Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas. Departamento de formación básica. Laboratorio de Termodinámica de las sustancias puras. Practica 8: Determinación de la espontaneidad de la fusión de una sustancia pura. Fecha: 8 de octubre del 2019 Grupo: 1IM22 Equipo: 8 sección A Calificación: Integrantes del Equipo: Casique Carrillo Alejandro. León Aguilar Metztlixochitl Elizabeth. Martínez Soto Uriel. Ramón Chávez José de Jesús. OBJETIVOS: A través de un experimento, utilizando en calorímetro cenco a presión constante, el estudiante obtendrá datos de masa y temperaturas, para calcular la variación de entropía total del proceso de fusión de hielo y determinar si dicho proceso es espontaneo. DIAGRAMA DE BLOQUES: Mide la temperatura ambiente Destapa el calorimetro y agrega cubos de hielo y agitar hasta que se fusione el hielo Regresa el agua contenida en el calorimetro a la probeta y midela Pesa el vaso interior del calorimetro incluyendo el agitador Tapa y agita verticalmente durante 30 seg y anota la temperatura Limpia el calorimetron con una franela Mide 170 ml de agua Introduce el agua en le vaso del calorimetro TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES: Temperatura (𝑡𝑎𝑚𝑏 ) (en °C) Masa del aluminio (𝑀𝐴𝑙 )𝑒𝑛 𝑔 24 36.6 Volumen del Temperatura Temperatura agua inicial Inicial final (𝑉𝐴𝑔𝑢𝑎 )𝑒𝑛 𝑚𝑙 (𝑡𝑖 ) 𝑒𝑛 °𝐶 (𝑡𝑓 ) 𝑒𝑛 °𝐶 170 23 3 Volumen de agua final (𝑉𝑓 ) 𝑒𝑛 𝑚𝑙 231 CALCULOS Y RESULTADOS: 1) Completa la siguiente tabla con la información obtenida en la práctica anterior. n (Agua inicial) = 9.42188 mol Cpm de agua = 𝐽 75.28284𝑚𝑜𝑙𝐾 TF = 276.15K Cp (Agua de fusión) = 𝐽 75.17298 TI=296.15K Tamb=297.15K 𝑚𝑜𝑙𝐾 n Al = 1.35 mol Cpm (Aluminio) = 𝐽 23.95304 𝑚𝑜𝑙𝐾 Q latente de fusión 𝐽 =174533.9586 𝑚𝑜𝑙𝐾 n (Agua de fusión) =29.0793 mol Q= 166259.0417 J 2) Calcula la variación de entropía del agua en el agua inicial (∆𝑺 𝑨𝒈𝒖𝒂): ∆𝑆 𝐴𝑔𝑢𝑎 = (𝑛 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙)(𝐶𝑝 𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎) (𝑙𝑛 = (9.42188 mol) (75.28284 = −𝟒𝟖. 𝟔𝟒𝟖𝟓 𝑇𝐹 ) 𝑇𝐼 𝐽 276.15𝐾 ) (𝑙𝑛 ) 𝑚𝑜𝑙𝐾 296.15𝐾 𝑱 𝑲 3) Calcula la variación de entropía del Aluminio (∆𝑺 𝑨𝒍𝒖𝒎𝒊𝒏𝒊𝒐): 𝑇𝐹 ) 𝑇𝐼 𝐽 276.15𝐾 = (1.35𝑚𝑜𝑙) (23.95304 ) (𝑙𝑛 ) 𝑚𝑜𝑙𝐾 296.15𝐾 ∆𝑆 𝐴𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜 = (𝑛 𝐴𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜)(𝐶𝑝𝑚 𝐴𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜) (𝑙𝑛 = − 𝟐. 𝟐𝟔𝟏𝟎𝟒 𝑱 𝑲 4) Calcula la variación de entropía por la fusión del hielo (∆𝑺 𝑭𝒖𝒔𝒊ó𝒏): ∆𝑆 𝐹𝑢𝑠𝑖ó𝑛 = 𝑄 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 𝐹𝑢𝑠𝑖ó𝑛 174533.9586J = 𝑇 𝐹𝑢𝑠𝑖ó𝑛 273.15𝐾 = 𝟔𝟑𝟖. 𝟗𝟔𝟕𝟒𝟓 𝑱 𝑲 5) Calcula la variación de entropía del agua de fusión del hielo (∆𝑺 𝑨𝒈𝒖𝒂 𝒅𝒆 𝒇𝒖𝒔𝒊ó𝒏): ∆𝑆 𝐴𝑔𝑢𝑎 𝐹𝑢𝑠𝑖ó𝑛 = (𝑛 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛)(𝐶𝑝 𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛) (𝑙𝑛 = (29.0793 mol) (75.17298 𝑇𝐹 ) 273.15𝐾 𝐽 276.15𝐾 𝑱 ) (𝑙𝑛 ) = 𝟐𝟑. 