro en los
puntos C y D. Registrar todas las mediciones en la tabla 5.3 y verificar la ley de las
mallas.
Nota: El signo de la tensión medida varía con el punto de conexión de la terminal roja
(del multímetro) en el circuito. Por ejemplo si esta terminal se coloca siempre al polo
positivo del circuito, la medición de la tensión siempre será positiva. Por tanto lo
recomendable es tomar siempre el valor positivo de la medición y asignarle el signo de
a cuerdo a las convecciones de signo al recorrer la malla.
43
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5.0 Resultados
Tabla 5.1. Medición de la corriente.
Valor teórico
(mA)
Valor medido
(mA)
I1
I2
I3
Tabla 5.2. Medición de voltaje malla 1.
Valor teórico
(V)
Valor medido
(V)
Voltaje en R1
Voltaje en R3
Sumatoria de
V1 y V3
1
Tabla 5.3. Medición de voltaje en la malla 2.
Valor teórico
(V)
Valor medido
(V)
Voltaje en R1
Voltaje en R2
Sumatoria
V1 y V2
2
6. Conclusiones y comentarios.
7.0 Bibliografía
Número 1 y 5 de la sección de bibliografía de este manual.
8.0 Anexos
No aplica
44
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
HOJA PARA ANOTACIONES
45
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
Universidad Autónoma de Sinaloa
Facultad de Ciencias Químico Biológicas
REPORTE DE LA PRÁCTICA
Nombre de la práctica: Circuito aplicando las leyes de Kirchhoff
Nombre del alumno:
Grupo:
Grado:
Fecha:
Carrera:
Equipo:
5.0 Resultados
5.1 Demostración de la ley de los nodos
Valor teórico
(mA)
I1
I2
I3
5.2 Demostración de la ley de las mallas
Valor medido
(mA)
Valor medido
(V)
Voltaje en R1
Voltaje en R3
Sumatoria
1
Valor medido
(V)
Voltaje en R1
Voltaje en R2
Sumatoria
2
6.0 Conclusiones y Comentarios
¿Alcanzaron los objetivos?
Sí
No
Nombre del Instructor:
Firma
Sello
46
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
3.0 Bibliografía
1.- E. Tippens Paúl; “FÍSICA conceptos y aplicaciones”; 7ma
McGraw-Hill; México D. F 2007.
edición; Editorial
2.- Antonio Máximo, Beatriz Alvarenga, “FÍSICA GENERAL con experimentos
sencillos”; 4ª. Edición; Editorial Oxford; México D. F. 1998.
3.- www.sc.ehu.es/sweb/física.
4.- www.amasci.com/emotor/chargdet.html.
5.- Francis W. Sears, Mark W. Zemansky, Hugo D. Young, Rogert A. Freedman, “Física
Universitaria”; Vol. 2, Undécima edición; Editorial Pearson Educación; Naucalpan Edo.
de México 2005.
6.- Agustín Contin S., Caupolicán Muñoz G., Salvador Álvarez B., Francisco Hernández
R., Isaac Schnadower B., “Electrónica Práctica”; Tomo I; McGraw-Hill; México DF,
1989.
7.- Braum Eliazer, “Electromagnetismo, de la ciencia a la tecnología”, Fondo de cultura
económica.
4.0 Anexos
4.1 Cuestionarios.
4.1.1. LabFísicaII-01
1.- Investigue el principio de funcionamiento del generador de Van de Graff.
2.- Explique detalladamente el fenómeno que se presenta cuando se acerca el bolígrafo
cargado al chorro de agua. ¿Qué pasa cuando se emplea vidrio?
3.- Si el bolígrafo queda con carga negativa al ser tallada con el cabello ¿Cómo quedará
cargado el cabello?
4.- A nivel atómico ¿Cómo se puede explicar el proceso de cargar cuerpos al frotarlos
entre sí?
5.- ¿Cuál es la conclusión general sobre el número de tipos de cargas eléctricas y el
modo como interactúan entre sí?
6.- Mencione la importancia de (aplicaciones en la vida) conocer los fenómenos
involucrados en cargas electrostáticas.
47
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
4.1.3 LabFísicaII-02
1.- ¿Cuáles son las partes básicas de un capacitor y por qué es un buen dispositivo para
almacenar carga? Responda en base al estudio realizado a la botella de Leyden.
2.- En general ¿Qué efecto tiene un material dieléctrico en el valor de la capacitancia de
un condensador?
3.- En un capacitor de placas paralelas ¿Cómo se puede aumentar su capacitancia?
4.- ¿Qué determina la diferencia de potencial que puede soportar un capacitor? ¿Tiene
qué ver el material dieléctrico que se encuentre entre sus placas?
5.- ¿Qué determina la cantidad de energía que puede almacenar un capacitor?
4.1.6 LabFísicaII-03
1.- Realice una investigación de los instrumentos de medición eléctrica existentes e
indique su uso.
2.- Defina los siguientes términos: Circuito eléctrico, circuito eléctrico en serie, circuito
eléctrico en paralelo, resistencia eléctrica, continuidad, corriente, voltaje.
4.1.7 LabFísicaII-04
1.- Representar gráficamente el comportamiento de la corriente en función de la
resistencia y de la corriente en función del voltaje, con los resultados obtenidos en el
punto 5.1. Describa como varia la corriente en función de esta variable.
2.- Explique las diferencias entre un circuito en serie y un circuito en paralelo.
3.- Explique el uso y funcionamiento del multímetro.
4.-Investigue el uso y el funcionamiento del puente de Wheatstone.
