Universidad Centroamericana
José Simeón Cañas
Depto. Ciencias energéticas y fluídicas
Termodinámica I
Manual de laboratorio
de termodinámica I
San Salvador, El Salvador.
Las prácticas de este manual, están basadas en el sistema “glass jacket” (camisa de vidrio) de PHYWE.
Aplicaciones y características.
La camisa de vidrio (fig 1) constituye el componente central de un sistema de aplicación muy versátil en el campo de la técnica experimental físico-química. Por ejemplo, los sistemas de aparatos siguientes pueden ser realizados utilizando insertos (elementos complementarios) especiales:
Jeringa de gas calentable (toma-muestras de pistón) para deducir las leyes de los gases y las masas moleculares por el método de presión de vapor (Victor Meyer).
Aparato de destilación de vapor de agua que necesita una única fuente de calor. Generador de gas de capacidad mediana.
Eudiómetros calentables para la investigación volumétrica de reacciones entre gases. Cromatógrafo de gases para demostrar el principio de construcción del cromatógrafo y para separar mezclas de sustancias.
Diversos accesorios de vidrio que pueden ser introducidos en la camisa de vidrio, permitiendo una unión hermética con la misma, pueden ser utilizados para constituir dichos aparatos:
jeringa para gases 100 ml. inserto calorimétrico.
cámara de separar el polvo para purificción del humo. inserto de destilación para la camisa de vidrio.
eudiómetro de pistón calentable. eudiómetro inmóvil calentable. columna de separación de gases.
Descripción.
La camisa de vidrio está constituida por un cuerpo cilíndrico (1) de vidrio Duran que resiste al calor, y cuyas dimensiones son: diámetro 75 mm, largo 155 mm. Un extremo está constituido por una manga de unión grande (2) que permite la introducción con cierre hermético de todos los accesorios especiales (todos los accesorios deben tener un diámetro exterior de 36 mm). Un anillo (3) con paso de rosca exterior fijado a la manga permite atornillar el anillo de unión (4). La función de este último es asegurar la manga de unión con cualquier accesorio, utilizando un empaque de caucho de Silicio (5), que sella la junta de la manga. Además, la camisa de vidrio posee tres mangas de unión de vidrio más pequeñas, (7, 8 y 9). La manga (7), sirve para hermetizar el sistema cuando se realizan experimentaciones. Las mangas de unión (8) y (9), son
utilizadas para introducir termómetros o tubos de vidrio (diámetro 8 mm) o para llenar la camisa de líquido de calefacción, por ejemplo agua.
Además, la manga de unión (8) tiene un bulbo de unión (10) para tubos flexibles de caucho que permite por ejemplo a un líquido espumante desbordarse a un vaso de vidrio.
Hay aplicaciones que exigen la obturación hermética de las mangas de unión (7, 8 y 9), sin que pase ningún fluido por las mangas. En este caso, la tapa de unión es reemplazada por una tapa de cierre (sin orificio). El bulbo (10) puede ser cerrado mediante una capa de caucho.
Utilización del equipo
Montaje de la base:
El montaje de la base se debe realizar de la siguiente manera: Poner la base (H) dejando la marca PHYWE en la parte superior.
Colocar las varillas de acero verticalmente en las esquinas, derecha e izquierda de la base, sujetándolos con sus respectivos tornillos sujetadores.
Atornillas las nueces sujetadoras en cada varilla de acero. Colocar la pinza universal en cada una de las nueces.
Montaje del “glass jacket”:
La introducción en la camisa de vidrio se lleva a cabo según los pasos siguientes:
Destornillar el anillo de unión (4) de la camisa de vidrio e insertarlo sobre la jeringa, dejando la cara sin paso de rosca hacia delante.
Introducir la jeringa en la camisa de vidrio, haciendo pasar el tubo de unión a través de la manga de unión (7). La tapa de unión debe ser aflojada, para ello no es necesario quitarla completamente. Ajustar la tapa de unión de manera de asegurar una unión hermética.
