“EQUIVALENCIA CALOR TRABAJO”

Profesor: M. en C. Gerardo Omar Hernández Segura

Departamento de Fisicoquímica

Laboratorio de Termodinámica

Universidad Nacional Autónoma de MéxicoFacultad de Química

Universidad Nacional Autónoma de MéxicoFacultad de Química

OBJETIVO:Que el alumno reflexione sobre los cambios y transformaciones energéticas, que aplique la Primera Ley de la Termodinámica para determinar experimetalmente el equivalente mecánico del calor.

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¿QUÉ ES TRABAJO?

Es la transferencia de energía en la frontera de al menos dos sistemas en contacto, entre los cuales hay un desequilibrio mecánico entre sí.

Es la transferencia de energía en la frontera de al menos dos sistemas en contacto, entre los cuales hay un desequilibrio mecánico entre sí.

PA PB

PA > PB

PA PB

PA = PB

PROCESO

Convención de signos para W:Convención de signos para W:

W > 0 los alrededores hacen trabajo sobre el sistemaW< 0 el sistema hace trabajo sobre los alrededoresW = 0 no hay trabajo entre el sistema y los alrededores

W > 0 los alrededores hacen trabajo sobre el sistemaW< 0 el sistema hace trabajo sobre los alrededoresW = 0 no hay trabajo entre el sistema y los alrededores

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TRABAJO Y SUS VARIEDADES

Tipo de trabajo: δW Donde: Unidades δW (J)

Expansión-compresión −PopdV Pop es la presión de oposicióndV es el cambio de volumen

Pam3

Superficial σda σ es la tensión superficialda es el cambio de área

N/mm2

Longitudinal fdl f es la tensióndl es el cambio de longitud

Nm

Eléctrico υdq υ es la diferencia de potencialdq es la variación de carga

VC

TRABAJO ELÉCTRICO: TRABAJO ELÉCTRICO:

ENERGÍA QUE DESARROLLA UNA CARGA ELÉCTRICA SOMETIDA BAJO LA ACCIÓN DE UN CAMPO ELÉCTRICO AL MOVERSE ENTRE 2 PUNTOS

ENERGÍA QUE DESARROLLA UNA CARGA ELÉCTRICA SOMETIDA BAJO LA ACCIÓN DE UN CAMPO ELÉCTRICO AL MOVERSE ENTRE 2 PUNTOS 1 V = 1 J/C 1 V = 1 J/C

elecW qυ=0

q

elecW dqυ= ∫

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James Prescott Joule Midió la cantidad de energía mecánica que se convierte completamente en una cantidad de calor que se mide.

James Prescott Joule Midió la cantidad de energía mecánica que se convierte completamente en una cantidad de calor que se mide.

EXPERIMENTO DE JOULE

pérdida de energía mecánica

pérdida de energía mecánica

= masa de las pesasmasa de las pesas

xaceleración de la gravedad

aceleración de la gravedad

xaltura desde la que caen las pesas

altura desde la que caen las pesas

W (Joules)W (Joules)

ganancia de energía térmica

ganancia de energía térmica

= masa del aguamasa del agua

calor específico del agua

calor específico del agua

aumento de la temperatura del agua

aumento de la temperatura del agua

Q (calorías)Q (calorías)

La conversión entre la energía mecánica y la energía térmica permanecía constante, es decir:

La conversión entre la energía mecánica y la energía térmica permanecía constante, es decir:

W = J Q

J = 4.184 J/cal J = 4.184 J/cal

El agua absorbe el calor y aumenta su energía interna

El agua absorbe el calor y aumenta su energía interna

BALANCE DE ENERGÍA

=

x x =

W JQ=

W mgh=

Q mc t= ∆

W Qµ

/J W Q=

¿QUÉ ES LA ENERGÍA INTERNA?

Es la energía que tiene el sistema, involucrando a los átomos que lo componen y sus constituyentes (electrones, protones, neutrones), así como sus comportamientos (vibración, rotación, translación, etc.) de forma individual o como parte de agregados químicos (retículas, moléculas, etc.)

Es la energía que tiene el sistema, involucrando a los átomos que lo componen y sus constituyentes (electrones, protones, neutrones), así como sus comportamientos (vibración, rotación, translación, etc.) de forma individual o como parte de agregados químicos (retículas, moléculas, etc.)

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA:

Sistema cerrado:Sistema cerrado:

Alrededores:Alrededores:

Universo:Universo:

sisU∆Q

W

alrU∆

univ sis alrU U U∆ = ∆ + ∆sis sis sisU Q W∆ = +

alr alr alrU Q W∆ = +

alr sisQ Q= − alr sisW W= − sis sis sis

alr sis sis

U Q W

U Q W

∆ = +∆ = − −

0univ sis alrU U U∆ = ∆ + ∆ =0univ

univ

U

U cte

∆ ==

¿Qué es la constante de calorímetro?

Es la capacidad térmica del vaso Dewar junto con sus accesorios (termómetro, tapón de hule, plástico).

Es la capacidad térmica del vaso Dewar junto con sus accesorios (termómetro, tapón de hule, plástico).

¿Para qué se determina la constante del calorímetro?