5.- ¿Cual es la importancia del conocimiento aportados por la ley de Ohm en la vida
humana?
4.1.8 LabFísicaII-05
1.- ¿Que impacto tiene en la actualidad la ley de Kirchhoff?
2.- Mencione los enunciados de las reglas (leyes) de Kirchhoff
3.- ¿Cuando se deben utilizar las reglas de Kirchhoff?
4.- Se conectaron en serie dos focos de 120 V, uno de 25W y otro de 200 W entre los
bordes de una línea de 240 V. En un principio esta parecía una buena idea, pero uno de
ellos se fundió casi instantáneamente. ¿Cuál se fundió y por que?
48
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
4.2 Códigos de colores de las Resistencias eléctricas
Las resistencias (resistores) son fabricados en una gran variedad de formas y tamaños.
En los más grandes, el valor de la resistencia se imprime directamente en el cuerpo de la
resistencia, pero en las más pequeñas se pintan bandas de colores sobre estas
resistencias. Cada color representa un número que se utiliza para obtener el valor final
de la resistencia. Las dos primeras bandas indican las dos primeras cifras del valor de la
resistencia, la tercera banda indica por cuanto hay que multiplicar el valor anterior para
obtener el valor final de la resistencia. La cuarta banda nos indica la tolerancia y si hay
quinta banda, ésta nos indica su confiabilidad.
Colores
1ª Cifra
2ª Cifra
Multiplicador
0
x1
Negro
Tolerancia
Marrón
1
1
x 10
1%
Rojo
2
2
x 100
2%
Naranja
3
3
x 1000
Amarillo
4
4
x 10,000
Verde
5
5
x 100,000
Azul
6
6
x 1,000,000
Violeta
7
7
x 10,000,000
Gris
8
8
x 100,000,000
Blanco
9
9
x 1000,000,000
0.5%
Oro
x 0.1
5%
Plata
x 0.01
10%
Sin color
20%
Ejemplo:
Si los colores son: (Marrón - Negro - Rojo - Oro )
Las cifras correspondientes son:
1ª Cifra
1
2ª Cifra
0
Su valor en ohmios es: 10 x 100 = 1000
Tolerancia de 5%
Multiplicador
100
Tolerancia
5%
Ω = 1K Ω
49
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
Facultad de Ciencias Químico-Biológicas
Manual de prácticas
Fisicoquímica I
Semestre II
M. C. Juan Ramón López López
I. Q. Ignacio Calderón Ayala
I. Q. Ladislao Romero Bojórquez
Dra. Ana María López Beltrán
Universidad Autónoma de Sinaloa
Culiacán, Sinaloa, Enero de 2012
50
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
CONTENIDO
Pág.
1.INTRODUCCIÓN……………………………………………………… ……..……52
2. PRÁCTICAS
2.1 LabFisicoquímicaI-01. Determinación del equivalente eléctrico del
calor………..……………………………………………………………………………53
2.2 LabFisicoquímicaI-02. Determinación del calor de reacción del ácido clorhídrico
con hidróxido de sodio…………………………………………...……………………..61
2.3 LabFisicoquímicaI-03 Determinación del cambio de energía libre de Gibbs de
una reacción química empleando una celda
electroquímica…………………………………………………………………………..66
2.4 LabFisicoquímicaI-04. Determinación de la entalpía de vaporización del agua
mediante el modelo de Clausius y Clapeyron
…………………………………………………………………………………………..72
3. BIBLIOGRAFIA ……………………….………………………… …................78
4. ANEXOS …………………………………………………………
…………....79
4.1 Cuestionarios ……………………………………………… …… ….. …….80
51
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
INTRODUCCIÓN
La elaboración de manuales de prácticas es un requisito primordial para un buen
funcionamiento del laboratorio, ya que su finalidad es que las prácticas se encuentren
impresas, ordenadas y sistematizadas acorde con los avances temáticos desarrollados en
el aula.
Este manual de prácticas está dirigido a los estudiantes de la asignatura de Fisicoquímica
I, segundo semestre, del tronco común en el nivel de licenciatura de nuestra facultad.
Fue escrito con el propósito de ofrecer prácticas modernas de fisicoquímica al
estudiante, a fin de ayudarle a entender mejor las posibilidades y limitaciones de esta
rama tan importante en la Química y permitirle verificar leyes fundamentales.
Durante la elaboración de este manual se prestó especial atención en seleccionar
experimentos que requieren aparatos sencillos y económicos, la mayoría de los cuales
pueden fabricarse en el mismo laboratorio, sin sacrificar el principio teórico. De tal
forma que la mayoría de lo experimentos requieren de equipo económico para su
realización, exceptuando los experimentos de calor de combustión y el ciclo de
refrigeración.
Los principales objetivos de este manual son:
1. Revisar leyes y conceptos referentes a la primera ley de la termodinámica.
2. Estudiar leyes sobre termoquímica (determinación del calor de reacción).
3. Revisar leyes y conceptos de la segunda ley de la termodinámica (estudio y
determinación del cambio de energía libre de Gibbs de una reacción química).
4. Introducción al equilibrio físico (determinación de la entalpía de vaporización
usando la Ecuación de Clausius y Clapeyron).
Con esto se pretende que el alumno adquiera habilidad y capacidad para aplicar estos
principios en asignaturas posteriores, actividades de investigación y a la solución de
problemas en su ámbito profesional.
