Laboratorio Nº4 Fisicoquímica

Universidad Católica Boliviana Docente: Mgr. Gabriela Chirobocea Cochabamba, Bolivia Lab. De Fisicoquímica

Practica Nº5Determinación de calor de vaporización

(Método del calorímetro)

1. Introducción.-

Fundamento Teórico

Cuando una sustancia cambia de fase se producen cambios de calor relativamente considerables a temperatura constante. Cuando una fase líquida pasa a fase vapor con su presión de vapor a temperatura constante se debe agregar cierta cantidad de calor.El Calor latente de vaporización es la cantidad de energía, en forma de calornecesaria para pasar de un líquido saturado a vapor saturado, a presión y temperatura constante y se define con la siguiente fórmula:ΔHv = Hv –Hl Donde Hv es la entalpia del vapor saturado y Hl es la entalpia del líquido saturado, medidas las dos entalpias a la misma temperatura. Estos valores se encuentran tabulados.

Punto de Ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido se iguala a la presión atmosférica existente sobre dicho líquido. A temperaturas inferiores al punto de ebullición , la evaporación tiene lugar únicamente en la superficie del líquido. Durante la ebullición se forma vapor en el interior del líquido, que sale a la superficie en forma de burbujas. Cuando el liquido es una sustancia simple o una mezcla azeotropica, continua hirviendo mientras se le aporte calor, sin aumentar la temperatura; esto quiere decir que la ebullición se produce a una temperatura y presión constantes con independencia de la cantidad de calor aplicada al liquido. Cuando se aumenta la presión sobre un líquido, el punto de ebullición aumenta. El agua, sometida a una presión de 1 atmosfera (101.325 pascales), hierve a 100 °C, pero a una presión de 217 atmosferas el punto de ebullición alcanza su valor máximo, 374 °C. Por encima de esta

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temperatura, (la temperatura critica del agua) el agua en estado líquido es idéntica al vapor saturado.Al reducir la presión sobre un líquido, baja el valor del punto de ebullición. A mayores alturas, donde la presión es menor, el agua hierve por debajo de 100 °C. Si la presión sobre una muestra de agua desciende a 6 pascales, la ebullición tendrá lugar a 0 °C.En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpia por cada grado de variación corresponde a la capacidad calorífica del sistema a presión constante. El término de entalpia fue acunado por el físico alemán Rudolf J.E. Clausius en 1850. El calor molar de vaporización, definido como la energía necesaria para vaporizar un mol de un líquido, es una medida de las fuerzas intermoleculares que se ejercen en un líquido. Si la atracción intermolecular es fuerte, se necesita mucha energía para liberar a las moléculas de la fase líquida. Por consiguiente, el líquido tiene una presión de vapor relativamente baja, un punto de ebullición alto y un elevado calor molar de vaporización. Las unidades de medida son: BTU/lb; BTU/lbmol; Cal/g; cal/gmol; kJ/kg; kJ/kmol

Para que una molécula de una cierta sustancia pase de la fase liquida a la fase vapor tiene que superar una cierta barrera energética. Por ese motivo, para que un líquido a la temperatura de ebullición se vaporice es necesario darle una cierta energía (W). Si esa energía se le da a través de una resistencia eléctrica por la que circula una corriente (I), a una diferencia de potencial (V), el calor cedido al agua en un tiempo (t) es (I ×V × t). Si a lo largo de este tiempo se evapora una masa m de agua, la entalpia de vaporización ΔH, es: ΔH = I ×V ×t /mDonde:ΔH= entalpia de vaporizaciónI= intensidad de corriente (amper)V= voltaje (voltios)t= tiempo (min)m= masa de agua (g).Se supone que no existen perdidas y que el agua se encuentra a la temperatura de ebullición.

2. Objetivos.-

Determinar la entalpía de vaporización de agua a partir de balance de energía.

3. Materiales y Equipos

Equipo de destilación (balón de 500 ml, cabeza de

destilación, condensador,

termómetro, manqueras de refrigeración)

mufla

2 soportes universales con pinzas con nuez

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Multímetro y cables de conexión

2 probetas de 25 ml

2 probetas de 100 ml

2 cronómetros

Termómetro

Termómetro diferencial

Vaso de precipitación de 1L

4. ProcedimientoMétodo 2:1) Fijar el caudal de agua de refrigeración a un valor de 100ml/min, tal medición la realizamos alrededor de 3 veces y observamos que la temperatura del agua de refrigeración es de aproximadamente de 21 grados C y las velocidades oscilan entre 12 y 14,53 segundos en llegar al caudal de 100 ml

2) Armamos el equipo de destilación con 350 ml de agua y perlas de ebullición en el balón de destilación, bastante parecido al que ilustramos en la siguiente gráfica.

