UNIVERSIDAD NACIONAL

“SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO”

FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS, GEOLOGÍA Y

METALURGIA

ESCUELA ACADÉMICA: Ingeniería de Minas

AÑO Y SEMESTRE ACADÉMICO: 2014 – I

CICLO: III

DOCENTE: Ing. TORRES YUPANQUI Edson

ALUMNO: ANGELES DÍAZ Luis

HUARAZ – PERÚ

2014

INFORME DE LABORATORIO No 1 – Termodinámica

CALORIMETRÍA A PRESIÓN CONSTANTE

1. OBJETIVOS

Determinaremos:

- El calor específico de u metal.

- El calor de solución del cloruro de calcio (NaCl2)

- El calor de neutralización del ácido clorhídrico (HCl) e hidróxido de

sodio (NaOH)

2. FUNDAMENTO TEÓRICO

Cuando se calienta un material sólido este experimenta un aumento de

temperatura, indicando con ello que absorbe energía. La capacidad

calorífica es una propiedad que indica la capacidad de un material de

absorber calor de su entorno; representa la calidad de energía necesaria

para aumentar la temperatura en una unidad. En términos matemáticos, la

capacidad calorífica C puede expresarse como:

C= δQδT

Donde Q es la energía necesaria para producir un cambio T en la

temperatura. Normalmente, la capacidad calorífica se expresa por mol de

material (por ejemplo J/molK, cal/molK). A veces se utiliza el calor

específico (a menudo representado por c); éste representa la capacidad

calorífica por unidad de masa y tiene varias unidades (J/kgK, cal/gK).

Existen dos métodos para medir esta propiedad, según cuales sean las

condiciones del medio en que se realiza la trasferencia de calor. Uno es

medir la capacidad calorífica mientras se mantiene la muestra en volumen

constante, en este caso se representa por Cv; el otro es bajo presión

constante y se representa por Cp. la magnitud de Cpes siempre mayor que

Cv; sin embargo, esta diferencia es muy pequeña para la mayoría de los

materiales sólidos a temperatura ambiente e inferiores. Para las medidas

experimentales de la capacidad calorífica es necesario recordar que el

calor ganado debe ser exactamente igual al calor perdido, por esta razón

se debe conocer la capacidad calorífica del recipiente donde se efectúa la

medida puesto que también consume calor.

Denominamos calor de reacción a la cantidad de energía calorífica que el

sistema a de ceder o absorber para que la temperatura permanezca

constante durante todo el proceso de la reacción química. Si el medio

exterior recibe energía la reacción se denomina exotérmica y si el sistema

absorbe energía se llama endotérmica. Durante las reacciones químicas en

general los cambios caloríficos dependen de la naturaleza química de las

sustancias que participan en la reacción sea como reactivos o productos.

Los otros factores que los afectan son la concentración, la temperatura y la

presión.

Los calorímetros se utilizan para determinar el calor de una reacción. Y

esta se mide como su cambio de entalpía (∆ H ), ya que se efectúa de

preferencia a presión constante y su valor es igual a la diferencia de la

suma de las entalpías de los productos (∑ Hp) menos la suma de las

entalpías de los reactivos (∑ Hr).

∆ H=∑ Hp−∑ Hr

La entalpía molar de formación de los elementos es igual a cero en

condiciones estándar de presión (1 atm) y temperatura (25°C).

El cambio de entalpía de “n” moles de una sustancia puede medirse a

volumen constante (∆U ¿o (∆ E) y a presión constante (∆ H ¿.

∆U=qv=nCp∆T

∆ H=q p=nCv ∆T

De acuerdo con la Ley de Hess, los cambios de entalpía solo dependen del

estado final e inicial, mas no del camino seguido por la reacción. La

variación del calor o cambio de entalpía (H) de una reacción química

recibe denominaciones diferentes, según la naturaleza de la reacción:

Calor de neutralización, calor de ionización, calor de combustión, calor de

formación, calor de hidratación, calor de precipitación, etc.

La reacción de neutralización de un ácido fuerte con una base fuerte se

reduce a:

H 3O(ac)−¿+OH( ac)

−¿→2H 2O( l)¿ ¿

Términos que se mencionarán más adelante:

- Calor:

Interacción entre dos sistemas que no es en forma de trabajo, y que

modifica la energía del sistema. Por experiencia se conoce que la causa

de un flujo de calor es una diferencia de temperaturas entre dos

sistemas.

- Capacidad calorífica (C):

Llamamos capacidad calorífica de un sólido al calor necesario para

elevar en un grado la temperatura de una determinada cantidad de

materia (se mide en Joule/ºC o J/K).