𝟖𝟕𝟕𝟔𝟔 𝑚𝑜𝑙𝐾 273.15𝐾 𝑲 6) Calcula la variación de entropía del sistema (∆𝑺 𝑺𝒊𝒔𝒕𝒆𝒎𝒂): ∆𝑆 𝑆𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = ∆𝑆 𝐴𝑔𝑢𝑎 + ∆𝑆 𝐴𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜 + ∆𝑆 𝐹𝑢𝑠𝑖ó𝑛 + ∆𝑆 𝐴𝑔𝑢𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛 𝐽 = (−48.6485 − 2.26104 + 638.96745 + 23.87766) 𝐾 = 𝟔𝟏𝟏. 𝟗𝟑𝟓𝟓𝟕 𝑱 𝑲 7) Calcula la variación de entropía de los alrededores (∆𝑺 𝑨𝒍𝒓𝒆𝒅𝒆𝒅𝒐𝒓𝒆𝒔): ∆𝑆 𝐴𝑙𝑟𝑒𝑑𝑒𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 = −𝑄 −166259.0417 = 𝑇𝑎𝑚𝑏 297.15𝐾 = −𝟓𝟓𝟗. 𝟓𝟏𝟐𝟏 𝑱 𝑲 8) Calcula la variación de entropía total (∆𝑺 𝑻𝑶𝑻𝑨𝑳): ∆𝑆 𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = ∆𝑆 𝑆𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 + ∆𝑆 𝐴𝑙𝑟𝑒𝑑𝑒𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 = (= 𝟔𝟏𝟏. 𝟗𝟑𝟓𝟓𝟕 − 𝟓𝟓𝟗. 𝟓𝟏𝟐𝟏) = 𝟓𝟐. 𝟒𝟐𝟑𝟒 𝑱 𝑲 𝐽 𝐾 TABLA DE RESULTADOS Variación de la entropía del agua inicial ∆𝑆 𝐴𝑔𝑢𝑎 = 𝑱 −𝟒𝟖. 𝟔𝟒𝟖𝟓 𝑲 Variación de la entropía del sistema ∆𝑆 𝑆𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = 𝑱 𝟔𝟏𝟏. 𝟗𝟑𝟓𝟓𝟕 𝑲 Variación de la entropía del aluminio ∆𝑆 𝐴𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜 = 𝑱 −𝟐. 𝟐𝟔𝟏𝟎𝟒 𝑲 Variación de la entropía de los alrededores ∆𝑆 𝐴𝑙𝑟𝑒𝑑𝑒𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 = 𝑱 −𝟓𝟓𝟗. 𝟓𝟏𝟐𝟏 𝑲 Variación de la entropía de la fusión del hielo ∆𝑆 𝐹𝑢𝑠𝑖ó𝑛 = 𝑱 𝟔𝟑𝟖. 𝟗𝟔𝟕𝟒𝟓 𝑲 Variación de la entropía del agua de fusión del hielo ∆𝑆 𝐴𝑔𝑢𝑎 𝑑𝑒 𝐹𝑢𝑠𝑖ó𝑛 = 𝑱 𝟐𝟑. 𝟖𝟕𝟕𝟔𝟔 𝑲 VARIACIÓN DE LA ENTROPÍA TOTAL 𝑱 ∆𝑺 𝑻𝑶𝑻𝑨𝑳 = 𝟓𝟐. 𝟒𝟐𝟑𝟒 𝑲 CUESTIONARIO GUÍA PARA EL ANÁLISIS DE RESULTADOS 1. Con respecto a la variación de la entropía del agua inicial, del aluminio, de la fusión del hielo y del agua de fusión de hielo ¿qué signo tienen? ¿Es correcto? ¿Por qué? R= La variación de entropía del agua inicial y del aluminio tienen signo negativo debido a que el aluminio y el agua inicial transfieren parte de su energía (calor) al hielo, lo que influye en menor grado de entropía (desorden). La variación de entropía de la fusión del hielo y del agua de fusión del hielo son positivas debido al proceso contrario; donde el hielo, así como el agua de fusión proveniente de éste, adquieren calor del agua inicial y del aluminio conforme la ley cero de la termodinámica y de esta forma aumentan la entropía de sus moléculas para pasar de estado sólido a líquido. 2. ¿Qué indican los valores de entropía que obtuviste con respecto al calor? ¿Qué indican con respecto al orden de las moléculas del agua y del aluminio? R=En la entropía de fusión el calor es el calor latente que provoca la fusión del hielo a la temperatura de fusión y el signo positivo quiere decir que el hielo aumentará la entropía o desorden de sus moléculas para lograr cambiar de estado sólido a estado líquido, y el