52
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
Universidad Autónoma de Sinaloa
Facultad de Ciencias Químico Biológicas
LabFisicoquímicaI-01. Determinación del equivalente eléctrico del calor
1.0 Objetivos.
1.1
Verificar la ley de la conservación de la energía.
1.2
Verificar cuantitativamente la relación entre Joules y calorías (Equivalente
eléctrico del calor).
2.0 Introducción.
El principio de conservación de la energía nos dice que si una dada cantidad de energía
de algún tipo se transforma completamente en calor, la variación de la energía térmica
resultante debe ser equivalente a la cantidad de energía entregada. En este experimento
buscamos demostrar la equivalencia entre la energía entregada a un sistema y el calor en
que se convierte. Si la energía se mide en Joules y el calor en calorías, nos
propondremos también encontrar la equivalencia entre estas unidades. La relación
cuantitativa entre Joules y calorías se llama equivalente eléctrico (o mecánico) del calor
y la denominaremos Je.
El principio del experimento consiste en suministrar energía eléctrica a un conductor
(resistencia eléctrica) inmerso en agua dentro de un calorímetro, y medir el calor
proporcionado al agua.
En este experimento el trabajo eléctrico W realizado sobre el sistema en un tiempo t, es:
W = V.I.t
(1.1)
donde:
W = Trabajo eléctrico en Joules (J)
V = Voltaje en volts (V)
I= Intensidad de corriente en Amper (A)
Esta energía eléctrica aplicada sobre el sistema se transforma en calor. La cantidad de
calor generado en el tiempo t, produce un incremento en la temperatura del agua,
53
Facultad de Ciencias Químico Biológicas / UAS
Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
paredes del recipiente y otros elementos del calorímetro. Si la temperatura inicial es T1 y
la final T2 entonces:
Q = Cp (m+ k )(T2 – T1)
(1.2)
Donde Cp es el calor específico del agua (cal /g °C), m es la masa en gramos del agua y
k es el equivalente en agua del calorímetro, masa de agua capaz de absorber igual
cantidad de calor que el calorímetro para la misma elevación de temperatura.
El equivalente eléctrico del calor es:
Je = W/Q
(1.3)
Para determinar el valor de k experimentalmente, mezclamos dos volúmenes de agua a
distintas temperaturas; una masa de agua fría (m1 a temperatura Ti) y otra masa de agua
caliente (m2 a temperatura Tc). Los colocamos en el calorímetro, junto a los componentes
del mismo. El sistema llega al equilibrio térmico a una temperatura Te. Por conservación
de la energía se tiene:
Qganado = - Qcedido
Cp (m1+ k )(Te – Ti) = -Cp m2 (Te – Tc)
(1.4)
Despejando K:
k  m2
T c T e
Te  Ti
 m1
(1.5)
3.0 Material y equipo.
-
Equipo.
Calorímetro (o recipiente aislado térmicamente)
Termómetro.
Cronómetro.
Amperímetro.
Balanza analítica.
Resistencia eléctrica para calentamiento.
Agitador magnético.
4.0 Técnica.
4.1 Determinación del equivalente en agua del calorímetro.
4.1.1 Agregar 500 g de agua a temperatura ambiente en el calorímetro. Medir y registrar
la temperatura Ti.
4.1.2 Pesar 500 g de agua y calentar hasta alcanzar una temperatura de 15° por encima
de Ti, registrar la temperatura Tc.
54
Facultad de Ciencias Químico Biológicas / UAS
Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
4.1.3 Adicionar los 500 g de agua a Tc al calorímetro (con cuidado de forma rápida para
evitar perdidas de calor considerables), que contiene los 500 g de agua a Ti, cerrar el
calorímetro, agitar ligeramente y esperar que se alcance la temperatura de equilibrio.
4.1.4 Una vez que se alcance el equilibrio térmico en la mezcla de las masas de agua,
registrar la temperatura de equilibrio Te.
4.1.5 Tirar el agua contenida en el calorímetro y enjuagar, con el fin de que este
preparado para el siguiente experimento.
4.1.5 Calcular el equivalente en agua del calorímetro (k) usando la ecuación (1.5).
NOTA: Durante esta actividad en ningún momento se requiere encender la resistencia
eléctrica.
4.2 Determinación del equivalente eléctrico del calor.
4.2.1 Agregar 1000 mL de agua (m3) a temperatura ambiente en el calorímetro.
4.2.2 Armar el dispositivo como se muestra en la Fig. 1.1 (Verificar que la resistencia
quede totalmente inmersa en el agua).
Fig. 1.1 Equipo experimental para calcular el equivalente eléctrico del calor
4.2.3 Esperar aproximadamente 2 min. y registrar la temperatura del agua dentro del
calorímetro (T0). No es necesario registrar el tiempo.
4.2.4 Conectar las terminales de la resistencia a la fuente de voltaje.
4.2.5 Inmediatamente de encender la resistencia, iniciar a medir el tiempo usando el
cronómetro.
4.2.6 Registrar el voltaje y la corriente cada 2 minutos. Si los valores de voltaje y/o
corriente varían mucho, sacar un promedio de estas mediciones y utilizar este valor en el
cálculo de W.
4.2.7 Después de transcurridos 30 s (t1) registrar la temperatura del calorímetro (T1).
4.2.8 Registrar la temperatura cada 30 s hasta obtener 14 valores de temperatura (T2, T3,
T4,...,T14) en función del tiempo (t1, t2, t3,..., t14).
4.2.9 Con los datos obtenidos y las ecuaciones correspondientes (1.1 a 1.3) calcular el
trabajo eléctrico, el calor y el equivalente eléctrico del calor.