Para calcular la cantidad de calor que absorbe o cede el calorímetro

Para calcular la cantidad de calor que absorbe o cede el calorímetro

10

Vaso Dewar Vaso Dewar

1)

• Depositar 100 mL de agua fría (temperatura ambiente) en el Dewar

• Esperar a que se alcance el equilibrio térmico (Dewar-agua)

• Registrar temp. durante 5 min (tH2O,f)

1)

• Depositar 100 mL de agua fría (temperatura ambiente) en el Dewar

• Esperar a que se alcance el equilibrio térmico (Dewar-agua)

• Registrar temp. durante 5 min (tH2O,f)

2)

Calentar 400 mL agua hasta que alcance su temperatura de ebullición

2)

Calentar 400 mL agua hasta que alcance su temperatura de ebullición

3)

Tomar 100 mL de agua caliente y registrar su temperatura (tH2O,c)

3)

Tomar 100 mL de agua caliente y registrar su temperatura (tH2O,c)

4)

• Añadir los 100 mL de agua caliente al Dewar

• Registrar el tiempo de mezclado

• Registrar temperatura de la mezcla durante 5 min (teq)

4)

• Añadir los 100 mL de agua caliente al Dewar

• Registrar el tiempo de mezclado

• Registrar temperatura de la mezcla durante 5 min (teq)

Vaso Dewar Vaso Dewar

MÉTODO DE MEZCLAS:MÉTODO DE MEZCLAS:

Determinación de la constante del calorímetroMétodo de mezclas

DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DE CALORÍMETRO

Método de mezclasMétodo de mezclas

2 2 2 2 2 2

2

, , , ,

,

( ) ( )

( )

− − − −=

−H O c H O eq H O c H O f H O eq H O f

eq H O f

m c t t m c t tK

t t

ganado cedidoQ Q= −

2 2, ,H O f K H O cQ Q Q+ = −

( ) ( ) ( )2 2 2 2 2 2 2, , , , ,H O f H O eq H O f eq H O f H O c H O eq H O cm c t t K t t m c t t− + − = − −

21 cal/gºCH Oc =

12

Tiempo (min)

tH2O,f

teq

Tem

per

atu

ra (

ºC)

Tiempo de mezcladoTiempo de mezclado

• Vaciar al gráfico los datos experimentales

• Trazar en papel milimétrico las mejores rectas posibles para las temperaturas registradas antes y después del mezclado

• Identificar el tiempo en que ocurrió la mezcla

• Extrapolar ambas rectas hasta el tiempo de mezclado

• Determinar tH2O, f y teq

tH2O,f = temp. del agua fría y del Dewar antes del mezclado

teq = temperatura de equilibrio

• Vaciar al gráfico los datos experimentales

• Trazar en papel milimétrico las mejores rectas posibles para las temperaturas registradas antes y después del mezclado

• Identificar el tiempo en que ocurrió la mezcla

• Extrapolar ambas rectas hasta el tiempo de mezclado

• Determinar tH2O, f y teq

tH2O,f = temp. del agua fría y del Dewar antes del mezclado

teq = temperatura de equilibrio

tH2O,c ≥ 80ºC tH2O,c ≥ 80ºC

DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DEL CALORÍMETRO

■

■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■

■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

Experimento Equivalencia Calor - TrabajoExperimento equivalencia calor-trabajo

“La circulación de electricidad a través de un conductor produce calor. Por el principio de conservación de energía, la energía eléctrica (Welec) consumida por la resistencia debe ser igual a la energía térmica producida, la cual es absorbida por el agua y el calorímetro(Qabs)”

“La circulación de electricidad a través de un conductor produce calor. Por el principio de conservación de energía, la energía eléctrica (Welec) consumida por la resistencia debe ser igual a la energía térmica producida, la cual es absorbida por el agua y el calorímetro(Qabs)”

Donde:Donde:

elec absW JQ=

2abs H O KQ Q Q= +

( )2 2 2H O H O H O f iQ m c T T= − ( )K f iQ K T T= −

Trabajo eléctricoTrabajo eléctrico

Oposición al paso de la corriente a través de un conductor

Oposición al paso de la corriente a través de un conductor

Como:

Ley de Ohm:Ley de Ohm:

Intensidad de corriente (A):Intensidad de corriente (A):

Voltaje (V):Voltaje (V):

Resistencia eléctrica (Ω):Resistencia eléctrica (Ω):

Pero: elecW I tυ=2

elecW tR

υ=

RIυ = /I Rυ=

qI

t= q It=

/PE qυ = ∆

elecW qυ=

/I q t=

IR

υ=

Tabla 1. Registro de Datos TécnicosTabla 1. Registro de Datos Técnicos

Tabla 2. Equivalencia Calor-TrabajoTabla 2. Equivalencia Calor-Trabajo

Magnitudes:

Voltaje (volts)

Resistencia (ohms)

tiempo (s)

Welec (J)

Ti (ºC)

Tf (ºC)

∆T = Tf − Ti (ºC)

QH2O

(cal)

QK (cal)

Qabs (cal)

J = Welec/Qabs

(J/cal)5

10

15

etc.

Promedio de J:

Datos experimentales: llenado de las tablas

2

elecW tR

υ=2abs H O KQ Q Q= +

( )2 2 2H O H O H O f iQ m c T T= − ( )K f iQ K T T= − 2

1 cal/gºCH Oc =

16

Qabs

Welec

Determinación del equivalente calor-trabajo

Al hacer una gráfica de Welec (J) vs Qabs (cal) la pendiente será el equivalente calor-trabajo J = 4.184 Joules/caloría

Al hacer una gráfica de Welec (J) vs Qabs (cal) la pendiente será el equivalente calor-trabajo J = 4.184 Joules/caloría

Calcular el %Error a partir del valor teórico y el valor obtenido de la regresión lineal

Calcular el %Error a partir del valor teórico y el valor obtenido de la regresión lineal

Qabs (cal)W

elec

(J)

..

. . . . . . .elec absW JQ=

y =mx+b

0b =m J=

Por su atención¡Gracias!

e-mail: omar.termo@hotmail.com

Profesor: M. en C. Gerardo Omar Hernández Segura

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