agua de fusión aumentará su desorden molecular para estar en equilibrio con el agua inicial. En la entropía de los alrededores el calor se toma como signo negativo indicando que es el calor tomado de los alrededores, y al hacer la división entre la temperatura ambiente el signo resulta negativo, lo que quiere decir que la entropía de los alrededores disminuyó para aumentar la del sistema, y así no se viola la segunda ley de la termodinámica conforme a la entropía total (entropía del universo). Conforme a esto también se puede afirmar que las moléculas del aluminio, consideradas en los alrededores, perderán cierto grado de desorden. 3. Considerando que en esta práctica el sistema es agua hielo, ¿Qué signo resulta en la variación de entropía del sistema? ¿qué significa? R=El signo es positivo porque el hielo absorbe una cantidad de calor del agua y los alrededores, lo cual resulta en un proceso irreversible ya que en estas condiciones el hielo no podría “devolver” dicho calor. 4. Con respecto a la variación de entropía total, ¿Qué significa si es cero? ¿Qué signo te dio y qué significa? ¿Es posible que sea negativa?, por qué? R= Cuando la entropía total es cero quiere decir que el proceso es reversible y también adiabático, es decir, que no hubo una transferencia de calor. El signo obtenido fue positivo, debido a que el proceso es irreversible y no se considera adiabático ya que también se toma calor del aluminio, que no está dentro del sistema. Si el valor fuera negativo querría decir que el proceso es imposible, que no se puede realizar conforme a las leyes naturales, por lo cual el valor no puede ser menor a cero. 5. ¿Se cumplieron los objetivos de la práctica? ¿Por qué lo consideras así? R=Si, porque aprendimos a emplear el calorímetro obtuvimos datos de masas y temperaturas para calcular la entropía total de un proceso, la cual resultó ser de un proceso irreversible y espontáneo (real) por lo que deducimos que la experimentación la hicimos de manera satisfactoria. CONCLUSIÓN Para el cálculo de las variaciones de energía en un proceso real se debe tener en cuenta que la entropía depende del estado en que se encuentra el sistema. La variación de entropía puede indicar el grado de desorden de las moléculas del sistema, así como la dirección del mismo y si el proceso es reversible o no. En la práctica realizada se tomó un sistema agua-hielo, donde el hielo fue el captador de energía (calor) por lo que la entropía aumentó para el hielo (aumento de desorden de las moléculas). Podemos concluir que la práctica fue satisfactoria ya que se cumplieron los objetivos de la misma al obtener los valores de masa y volumen necesarios y realizar los cálculos adecuadamente para demostrar que el proceso efectuado del sistema agua-hielo fue un proceso irreversible real o espontáneo.