Empujar el anillo de junta (5) uniformemente al final de la jeringa junto con el anillo de unión (4), de modo de obtener una unión perfectamente hermética, y enroscar el anillo de unión sobre el anillo con paso de rosca (3). Asegurarse que los pasos de rosca estén correctamente alineados antes de ajustarlos; deben engranarse sin dificultad (si fuera necesario, volver a aflojar el anillo de unión y reajustar el anillo de junta).
Colocar el empaque en la manga (7), junto con su respectivo tapón.
Abrir la tapa de la manga (9) y colocar un embudo, para luego proceder a verter la silicona en el glass jacket. Se debe llenar el glass jacket hasta que cubra totalmente la jeringa, para evitar derrames por la expansión de la silicona.
Ley de Boyle-Mariotte
Conceptos relacionados
Presión, temperatura, volumen, coeficiente de compresibilidad cúbica, ecuación de estado para gases ideales, constante universal de los gases, ley de Boyle y Mariotte.
Principio
El estado de un gas esta determinado por la temperatura, la presión y la cantidad de sustancia. Para el caso límite de un gas ideal, estas variables están relacionadas entre si por la ecuación general de los gases ideales, la cual toma la forma de la ley de Boyle-Mariotte en el caso de un proceso isotérmico.
Problema
Investigar experimentalmente la validez de la ley de Boyle-Mariotte para una cantidad constante de sustancia (aire). Calcule el coeficiente de compresibilidad cúbica.
Equipo
1 glass jacket 1 pinza universal con juntura
1 jeringa para gas, 100 ml 1 tubo de vidrio con una salida, l = 80 mm
1 manómetro digital 1 adaptador reductor 8/4 mm, de un paso
1 termómetro digital 1 clip para tubería
1 punta de inmersión, NiCr-Ni 1 tubería de silicona d = 2 mm
1 base H 1 tubería de silicona d = 7 mm
2 varillas de acero, l = 250 mm 1 agua destilada, 5 l
3 nueces 1 embudo
2 pinzas universales
Montaje y procedimiento
Monte el aparato de acuerdo a la parte descrita en utilización de equipo (ver figura para mayor seguridad). Colocar un par de gotas de silicona al pistón, por medio de la varilla
de vidrio. Introducir el pistón en al jeringa y girarlo hasta uniformizar la capa de silicona en la superficie del pistón. Colocar el pistón en la posición de 50ml, que será el volumen inicial de la practica (se toma de referencia la escala de debajo de la jeringa). Conectar el cable negro en el manómetro (verificar que la flecha indicadora del cable quede en la parte superior). Insertar el tubo de silicona de (2mm) al cable del manómetro en la boquilla (A) la cual mide presiones absolutas). La otra punta del tubo de silicona será conectada a la manga (7).
Instalar la termocupla al termómetro digital y encenderlo colocándolo en el 1 (para trabajar con un decimal). Ubicar la termocupla en la manga (9). Tomar la lectura del valor de temperatura. Sacar la termocupla y limpiarla. Encender el barómetro y tomar la lectura.
Realizar 10 mediciones de volumen tomando como datos iniciales la presión absoluta a 50ml. Hacer 4 mediciones cada 5ml a compresión. Hacer 5 mediciones cada 5ml a expansión. Para cada medición tomar la lectura de volumen y presión.
Todas las mediciones se tienen que hacer sin soltar el pistón.
Teoría y evaluación
El estado de un gas es una función de las variables de estado temperatura T, presión P y de la cantidad de sustancia n, las cuales recíprocamente se determinan unas a otras. Así, la dependencia del volumen respecto a la temperatura, la presión y la cantidad de sustancia es descrita por la diferencial total
dn n V dP P V dT T V dV P T n T n P, , , ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ =
Análogamente lo siguiente es cierto para los cambios de presión en función de los cambios de temperatura, volumen y cantidad de sustancia:
dn n P dV V P dT T P dP V T n T n V, , , ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ =
Para nuestro caso, estas relaciones se simplifican debido a que utilizamos una cantidad de sustancia constante (dn = 0) y temperatura constante (dT = 0)
dP P V dV n T , ∂ ∂ = dV V P dP n T , ∂ ∂ =
Las diferenciales parciales (∂P/∂T)T,n y (∂P/∂V)T,n corresponden geométricamente a las
pendientes de las funciones V = f(P) y P = f(V) y por lo tanto, dependen del curso del experimento, caracterizando la mutua dependencia entre la presión y el volumen. El
grado de esta dependencia esta determinado por el volumen inicial o por la presión
inicial. Definimos consecuentemente el coeficiente de compresibilidad cúbica χ0
refiriéndose a un volumen V, que podría ser V0 para T0 = 273.15 K.