55
Facultad de Ciencias Químico Biológicas / UAS
Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
5.0 Resultados.
5.1 Equivalente en agua del calorímetro.
Datos:
Masa
m1 =
m2 =
Temperatura
Ti =
Tc =
Te =
Cálculos y resultados:
k  (
)
(
)
(
)
 (
)
K = ___________________
5.2 Equivalente eléctrico del calor.
Datos:
Tiempo (s)
K=
m3 =
Voltaje (V)
Amperaje (A)
t0 = 0
t1 = 30
t2 = 60
t3 = 90
t4 = 120
t5= 150
t6= 180
t7= 210
t8= 240
t9= 270
t10= 300
t11=330
t12= 360
t13= 390
t14= 420
Temperatura (°C)
T0 =
T1 =
T2=
T3=
T4=
T5=
T6=
T7=
T8=
T9=
T10=
T11=
T12=
T13=
T14=
56
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
Cálculos y resultados:
Tiempo (s) T (°C)
t1 =
t2 =
t3 =
t4 =
t5 =
t6 =
t7 =
t8 =
t9 =
t10=
t11=
t12=
t13=
t14=
T 1 =
T 2 =
T 3 =
T 4 =
T 5 =
T 6 =
T 7 =
T 8 =
T 9 =
T10 =
T11 =
T12 =
T13 =
T14=
Trabajo eléctrico
We = VIt
W1 =
W2 =
W3 =
W4 =
W5 =
W6 =
W7 =
W8 =
W9 =
W10 =
W11 =
W12 =
W13 =
W14 =
Calor absorbido
Je
J
=
W/Q
Q =(m3 + K)T
e
Q1 =
Q2 =
Q3 =
Q4 =
Q5 =
Q6 =
Q7 =
Q8 =
Q9 =
Q10 =
Q11 =
Q12 =
Q13 =
Q14 =
Promedio (Je) =
Nota: Para calcular la Tn, se tomara en cuenta la lectura del termómetro en el tiempo
deseado a la cual se le restara T0. Por ejemplo: T3 = T3 - T0, T4 = T4 - T0 y asi
susecivamente.
6.0 Conclusiones y comentarios.
7.0 Bibliografía.
Número 1, 2 y 3 que corresponden a la sección de bibliografía de este manual.
57
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
HOJA PARA ANOTACIONES
REPORTE DE LA PRÁCTICA
Nombre del alumno:______________________________Fecha:______________
Grupo:________Grado:________ Equipo:_______Carrera: _________________
58
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Universidad Autónoma de Sinaloa
Facultad de Ciencias Químico Biológicas
REPORTE DE LA PRÁCTICA
Nombre de la práctica: Determinación del equivalente eléctrico del calor
5.1 Equivalente en agua del calorímetro.
K = ___________________
5.2 Equivalente eléctrico del calor.
Je =
Je =
Je =
Je =
Je =
Je =
Je =
Je =
Je =
Je =
Je =
Je =
Je =
Je =
Promedio =
Equivalente eléctrico del calor obtenido gráficamente.
Je = ___________________
59
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
6.0 Conclusiones y comentarios
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
____
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
__
¿Alcanzaron los objetivos? Sí
No
Comentarios:___________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
___
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
___
Nombre del instructor:
Firma:
Sello:
60
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Universidad Autónoma de Sinaloa
Facultad de Ciencias Químico Biológicas
LabFisicoquímicaI-02. Determinación del calor de reacción del ácido clorhídrico con
hidróxido de sodio
1.0 Objetivo.
Determinar la variación de entalpía (H de reacción) cuando un ácido fuerte reacciona
con una base fuerte.
2.0 Introducción.
El calor de neutralización es definido como el calor producido cuando un equivalente
gramo de ácido es neutralizado por una base. El calor de neutralización tiene un valor
aproximadamente constante, en la neutralización de un ácido fuerte con una base fuerte,
ya que en esta reacción se obtiene como producto en todos los casos un mol de agua, que
es formada por la reacción:
H+ + OH - 
H2O
ó
H3O+ + OH -

2H2O
En cada una de las reacciones anteriores se generan 13.7 Kcal/mol.
Esta constancia en la entalpía de neutralización, se entiende fácilmente cuando se
recuerda que los ácidos fuertes, bases fuertes y las sales, están completamente disociados
en sus soluciones diluidas; y, en tal consecuencia el efecto químico común a todas estas
neutralizaciones, que es sustancialmente el único cambio responsable para el efecto
térmico observado, es la unión de los iones hidratados hidrógeno e hidroxilo para formar
agua no ionizada. O sea, si la ecuación anterior de neutralización la escribimos en forma
iónica, tenemos:
Na+ (aq) + OH-(aq) + H+(aq) + Cl-(aq)  Na+ (aq) + Cl-(aq) + H2O
y cancelando los iones comunes en ambos miembros de la igualdad:
OH-(aq) + H+(aq)

H2O
61
Facultad de Ciencias Químico Biológicas / UAS
Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
Esta constancia en la entalpía de neutralización no se mantiene en la neutralización de
soluciones de ácidos débiles por bases fuertes, bases débiles por ácidos fuertes o de
ácidos débiles por bases débiles. En todos estos casos el valor de H es menor y mucho
menor en el siguiente caso:
HCN (aq) + NaOH (aq)

NaCN (aq) + H2O
en donde se obtienen -2.9 Kcal/mol.