- Capacidad calorífica molar (C ):

Una forma más útil de definir la capacidad calorífica es la que se refiere

a un mol; esto es, a la masa molar expresada en gramos. En

consecuencia, se define como la cantidad de calor que necesita un mol

de una sustancia para variar un grado.

- Calor específico (Ce):

Cuando dos o más cuerpos que tienen distintas temperaturas se ponen

en contacto térmico se observa que, al cabo de cierto tiempo, todos

ellos tienen la misma temperatura. Uno de los métodos para determinar

el calor específico de un cuerpo, es el método de las mezclas. Para ello

se ponen dos cuerpos en contacto térmico en el interior de un

calorímetro aislado térmicamente del medio exterior. Al no existir, o ser

muy pequeño el intercambio de calor con el medio exterior a través de

las paredes del calorímetro, la cantidad de calor cedida por el cuerpo

más caliente será igual a la absorbida por el cuerpo de menor

temperatura.

La ecuación correspondiente será:

Q1 + Q2 = 0 Q1 = - Q2

en donde se ha tenido en cuenta el signo de las cantidades de calor,

positivas cuando son absorbidas y negativas cuando son cedidas por

un cuerpo.

- Entalpía (H):

Llamada también contenido calórico, es una función de estado, que se

utiliza para tratar los cambios térmicos de las reacciones químicas que

se efectúan a presión constante.

- Calor de reacción (HR):

Cantidad de calor que se desprende o absorbe durante una reacción

química, esto se debe a la diferencia entre las entalpías de los

productos y reactantes a presión constante y temperatura definida.

Dentro de los calores de reacción se encuentran los calores de

formación, combustión, fusión, vaporización, sublimación, disolución,

neutralización, etc.

3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

3.1. Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro.

a. Colocamos en el calorímetro limpio y seco 125 ml de agua

destilada a la temperatura ambiente.

b. Enfriamos 125 ml de agua destilada con hielo hasta llegar a una

temperatura de 8º C, inmediatamente la introducimos al

calorímetro.

c. Cerramos herméticamente el calorímetro con el tapón que lleva

incorporado un termómetro.

d. Agitamos el calorímetro hasta que la temperatura e la mezcla

permanezca constante y registramos esta temperatura de

equilibrio.

e. Teniendo en cuenta que en un sistema adiabático debe

cumplirse:

q sist. cíclico = 0

q agua amb+ q agua helada + q cal = 0

f. Identificamos quién(es) cede(n) calor y quién(es) la

absorverá(n). Donde:

qagua=mCe (T f−T i )

qcal=C (T f−T i)

g. Con los resultados de las formulas anteriores podemos hallar la

capacidad calorífica del calorímetro (C) en J/°C o Cal/°C.

3.2. Determinación del calor específico de un metal.

a. En un calorímetro limpio y seco colocar 250 ml de agua,

registrando esta temperatura.

b. Pesamos 20g de granallas de zinc en la balanza analítica y la

ponemos en un tubo de ensayo.

c. Introducimos el tubo de ensayo en un vaso grande que contiene

2/3 de su volumen de agua.

d. Calentamos el agua hasta que hierva usando el calentador,

dejamos hervir el agua por unos 10 minutos y registrar la

temperatura del metal caliente (que es igual a la del agua

hirviendo).

e. Luego transferimos el metal (Zn) al calorímetro rápidamente, con

ayuda de las pinzas.

f. Cerramos el calorímetro y agitamos la mezcla por unos

segundos, hasta que la temperatura se vuelva constante, y la

registramos.

g. Con los datos medidos determinamos el calor específico del

metal en J/g °C o cal/g °C.

3.3. Determinación del calor de neutralización del HCl y NaOH.

a. En el calorímetro limpio y seco, colocamos 125 ml De NaOH

0.1M.

b. Por otro lado medimos 125 ml de HCl 0.1M en una probeta o

vaso.

c. Agitamos las soluciones hasta que ambas y separadas

adquieran la misma temperatura inicial, registramos.

d. Vertimos rápidamente el ácido sobre la base, tapamos el

calorímetro y agitamos continuamente.

e. Anotamos la temperatura más alta observada.

f. Considerando que la masa total de la solución es 250g (=

1g/ml) y que su calor específico es la unidad (Ce= 1

cal/grado.mol), calculamos el calor de neutralización en kJ o

Kcal y el calor molar de neutralización en kJ/mol de H2O o

Kcal/mol de H2O. (∆ H oQN ¿.