n T P V V0 , 0 1 ∂ ∂ − = χ
Para el caso límite de un gas ideal (presión suficientemente baja, temperatura suficientemente alta), la correspondencia entre las variables de estado P, V, T y n es descrita por la ecuación térmica o general de estado:
PV = nRT, (R: constante universal de los gases)
Para el caso de cantidad de sustancia constante y proceso isotérmico, la ecuación se reduce a:
PV = constante P = (constante) (1/V)
Acorde a esta ecuación determinamos empíricamente por Boyle-Mariotte, el incremento de presión que acompaña a un decremento de volumen y viceversa.
Datos cálculos y resultados
Construya los siguientes gráficos: P (abs) contra V
P(man) contra (1/V) Log P(abs) contra log V
Para la primera gráfica encontrar la ecuación de la recta por el método de los mínimos cuadrados.
Para los dos últimos gráficos, aplicar la correlación de mínimos cuadrados para una línea recta y ajustar los datos a ella. Graficar las ecuaciones resultantes.
Del segundo gráfico encuentre la pendiente y el intercepto en Y. De acuerdo a la teoría, el valor negativo del intercepto en Y debería ser igual a la presión atmosférica. Compare este valor experimental con la lectura del barómetro digital (valor teórico), calculando el porcentaje de error.
Calcule el coeficiente de compresibilidad cúbica, tomando en cuenta que:
n T P V , ∂ ∂
Inverso de la pendiente de la gráfica 1 (Presión vrs volumen) Vo: es el volumen inicial.
Ley de Charles
Conceptos relacionados
Presión, temperatura, volumen, coeficiente de tensión térmica, ecuación de estado para gases ideales, constante universal de los gases, ley de Ammontons.
Principio
El estado de un gas esta determinado por la temperatura, la presión y la cantidad de sustancia. Para el caso límite de un gas ideal, estas variables están relacionadas entre si por la ecuación general de los gases ideales, la cual toma la forma de la ley de Charles en el caso de un proceso isométrico (a volumen constante).
Problema
Investigue experimentalmente la validez de la ley de Ammontons para una cantidad constante de sustancia (aire). De las relaciones resultantes calcule la constante universal de los gases y el coeficiente térmico de tensión
Equipo
1 jeringa para gas, 100 ml imán
1 aparato de calentamiento agitador magnético
1 regulador de potencia tubo de vidrio, l = 80 mm
1 manómetro digital embudo
termocupla, NiCr-Ni adaptador reductor 8/4 mm, de un paso
base H clip para tubería
varillas de acero, l = 250 mm tubería de silicona d = 2 mm
nueces tubería de silicona d = 7 mm
pinzas universales Aceite de motor
pinza universal con juntura silicone líqudo para baño de
Montaje y procedimiento
Monte el aparato de acuerdo a la parte descrita en utilización de equipo (ver figura para mayor seguridad). Colocar un par de gotas de silicona al pistón, por medio de la varilla de vidrio. Introducir el pistón en al jeringa y girarlo hasta uniformizar la capa de silicona en la superficie del pistón. Colocar el pistón en la posición de 50ml, que será el volumen inicial de la practica (se toma de referencia la escala de debajo de la jeringa). Conectar el cable negro en el manómetro (verificar que la flecha indicadora del cable quede en la parte superior). Insertar el tubo de silicona de (2mm) al cable del manómetro en la boquilla (A) la cual mide presiones absolutas). La otra punta del tubo de silicona será conectada a la manga (7). Instalar la termocupla al termómetro digital y encenderlo colocándolo en el 1 (para trabajar con un decimal). Ubicar la termocupla en la manga (9). Tomar la lectura del valor de temperatura. Colocar manguera transparente en el bulbo de unión (10) y este colocado en un beaker por posible derrame de silicona.