En estos últimos casos el H de neutralización difiere del valor constante citado, porque
la formación del agua a partir de sus iones no es el único proceso químico que acompaña
a la neutralización, ya que paralelamente a la combinación de los iones hidratados
hidrógeno e hidroxilo, va ocurriendo la ionización de los solutos débiles, siendo el efecto
térmico observado la suma de las entalpías de ionización y neutralización.
2.0 Material y equipo.
Material:
Una probeta de 250 mL.
Dos vasos de precipitados de 250 mL.
Placa para calentamiento.
150 mL de solución de HCl 0.5 M.
150 ml de solución de NaOH 0.5 M.
Agua destilada.
Equipo:
Un frasco Dewar.
Un termómetro de -10 a 60 °C
Un termómetro de -10 a 101 °C
4.0 Técnica.
Obtener la capacidad calorífica del calorímetro, calibrándolo mediante el método de
las mezclas.
4.1.1
Colocar 200 mL (m1  200 g) de agua destilada fría en el frasco termo
(T1).
4.1.2
Agregar 100 mL (m2  100 g) de agua destilada caliente (T2), al
frasco termo. La temperatura del agua caliente debe ser 10 °C arriba de la temperatura
del agua fría en el termo (T2 =T1 + 10 °C).
4.1.3
Agitar rápidamente y anotar la temperatura alcanzada en el equilibrio
(T3).
4.1.4
Calcular la capacidad calorífica del calorímetro (Ccalorímetro), por la
siguiente ecuación:
4.1
C calorimetr
o
 
m 2 Cp
agua
(T 3  T 2 )
(T 3  T1 )
 m 1 Cp
agua
62
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
4.2
Medición del calor de reacción entre el hidróxido de sodio y el ácido clorhídrico.
4.2.1
Enjuagar el calorímetro con agua a temperatura ambiente.
4.2.2
Colocar 150 mL de NaOH 0.5 M, en el interior del calorímetro y medir
su temperatura.
4.2.3
Colocar 150 mL de HCl 0.5 M, en un vaso de precipitado y medir su
temperatura.
4.2.4
Cuando las temperaturas del NaOH y del HCl permanezcan constante e
iguales (T4), agregar los 150 mL de HCl 0.5 M en el calorímetro.
4.2.5
Agitar la disolución, con el termómetro, hasta que se estabilice la
temperatura. Anotar la temperatura más alta alcanzada (T5).
4.2.6
Suponer que la densidad de las disoluciones y su calor especifico es la
unidad, y calcular el calor liberado en la reacción con la siguiente ecuación:
 C calorimetr
q Liberado
 C calorimetr
q Liberado
o
o
(T 5  T 4 )  m NaOH Cp
 m NaOH Cp
NaOH
NaOH
(T 5  T 4 )  m HCl Cp
 m HCl Cp
HCl
(T5
HCl
(T 5  T 4 )
 T4 )
5.0 Resultados.
5.1 Capacidad
calorífica del calorímetro.
Datos:
Temperatura inicial del agua fría
Masa de agua fría
Temperatura inicial del agua caliente
Masa del agua caliente
Temperatura final (de equilibrio)
T1 =
m1 =
T2 =
m2 =
T3=
Cálculos:
Ccalorímetro =____________________________ = _____________
5.2
Calor de reacción del hidróxido de sodio y el ácido clorhídrico
Datos:
Temperatura inicial del NaOH y el HCl
Masa de NaOH
Masa de HCl
Capacidad calorífica del calorímetro
Temperatura final (de equilibrio)
T4 =
mNaOH =
mHCl =
Ccal =
T5 =
63
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
Cálculos:
q Re
acción

q Liberado
moles


HCl
6.0 Conclusiones y comentarios.
7.0 Bibliografía.
Número 4 y 5 que corresponden a la sección de bibliografia de este manual.
ESPACIO PARA ANOTACIONES
REPORTE DE LA PRÁCTICA
Nombre de la práctica: Determinación del calor de neutralización del ácido
clorhídrico con hidróxido de sodio
Nombre del alumno: _________________________________ Fecha: _______________
Grupo: ________ Grado: _________ Equipo: _______ Carrera: __________________
64
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
5.0 Resultados
5.1 Capacidad calorífica del calorímetro.
Ccalorímetro =__________________
5.2 Calor de reacción del hidróxido de sodio y el ácido clorhídrico.
qreacción = __________________________
6.0 Conclusiones y comentarios
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
________
¿Alcanzaron los objetivos? Sí
No
Comentarios:___________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
______
Nombre del instructor:
Firma:
Sello:
65
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Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I
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LabFisicoquímicaI-03. Determinación del cambio de energía libre de Gibbs de una
reacción química empleando una celda electroquímica.
1.0 Objetivo
Determinar el cambio de energía libre de Gibbs de una reacción química empleando una
celda electroquímica
2.0 Introducción.
Las celdas electroquímicas son dispositivos que se utilizan para transformar energía
química en eléctrica, o para producir sustancias. Las celdas empleadas para producir
energía eléctrica a partir de una reacción se llaman celdas galvanicas o pilas.
S is te m a
We
Figura 5.1 Celda electroquímica galvanica.