q sist. cíclico = 0

qsolución+qcalorímetro+qreacción=0

qreacción=−(q¿¿ solución+qcalorímetro)¿

∆H=QN=qreacciónnH 20

3.4. Determinación del calor de solución del cloruro de calcio.

a. En el calorímetro limpio y seco colocamos 250 ml de agua a la

temperatura ambiente, registramos esta temperatura.

b. Pesamos 5g de CaCl2 sólido y lo agregamos rápidamente al

calorímetro.

c. Cerramos el calorímetro y agitamos la mezcla por un minuto,

registramos la máxima temperatura.

d. Con los datos medidos determinamos el calor de solución del

cloruro de calcio en kJ o Kcal y el calor de solución molar en

kJ/mol o Kcal/mol

NOTA: Se Calcula el número de moles de CaCl2que fueron

agregados al calorímetro, identificando si el proceso de disolución es

endotérmico o exotérmico, teniendo cuidado en identificar quién

cede y quién absorbe calor

3.5. Determinación del calor latente de fusión

a) En un calorímetro introducimos 100 ml de agua tibia entre 40°C a

50°C (la cantidad de agua debe ser medida con exactitud) y

anotamos la temperatura como T1

b) Agregamos una masa de 30 a 40 g de hielo , tapamos el

calorímetro dejando en este el termómetro y agitamos hasta que

el hielo se funda

c) Leemos la temperatura y lo anotamos como Tm

d) Medimos todo la volumen dentro del calorímetro y así

determinamos la masa exacta del hielo

3.6. Determinación del calor latente de vaporización

a) En un calorímetro introducimos 100 ml de agua de caño (la

cantidad de agua debe ser medida con exactitud) y registramos

la temperatura como T1

b) Mientras tanto llenamos el matraz de destilación hasta la mitad

con agua de caño y le introducimos un pedazo de porcelana

para en el momento de ebullición esta sea tumultuosa.

c) Ponemos a hervir el matraz de ebullición y cuando el agua

hierbe introducimos el tubo de desprendimiento dentro del

calorímetro

d) Agitamos el agua contenida en el calorímetro y al observar que

la temperatura de esta se incrementa en un 20 a 25 °C respecto

a T1 y retiramos el tubo de desprendimiento de vapor y

anotamos como Tm

e) Medimos cuidadosamente el volumen del agua del calorímetro y

restamos el volumen inicial del agua 100ml y obtenemos la masa

del vapor.

4. CÁLCULOS Y RESULTADOS

4.1. Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro “Ccal“

Capacidad del calorímetro: 250 ml

Volumen del agua a temperatura ambiente: V1 = 125 mlm = 125 g

Temperatura del agua al ambiente: T1 = 19º C

Volumen del agua helada: V2 = 125 ml

Temperatura del agua helada: T2 = 8º C

Temperatura de la mezcla: T3 = 13,8º C

Sabemos: q sist. cíclico = 0

q agua amb+ q agua helada + q cal = 0

Remplazamos:

q agua amb+ q agua helada + q cal = 0

- 650 cal + 725 cal - 5.2 Ccal= 0

Ccal= 14.423 cal/°C

4.2. Determinación del calor específico de un metal

Capacidad del calorímetro: 250 ml

Volumen del agua: V1 = 125 mlm = 125 g

Temperatura del agua: T1 = 19º C

Masa del metal: M Zn = 19.86 g

Volumen del agua helada: V2 = 125 ml

Temperatura del metal caliente: T2 = 90º C

q agua amb = m x Ce x ( T f – T i )

q agua amb = 125 g x 1 cal/goC x (13.8 – 19)o C

q agua amb = - 650 cal

q agua hel = m x Ce x ( T f – T i )

q agua hel = 125 g x 1 cal/goC x (13.8 – 8)o C

q agua hel = 725 cal

q cal = Ccal x ( T f – T i )

q cal = Ccal x (13.8 – 19)o C

q cal = - 5.2Ccal

Temperatura de la mezcla: T3 = 20º C

Sabemos: q sist. cíclico = 0

Ccal= 14.423 cal/°Cq metal + q agua + q cal = 0

Reemplazamos

q metal + q agua + q cal = 0

250 cal + 14.423 cal = 1 410.06 CeZn

0.188 cal/goC = CeZn

En el CeZn y haciendo uso de la Ley de Dulong y Petal, se puede

calcular la MA del ZN.