3) Procedemos a encender la manta calefactora y abrimos el agua de refrigeración con el caudal de salida establecido. El calentamiento lo iniciamos a una temperatura bastante baja que es suave y controlada, todo esto es para prevenir formación violenta del vapor y la temperatura del vapor es de 91,5 grados centígrados esta temperatura puede variar de acuerdo a las condiciones del equipo, del ambiente y manipulación de los equipos

4) Medir el caudal del condensado y la temperatura; tales mediciones las realizamos en un total 3 veces, cada vez que el caudal aumentaba su volumen en 2,5 ml en un rango de 2,5 ml a 7,5 ml, para poder realizar dichas mediciones tuvimos que esperar el calentamiento del equipo, para que el equipo de destilación actué de forma correcta y así conseguimos medir el volumen de condensado recogido en la probeta de 25 ml cada minuto. El caudal de condensado reflejo rangos entre 1 a 5 min durante las 3 mediciones que se realizaron que cumplen medianamente los rangos de la guía que nos indicaba que debía estar entre 2-4 ml/min.

5) Medimos la temperatura de salida de agua de refrigeración (colectando agua de refrigeración en un vaso de precipitación de 1L, que en las 3 mediciones de 2,5 ml, 5 ml y 7,5 ml fueron de 21 grados centígrados manteniéndose la temperatura constante durante todo este proceso.De igual forma la temperatura de entrada fue de 20 grados centígrados en lo que observamos que la temperatura de entrada y de salida las Temperaturas son constantes.

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6) Está de más decir que se realizó 3 mediciones a 2,5 ml, 5 ml y 7,5ml y en base a estos datos sacamos un promedio de cada variable utilizada durante la experimentación, estos datos se encuentran reflejadas en la tabla que se presenta más abajo.

Nº medic. Tºvapor Tcond. Caudal

cond.Caudal

liq. Refrig.Tº salida liq.refrig

Tºentrada liq.refrig.

1 91,5°C 25,6°C 21,0°C 20°C

2 91,5°C 25,6°C 21,0°C 20°C

3 91,5°C 25,6°C 21,0°C 20°C

Promedio 91,5°C 25,6°C

21,0°C 20°C

7) Procedemos a Calcular el ΔHv y comparamos con el valor de tablas. Y en base a estos resultados veremos la forma de justificar y evaluar los mismos.

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Cuestionario1-Como varía el calor de vaporización con la temperatura, la presión y la naturaleza de las fuerzas intermoleculares?

En función a la Temperatura_ El calor de vaporización varia con la temperatura, si baja la vaporización se necesita más calor sin variar temperatura, con la temperatura critica el calor de vaporización en cero.

En función a la Presión_Como en un gas las moléculas están en movimiento, la fuerza de bombardeo ejercida sobre cada unidad de superficie de las paredes del recipiente de cristal o del instrumento de medida, cerrado.Abierto = presión atmosférica_Cuando un líquido a una temperatura dada el número de moléculas de vapor que entran al líquido es igual a las que salen del mismo_Se alcanza un estado de equilibrio y no aumenta el valor_Si aumenta la temperatura aumenta la concentración de vaporCuando la presión de vapor es igual a la atmosférica el vapor ocupa el 100% del espacio por encima del líquido NO ESTA DILUIDO.

Naturaleza de las Fuerzas IntermolecularesMientras las fuerzas intermoleculares son mayores, mayor es el calor de vaporización, es decir se requiere más energía para separar las moléculas.Dado a que el agua tiene un punto de ebullición elevado, debe tener fuerzas intermoleculares (fuertes, débiles) y una entalpia de vaporización (alta, baja).2-Que es un líquido saturado y un líquido subenfriado? Líquido saturado se dice que el líquido está saturado si al agregar energía (calor), una

fracción de él pasa a la fase vapor. A presión ambiente (1 bar) esto ocurre a los 100ºC de temperatura. La energía agregada produce un cambio de fase y es un aporte de calor latente.

Líquido subenfriado: Un líquido esta subenfriado cuando está en estado líquido por debajo de su punto de fusión a esa presión. Dirás que por definición es imposible, obviamente, no se trata del líquido puro, sino del líquido con sustancias disueltas en él. El agua salada del mar es un buen ejemplo, en las zonas polares, hay zonas líquidas ( otras que no) y el agua líquida puede estar fácilmente a -3º C, eso es por la propia sal .