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Consideremos la pila mostrada en la figura 5.1 y realicemos un análisis termodinámico
del sistema, de la primera ley de la termodinámica tendremos:
U = Q + W
(5.1)
el trabajo realizado por el sistema es:
W = - P V + We
(5.2)
Combinando la ecuación 5.1 con la ecuación 5.2, la primera ley queda expresada por:
U = Q - P V + We
(5.3)
De la segunda ley de la termodinámica podemos obtener el cambio de energía libre de
Gibbs (a temperatura y presión constante), expresado por la siguiente ecuación:
G = U + P  V -T  S
(5.4)
Combinando la primera ley (ecuación 5.3) con la segunda ley de la termodinámica
(ecuación 5.4)
G = Q - P V + We + P  V -T  S
(5.5)
Asumiendo que la celda opera reversiblemente
Q rev = T  S
(5.6)

La ecuación para el cambio de energía libre de Gibbs queda:
G = We
(5.7)
El trabajo eléctrico realizado por la celda es:
We = - q E = -nFE
(5.8)
Donde:
n = Numero de electrones transferidos en la reacción
F = Constante de Faraday (96500 C/mol e)
E = Diferencia de potencial entre los electrodos de la celda
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Para que puedan aplicarse al mismo los conceptos de la Termodinámica clásica se debe
lograr que las pilas sean capaces de actuar en forma reversible, para lo cual es
indispensable que el proceso sea infinitamente lento. Lo que se hace es medir la
diferencia de potencial entre los electrodos de la celda electroquímica por el método
potenciométrico (voltímetro). Éste permite reducir la corriente que circula por la celda
electroquímica hasta un nivel para el cual se logre una aproximación adecuada al
comportamiento reversible (concepto de reversibilidad termodinámica). En estas
condiciones, la celda electroquímica se denomina pila.
Como se indica en la figura 5.1, la celda a estudiar consta de un electrodo de cinc
sumergido en una disolución de ZnSO4 y otro de cobre sumergido en una disolución de
CuSO4. Cuando los dos electrodos se unen (eléctricamente), una corriente eléctrica
circula de uno a otro, como puede observarse intercalando un amperímetro debido a que
existe una diferencia de potencial entre los dos electrodos. La reacción que da lugar a
esta fuerza electromotriz es:
Zn(s) + Cu+2(ac)  Zn+2(ac) + Cu(s)
G° = -212.6 KJ/mol
Dicha reacción se puede descomponer en dos partes, una que tiene lugar sobre el
electrodo de zinc: Zn(s)  Zn+2(ac) + 2 e; y otra que se presenta sobre el electrodo de
cobre: Cu+2(ac) + 2 e  Cu(s).
3.0 Material y equipo.
Material.
4 Vasos de precipitado de 100 mL.
50 ml de CuSO4 0.1M.
50 mL de ZnSO4 0.1M.
Barra de Zn.
Barra de Cu.
Papel filtro.
Disolución de NaCl saturada.
Equipo.
Voltímetro.
4.0 Técnica.
4.1 Preparación de las semiceldas.
4.1.1 Semicelda Cu+2/Cu.
4.1.1.1Introducir una barra u hoja de cobre limpio (previamente lijado), en unos 30 mL
de CuSO4 0.1M contenidos en un vaso de precipitado de 100 mL.
4.1.2 Semicelda Zn+2/Zn.
4.1.2.1 Introducir una barra de Zn limpio (previamente lijado) en unos 30 ml de ZnSO4
0.1M contenidos en un vaso de precipitado
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4.2 Montaje de la celda electroquímica y determinación del cambio de energía libre de
Gibbs.
4.2.1 Acondicionar un puente salino, humedeciendo una tira de papel filtro con una
disolución de NaCl saturada.
4.2.2 Preparar la celda uniendo el par de semiceldas con el puente salino (introducir cada
extremo en una de las semiceldas).
4.2.3 Medir la diferencia de potencial, con el voltímetro, entre los electrodos de las
semiceldas y anotar el resultado (colocar la terminal positiva del voltímetro al electrodo
de Cu y la terminal negativa al electrodo de zinc).
4.2.4 Estimar el cambio de energía libre de Gibbs de la reacción usando la ecuación 5.8.
5.0 Resultados.
Datos:
n = _______________
E = ________________
Cálculos:
G = - nFE = _____________________
6.0 Conclusiones y comentarios.
7.0 Bibliografía.
Número 5, 9, 10 y 11que corresponden a la sección de bibliografía de este manual.
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HOJA PARA ANOTACIONES
REPORTE DE LA PRÁCTICA
Nombre de la práctica: Determinación del cambio de energía libre de Gibbs de una
reacción química empleando una celda electroquímica.
Nombre del alumno: _________________________________ Fecha: _______________
Grupo: ________ Grado: _________ Equipo: _______ Carrera: __________________
70
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5.0 Resultados.
G = - nFE = _____________________ = ______________
6.0 Conclusiones y comentarios
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
________
_______________________________________________________________________
__
¿Alcanzaron los objetivos? Sí
No
Comentarios:___________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
______
_______________________________________________________________________
__
Nombre del instructor:
Firma:
Sello:
71
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LabFisicoquímicaI-04. Determinación de la entalpía de vaporización mediante el
modelo de Clausius y Clapeyron.
1.0 Objetivo
1.1 Estimar la entalpía de vaporización de un líquido mediante el modelo de Clausius y
Clapeyron.
2.0 Introducción.
La presión de vapor de un líquido puro es la presión a la cual el líquido está en equilibrio
con su vapor. Este equilibrio es dinámico; así el número de moléculas de líquido que se
evaporan es igual al número de moléculas de vapor que se condensan. La presión de
vapor del agua, es la presión ejercida por el vapor de agua contenido en un volumen de
aire saturado a la temperatura del aire contenido es ese volumen.