4.3. Determinación del calor de neutralización del HCl y NaOH.

Reacción química de neutralización

HCl (ac) + NaOH (ac) NaCl (ac) + H2O (l)

q agua = m x Ce x ( T f – T i )

q agua = 250 g x 1 cal/goC x (20 – 19)o C

q agua = 250 cal q cal = Ccal x ( T f – T i )

q cal = 14.423 cal/°C x (20 – 19)o C

q cal = 14.423 calq metal = m x Ce x ( T f – T i )

q metal = 19.86 g x Ce x (19 – 90)o C

q metal = - 1 410.06 Ce

MA Zn x CeZn 6.3 cal/at-goC

MA Zn x 0.188 cal/goC = 6.3 cal/at-goC

MA Zn = 33.51

Nota: Consideramos a la solución que resulta de la reacción de

neutralización como si solo fuese AGUA.

q sist. cíclico = 0

q reac+ q sol + q cal = 0

q reac = - (q sol + q cal)

Reemplazamos:

q reac = - (500 cal + 28.846 cal)

q reac = - 528.846 cal

Calculamos el calor molar del H2O

Qn=∆ H°n=qreacciónnH 2O

NaOH

V = 125 ml

[NaOH ] = 0.1 M

T1 = 19oC

HCl

V = 125 ml

[HCl] = 0.1 M

T2 = 19oC

Temperatura de reacción: T3 = 21oC

q sol = m x Ce x ( T f – T i )

q agua = 250 g x 1 cal/goC x (21 – 19)o C

q agua = 500 cal

q cal = Ccal x ( T f – T i )

q cal = 14.423 cal/°C x (21 – 19)o C

q cal = 28.846 cal

NaOH

V = 125 ml = 0.125 l

[NaOH ] = 0.1 M

[NaOH ]=nv

n=[NaOH ]×V

n=0,1mol/ l ×0,125 l

n=0,0125molde NaOH

1 molNaOH 1mol H2O

0.0125 mol NaOH X

X = n H2O = 0.0125 mol H2O

Reemplazando:

Qn=−528.846cal0.0125mol

=−42307.68cal /mol

4.4. Determinación del calor de solución del CaCl2

Volumen de agua: V = 250 ml.

M = 250 g

Masa del CaCl2.2H2O: M CaCl2.2H2O = 5.0952 g

Temperatura del agua: T1 = 18°C

Temperatura de la mezcla: T2 = 19°C

q sist. cíclico = 0

q sol + q agua + q cal = 0

q sol = - (q agua + q cal)

q agua + CaCl2 = m x Ce x ( T f – T i )

q agua + CaCl2 = 255.0952 g x 1 cal/goC x (17 – 16)o C

q agua + CaCl2 = 255.0952 cal

q cal = Ccal x ( T f – T i )

q cal = 14.423 cal/°C x (19 – 18)o C

q cal = 14.423 cal

Reemplazando:

q reac = - (14.123 cal + 255.0952 cal)

q reac = - 269.5182 cal

Calculamos el calor molar de la solución:

Qnsolución=qsolución

n2 H2O.CaCl2

n2 H 2O.CaCl2=mM

=5.0952g116 gmol

=0,0349moles

Qnsoluci ón=−269.5182cal0,0349mol

=−7722.58 calmol

nH 2O= 250g18g /mol

=13.89mol de H 2O

2H 2O .CaCl2+13.89H 2O (l )→CaCl2(15.89H 2O)

∆ H °S=−7722.58 calmol

calmol

Entonces deducimos que es una reacción exotérmica, en la cual el

agua (solvente) absorbe calor y el cloruro de calcio (soluto) cede

calor

4.5. Calor latente de Fusion (Lf )

Capacidad del calorímetro: 250 mlVolumen del agua: V1 = 100 mlMasa de hielo = 30 gTemperatura del agua: T1 = 48º C Temperatura de equilibrio: Tm = 23º C

Volumen del hielo: V = 27 mlTemperatura de la mezcla: T2 = 46º C

Ce=0.5 cal / g °C

Ccal= 14.423 cal/°C

Qg = Q1 + Q2 Qp = m1 * Cc*(T1 - Tm)

Q1 = m2 * Lf Qp = 100 * 14.4*(48 - 23)

Q1 = 27 ml * Lf Qp = 36000 cal

Q2 = m2 * Ce*(Tm - 0)

Q2 = 27 * 0.5 *(23 - 0)

Q2 =310.5 cal

Qg =Qp

(27 * Lf ) + 310.5 cal = 36000cal

Lf = 1.321 kcal

4.6. Calor latente de evaporización

Lv=(m1∗Cc ) (Tm−T 1 )−m2(T 2−Tm)

m2

Lv=(100∗14.42 ) (23−19 )−9 (40−23)

9

Lv=0.6238kcal

5. RECOMENDACIONES

Es necesario contar con equipos en buen estado, de esta forma los errores

en los cálculos son mucho menores.