Colocar el pistón en el valor inicial de 50ml y cerrar el sistema colocando el tubo de silicona de (7mm) en la manga (7). Tomar lectura de temperatura y presión a ese volumen, las cueles serán las condiciones iniciales de la práctica.
Después, el aparato de calentamiento es conectado y calentado lentamente a través del ajuste del regulador de potencia.
Realizar 10 mediciones cada 5 °C de incremento (Girar el pistón para que no se pegue en las paredes y uniformizar la temperatura del fluido con el imán). Cada vez que la temperatura se incremente 5°C lleve rápidamente el pistón de la jeringa hasta el volumen inicial. Lea la presión interna resultante y la temperatura exacta, y anote estos datos.
Nota: Tener cuidado a la hora de la práctica con las altas temperaturas. Teoría y evaluación
El estado de un gas es una función de las variables de estado temperatura T, presión P y de la cantidad de sustancia n, las cuales recíprocamente se determinan unas a otras. Así, la dependencia de la presión respecto a la temperatura, al volumen y la cantidad de sustancia es descrita por la diferencial total
dn n P dV V P dT T P dP V T n T n V, , , ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ =
Para nuestro caso, estas relaciones se simplifican debido a que utilizamos una cantidad de sustancia constante (dn = 0) y cambio de estado isocórico (dV = 0)
dT T P dP n V , ∂ ∂ =
La diferencial parcial (∂P/∂T)V,n corresponden geométricamente a la pendiente de la
Definimos consecuentemente el coeficiente térmico de tensión β0 referido a una presión
P, que podría ser P0 para T0 = 273.15 K.
∂ ∂ = T P P0 0 1 β
que podría leerse como la variación de la presión respecto a la temperatura por unidad de presión de referencia.
Para el caso límite de un gas ideal (presión suficientemente baja, temperatura suficientemente alta), la integración de la ecuación diferencial resulta para β0 constante:
P = P0(1 + β0(T – T0)) = P0(1 + β v) o T P T P = 0 0
De acuerdo a esta relación, la cual fue descubierta por Charles y Ammontons, la representación gráfica de la presión como función de la temperatura resulta en una línea recta incluyendo el par (0 K, 0 bar) obteniéndose:
V nR P T P n V = = ∂ ∂ 0 0 , β
Datos cálculos y resultados
Hacer una gráfica de P (abs) vrs T (abs) ya linearizada y escribir su ecuación. Encontrar el valor de R para los distintos valores de P y T. Así:
Calcular el número de moles de aire usando la siguiente ecuación
T PV T V P T V P m m = = 1 1 1 0 0 0 Po = 1013 mbar To = 273.15 K Vmo = 0.02241 m³ /mol
P1 y T1 son los 10 datos de la práctica.
Despejar Vm Ni = Vo / Vm
Encontrar el número de moles de aire del promedio de los números de moles obtenidos en cada serie de datos.
Con los siguientes datos de T: 1- 500K 6- 3000K 2- 1000K 7- 3500K 3- 1500K 8- 4000K 4- 2000K 9- 4500K 5- 2500K 10- 5000K
Sustituirlos en la ecuación linearizada para obtener 10 datos de presión absoluta.
Después sustituir el valor del volumen, los 10 datos de T y de P (abs) en la ecuación de gases ideales.
Con los 10 datos de R, graficar T (elevadas) vrs R
Tomar el valor más cercano a la asuntota y calcular el % de error: tomando como valor práctico este valor de R y el valor teórico hay que investigarlo en la literatura.
Calcular el coeficiente térmico de tensión βo tomando Po = 1013 mbar
n V T P , ∂ ∂
, es la pendiente del gráfico P(abs) vrs T(abs)
Comparar mediante porcentaje de error el valor obtenido (valor práctico) con el valor