La presión de vapor de un líquido, es constante a una temperatura dada, pero aumenta si
lo hace la temperatura hasta llegar a la temperatura crítica (el punto crítico del líquido),
temperatura a la cual no existe líquido. El punto de ebullición normal de un líquido (Teb)
es la temperatura a la cual el líquido tiene una presión de vapor igual a 1atm.
La ecuación de Clausius y Clapeyron relaciona la presión de vapor con la temperatura:
dP

dT
dS
dV

Sv  Sl
Vv  Vl
(6.1)
Aquí Vv representa el volumen molar de l vapor y Vl el volumen del líquido. Debido a
que el cambio de entropía (S -S) de vaporización es un proceso reversible:
Sv  Sl 
H
v
(6.2)
T
Por lo tanto,
dP
dT

H v
T V g  V l 
(6.3)
72
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Donde Hv es el calor molar de vaporización y T la temperatura de ebullición. A
temperatura no muy próxima a la critica Vl es muy pequeña comparada con Vg y puede
despreciarse. Además si suponemos que el vapor se comporta esencialmente como un
gas ideal, entonces Vg viene dada por Vg = RT/ P y la ecuación anterior se transforma
en:
dP

dT
H v P
RT
(6.4)
2
De donde
dP

P
 H v dT
RT
(6.5)
2
Considerando que Hv es independiente de la temperatura:
ln P  
H v 1
R
b
T
(6.6)
Esta ecuación se conoce como la ecuación de Clausius-Clapeyron integrada. La cual
corresponde a la ecuación de una línea recta, donde la pendiente es
 H
v
y b la
R
intersección. P y T son la presión absoluta y temperatura absoluta respectivamente, R es
la constante de los gases y Hv es la entalpía molar de evaporación.
3.0 Material y equipo.
-
Vaso de precipitado de 1000 mL.
Plato caliente.
Termómetro de 0 °C -100 °C.
Probeta de 25 mL.
Barómetro.
Recipiente de 2-4 L
Hielo
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4.0 Técnica.
4.1 Determinación de la entalpía de vaporización del agua.
4.1.1. Llenar con agua una probeta de 25 mL con agua destilada hasta 80 % de su
capacidad total. Cubrir la parte superior de la probeta con la mano, invertirla e
introducirla lentamente dentro de un vaso de precipitados (1 L) lleno de agua. Dentro de
la probeta debe quedar atrapado un volumen de aire de aproximadamente 15 mL (Ver
Fig. 6.1).
4.1.2. Agregar al baño suficiente agua para asegurar que el volumen de aire dentro de la
probeta quede completamente rodeado de agua. Si es necesario utilizar un contrapeso,
pinzas y soporte o algún tipo de cinta adhesiva para mantener la probeta sumergida
durante todo el experimento.
4.1.3. Calentar el sistema con un mechero o un plato caliente hasta llegar a una
temperatura de 75 ºC. Observar lo que sucede dentro de la probeta.
4.1.4. En el momento que la temperatura del agua sea 75, registrar esta temperatura y el
volumen de aire dentro de la probeta. Suspender el calentamiento (apagar el mechero o
el plato caliente) para que el sistema se enfrié.
4.1.5. Dejar que se enfrié lentamente y registre los volúmenes de aire correspondientes
conforme vaya bajando la temperatura. Obtener lecturas para variaciones de volumen de
1 mL. Registrar los valores de temperatura y volumen en la tabla 6.1.
4.1.6. Continuar con las mediciones hasta llegar a 30 °C.
4.1.7. Agregar poco a poco hielo al agua para que la temperatura vaya disminuyendo
gradualmente, hasta llegar a una temperatura cercana a 0 °C.
4.1.8. Registrar el volumen del aire y la temperatura en este punto.
4.1.9. Anotar el valor de la presión atmosférica del lugar de trabajo.
4.1.10. Lavar el material y entregarlo.
4.1.11. Realizar los cálculos correspondientes.
4.2.1. Graficar ln P contra 1/T y estimar la pendiente.
4.2.2. A partir del valor de la pendiente obtenida calcule el valor de Hv
Fig. 6.1. Equipo experimental para determinar la entalpía de vaporización de un líquido.
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SUGERENCIAS:
- Utilizar la ecuación del gas ideal y con los datos de volumen y presión obtenidos a la
temperatura cercana a 0 °C, calculé el número de moles de aire presentes en el sistema.
- Con el número de moles de aire y la presión total del sistema, calcular a cada una de
las temperaturas registradas, el volumen que ocupa el aire dentro de la probeta. Registre
sus resultados en la cuarta columna de la Tabla 5.1.
- La fracción mol del aire (Yaire) en la mezcla se puede calcular por la división entre el
volumen de aire calculado y del volumen experimental medido del gas
- Con los valores de fracción molar del aire en la mezcla se puede calcular la presión
parcial del aire (Paire).
- Calcular la presión parcial del vapor de agua (Pvapor) por diferencia entre la Paire y la
presión total del sistema.
5.0 Resultados.
Tabla 5.1. Datos experimentales y cálculos
Resultados
Experimentales
Temp.
Vol.
(ºC)
(mL)
Cálculos
Temp.
(K)
Vol.
(mL)
calculado
Yaire
Paire
Pvap(H2O)
(mmHg)
1/T
(1/K)
ln (P)
6.0 Conclusiones y comentarios.
7.0 Bibliografía.
Número 4, 5, 12 y 13que corresponden a la sección de bibliografía de este manual.
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HOJA PARA ANOTACIONES
REPORTE DE LA PRÁCTICA
Nombre de la práctica: Determinación de la entalpía de vaporización mediante el
modelo de Clausius y Clapeyron.