Manejar en proporciones adecuadas los reactivos, para mejores

resultados.

Las temperaturas calculadas, deben ser lo más precisas posible.

Tener un buen orden de ejecución de pasos para evitar malos cálculos.

6. REFERENCIAS BIBLIOGÁRAFICAS

E. DAVIS Joseph y otros, Manual de laboratorio para química:

experimentos y teoría, Editorial REVERTÉ, 1977, Barcelona.

UNIVERSIDAD TECNOLÓGIA NACIONAL Facultad Regional rosario,

Archivo en PDF, de:

http://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/quimica/1_anio/quimigeral/

TERMOQUIMICA.pdf

GÓMEZ ACEBO Tomás, Termodinámica, Editorial Tecnun, 2005, Archivo

en PDF, de:

http://dspace.unav.es/dspace/bitstream/10171/5185/4/Termodinamica-

UnivNavarra.pdf

ESCUELA POLITÉCNICA DE INGENIERÍA DE MINAS Y ENERGÍA, Calor

específico de un sólido y un líquido, determinación del equivalente en agua

del calorímetro, de:

http://ocw.unican.es/ensenanzas-tecnicas/fisica-ii/practicas-1/Prac06.pdf

Energías de las Reacciones químicas, Archivo en PDF, de:

http://www.ieslaaldea.com/documentos/fisicayquimica/bloquev.pdf

Propiedades Térmicas, Archivo en PDF, de:

http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r7713

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7. CUESTIONARIO

Brayan Huajalsaico Cespedes 122.0802.425

a. Enumere los objetivos específicos del experimento:

Determinar la capacidad calorífica del calorímetro.

Determinar el calor específico de un metal.

Determinar el calor de neutralización del ácido clorhídrico e

hidróxido de sodio.

Determinar el calor de solución del cloruro de calcio.

Calor latente de fusión y evaporización

b. Defina reacción exotérmica y endotérmica.

- Reacción Exotérmica: Se denomina reacción exotérmica a cualquier reacción química que desprenda energía, ya sea como luz o como calor, o lo que es lo mismo: con una variación negativa de la entalpía.

- Reacción Endotérmica: Se denomina reacción endotérmica a cualquier reacción química que absorbe energía. Si hablamos de entalpía (H), una reacción endotérmica es aquella que tiene un incremento de entalpía o ΔH positivo.

c. ¿Qué es un proceso adiabático? Dé un ejemplo.

En termodinámica se designa como proceso adiabático a aquél en el cual el

sistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor

con su entorno. Un proceso adiabático que es además reversible se conoce

como proceso isentrópico. El extremo opuesto, en el que tiene lugar la máxima

transferencia de calor, causando que la temperatura permanezca constante,

se denomina como proceso isotérmico.

Ejemplos:

La temperatura adiabática de llama, que es la temperatura que podría

alcanzar una llama si no hubiera pérdida de calor hacia el entorno.

En climatización, los procesos de humectación (aporte de vapor de

agua) son adiabáticos, puesto que no hay transferencia de calor, a

pesar que se consiga variar la temperatura del aire y su humedad

relativa.

d. Si se tienen 2 calorímetros similares y solo se determina la

capacidad calorífica de uno de ellos. ¿Se podría decir que la

capacidad calorífica el otro es la misma? ¿Por qué?

Si son muy similares (los mismos materiales, con idénticos volúmenes

e idéntico ensamblaje) se podría anticipar que tienen la misma

capacidad calorífica.

Pero si solo son similares, en cambio a nosotros en el laboratorio cada

grupo usó un calorímetro diferente con la tapa de tecnopor (mismo

material pero diferentes volúmenes y diferente ensamblaje), en este

caso las capacidades caloríficas no serán iguales y es comprobable

con los resultados.

e. Si las entalpías de formación estándar para los iones Zn+2 y Cu+2 a

partir de los metales zinc y cobre son respectivamente: -36.34 y

15.39 Kcal/mol. Calcular el cambio e entalpía para la reacción:

Zn+Cu+2→Zn+2+Cu

Entonces:

Zn(s )→Zn+2….∆ Hf=−36,34 Kcalmol

Cu+2→Cu(s)….∆Hf=−15,39 Kcalmol

Entonces: ∆ H=−51,73Kcal /mol