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3-Que es un vapor saturado y un vapor sobrecalentado? El “vapor saturado” es vapor a la temperatura de ebullición del líquido. Es el vapor que si desprende cuando el líquido hierve. Se obtiene en calderas de vapor. El vapor se utiliza en multitud de procesos industriales difícil de señalar de un vistazo, pues interviene en procesos físicos, químicos i otros, en la obtención de múltiples elemento. También es el método mas efectivo y e menor costo para esterilizar la mayoría de los objetos de uso hospitalario, mediante autoclaves. Se utiliza el vapor saturado a presión atmosférica en la hidro-destilación, que son procesos donde por ejemplo: se obtiene el aceite esencial de una planta aromática. En labores de limpieza con vapor. En la pasteurización de alimentos y bebidas, etc. en sistemas de calefacción central urbana, etc.El “vapor sobrecalentado” es vapor de agua a una temperatura mayor que la del punto de ebullición. Parte del vapor saturado y se le somete a un recalentamiento con el que alcanza mayor temperatura. También se obtiene en las calderas de vapor pero tienen secciones de recalentamiento para el vapor haciendo pasar el vapor que se obtiene en la ebullición por tubos expuestos a los gases calientes del proceso de combustión. Se obtiene para mover maquinas (de pistones y turbinas). Aunque también se ha usado el vapor saturad, el sobrecalentado tiene ventajas, así que se usa en locomotoras de vapor (con muy pequeño grado de recalentamiento), accionamiento de barcos, generación eléctrica en centrales termoeléctricas, tanto convencionales como nucleares llamadas ciclos combinados. También se utilizan en varios procesos industriales como por ejemplo el de secado de la madera, destilación.

4-Que son los diagramas T-V, P-V?

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Nótese el carácter ascendente que tiene la línea de presión constante de izquierda a derecha, ya que en el diagrama P-v, ésta no sube sino que baja.A la línea que pertenece a la campana y baja hacia la izquierda del punto crítico la podemos llamar línea de líquido saturado, y a la línea que baja hacia la derecha del punto crítico la podemos llamar línea de vapor saturado.Es importante mencionar que la campana está formada por los puntos de líquido saturado y de vapor saturado de infinitas líneas de presión constante, de modo que el que se presenta en el gráfico es solo un caso particular a cierta T y P determinadas.

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Diagrama T-VEn este diagrama se pueden apreciar inicialmente tres regiones: la región de líquido comprimido, que es la región a la izquierda de la campana, la región de vapor sobrecalentado que es región a la derecha de la campana y la región de Líquido + Vapor saturados que es aquella que se halla dentro de la campana. La que se encuentra marcada como línea de P constante es toda la línea que comienza en la región de líquido comprimido, pasa por dentro de la campana y termina en la región de vapor sobrecalentado. No es solo el último segmento sino la línea completa.

Diagrama P-TEste diagrama también se conoce como diagrama de fase porque es posible identificarlas al estar separadas por tres líneas. La línea de sublimación es la que separa la fase sólida de la fase vapor, la de vaporización separa la fase líquida de la fase vapor y la línea de fusión separa la fase sólida de la fase líquida. Nótese que hay una desviación en la línea de fusión dependiendo de si la sustancias se expande o se contrae al congelarse.Las tres líneas antes mencionadas convergen en el punto triple, el cual es el estado en el cual las tres fases de una sustancia pueden coexistir en equilibrio, es un estado donde se puede tener hielo, líquido y vapor al mismo tiempo.


5-Cual es la diferencia entre entalpia y entropía?

ENTROPÍAEn termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es una magnitud física que, mediante cálculo, permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos.

ENTALPIALa Entalpía es la cantidad de energía de un sistema termodinámico que éste puede intercambiar con su entorno. Por ejemplo, en una reacción química a presión constante, el cambio de entalpía del sistema es el calor absorbido o desprendido en la reacción. En un cambio de fase, por ejemplo de líquido a gas, el cambio de entalpía del sistema es el calor latente, en este caso el de vaporización. En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpía por cada grado de variación corresponde a la capacidad calorífica del sistema a presión constante. El término de entalpía fue acuñado por el físico alemán Rudolf J.E. Clausius en 1850. Matemáticamente, la entalpía H es igual a U + pV, donde U es la energía interna, p es la presión y V es el volumen. H se mide en julios.H = U + pVCuando un sistema pasa desde unas condiciones iniciales hasta otras finales, se mide el cambio de entalpía ( Δ H).ΔH = Hf – Hi

Conclusiones Se observa que el calor latente depende de las condiciones del ambiente en donde se

desarrollan las pruebas, y si observamos que la variables termodinámicas se comportan cuantitativamente, y deben tener un comportamiento relativo o cercano a los datos de las tablas.

Se pudo comprobar que a través de un gran cuidado y realización del proceso de forma correcta se puede obtener el resultado correcto, la obtención de un valor

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Diagrama P-VEn comparación con el diagrama T-v, este diagrama tiene dos grandes diferencias. La primera es que la línea que era de presión constante pasa a ser una línea de temperatura constante, y la segunda, que dicha línea desciende de izquierda a derecha en lugar de ascender.


cercano al real o teórico dependerá, por ende, de la correcta calibración del calorímetro, de la precisión en las mediciones y del error asociado al observador.

Bibliografía

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