Nombre del alumno: _________________________________Fecha:_______________
Grupo: ________ Grado: _________Equipo: _______Carrera: __________________
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5.0 Resultados.
Resultados obtenidos.
ln P (mm Hg)
1/T (K)
ln P (mm Hg)
1/T (K)
Entalpía de vaporización del agua Hv (H2O) = ________________J/mol
6.0 Conclusiones y comentarios
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
________
_______________________________________________________________________
__
¿Alcanzaron los objetivos? Sí
No
Comentarios:___________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
________
Nombre del instructor:
Firma:
Sello:
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3.0. Bibliografía
1.- J.E. Fernández y E. Galioni, “Trabajos prácticos de física”, Editorial Nigar, Buenos
Aires (1968).
2.- B.L. Worsnop y H.T. Flint, “Curso superior de física práctica”, Editorial EUDEBA,
Buenos Aires (1964); original inglesa de ed. Fethuen Co., Ltd. London (1957).
3.- S. Gil y E. Rodríguez, “Física recreativa”, Editorial Prentice Hall, Buenos Aires
(2001).
4.- Urquiza Manuel; “Experimentos de fisicoquímica”; 1ra. Reimpresión Monterrey, N.
L.; Ed. Limusa, SA; 1974.
5.- Gilbert W. Castellan, “Fisicoquímica”, Segunda edición, Editorial Addison-Wesley
Iberoamericana, Wilmington, Delaware, E. U. (1987)
6.- Raymon Chang, Química, , Editorial Mc Graw Hill, Sexta edición 1999.
7.- David P. Shoemaker Et al., Experiments in Physical Chemistry, Editorial Mc Graw
Hill, tercer edición 1974.
8.- Brown Lemay Bursten, “Química la Ciencia Central”, Editorial Prentice Hall,
séptima edición 1998.
9.- J. M. Smith, H. C. Van Ness, “Introducción a la Termodinámica en Ingeniería
Química”, Segunda edición, Editorial McGraw-Hill, México (1991).
10. - Allen J. Bard “Electrochemical Methods”, 2nd edition, John Wiley & Sons, E. U.
(2001).
11.- Carl H. Hamann, Andrew hamnett, Wolf Vielstich, “Electrochemistry”, 2nd edition,
WILEY-VCH, Weinheim (1998)
12.- Samuel H. Maron, Carl F. Prutton, “Fundamentos de fisicoquímica”, Ed. Limusa
Noriega, México DF. (1990)
13.- http://www.elprisma.com/quimica-general/presionliqu-%=
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4.0 Anexoss
4.1. Cuestionarios.
4.1.1. LabFisicoquímicaI-01.
1.- Realizar una gráfica del trabajo realizado (We) contra calor absorbido (Q).
2.- ¿Cuál es el valor de la pendiente de la recta que se obtiene?
3.- A esta pendiente se le conoce como equivalencia calor-trabajo, si el valor teórico es
de 4.184 J/cal ¿Que porcentaje de error se obtiene en su determinación?
4.- Define con tus propias palabras la primera ley de la termodinámica basándote en la
equivalencia calor-trabajo.
4.12. LabFisicoquímicaI-02.
1.- Defina los siguientes conceptos: a) Calor de reacción, b) Calor de formación, c)
Calor de disolución, d) Reacción exotérmica, e) Reacción endotérmica
2.- Explique la utilidad e importancia de conocer el calor desprendido o absorbido en
una reacción química.
3.- Utilizando el calor de reacción obtenido es esta práctica, calcule el calor desprendido
al neutralizar 2 L de HCl 1.2 M.
4.- Realice el cálculo teórico, para determinar el calor de reacción (neutralización)
desprendido cuando el H2SO4 se neutraliza con NaOH.
5.- Investigar la dependencia del calor de reacción con la temperatura.
4.1.5. LabFisicoquímicaI-03
1.- ¿Que significado tiene el cambio de energía libre de Gibbs de un sistema?
2.- ¿Cual es la utilidad de estimar el cambio de energía libre de Gibbs de una reacción
química?
3.- Compare el valor de Gobtenido experimentalmente con el valor reportado en
bibliografía.
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4.- Investigue la expresión que permite estimar constantes de equilibrio en reacciones
químicas utilizando el cambio de energía libre de Gibbs.
4.1.6. LabFisicoquímicaI-04
1.- Realizar una gráfica de Pvapor (mmHg) contra temperatura absoluta (K). También la
gráfica de ln Pvapor contra 1/T.
2.- Evaluar la pendiente de la recta
mediante la regresión lineal practicada
a los valores de la gráfica ln Pvapor contra 1/T. Calcular el valor de la entalpía de
vaporización.
3.- Comparar los valores de Pvapor (H2O) obtenidos experimentalmente contra los
reportados en las tablas de vapor y en datos de propiedades físicas y químicas en
bibliografías.
4.- ¿Qué gases se encuentran confinados en la parte superior de la probeta a lo largo del
experimento?
5.- ¿Cuál es el gas dentro de la probeta cuando la temperatura es de 0 °C? Justifique su
respuesta refiriéndose a la utilidad de determinar el volumen a 0 °C.
6.- ¿Cuál es la presión total de los gases que se encuentran en la parte superior de la
probeta durante el experimento?.
7.- ¿Mediante la ecuación de Clausius y Clapeyron también se puede calcular la entalpía
específica de sublimación?
8.- ¿Qué unidades tiene la pendiente de la ecuación de Clausius y Clapeyron?
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