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Manual de laboratorio de termodinámica I

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Universidad Centroamericana

José Simeón Cañas

Depto. Ciencias energéticas y fluídicas

Termodinámica I

Manual de laboratorio

de termodinámica I

San Salvador, El Salvador.

Introducción


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).

Calorímetro para medir la entalpía de reacción de sólidos, líquidos y gases.

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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

4


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.

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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.

Insertar el anillo de junta (5) también sobre la jeringa, con la cara más ancha primero.

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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.

Insertar la varilla de vidrio en la manga (9) y ajustarlo.

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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

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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.

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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

dnnVdP

PVdT

TVdV

PTnTnP ,,,

∂∂

+

∂∂

+

∂∂

=

Análogamente lo siguiente es cierto para los cambios de presión en función de los

cambios de temperatura, volumen y cantidad de sustancia:

dnnPdV

VPdT

TPdP

VTnTnV ,,,

∂∂

+

∂∂

+

∂∂

=

Para nuestro caso, estas relaciones se simplifican debido a que utilizamos una cantidad

de sustancia constante (dn = 0) y temperatura constante (dT = 0)

dPPVdV

nT ,

∂∂

=

dVVPdP

nT ,

∂∂

=

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

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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.

nTPV

V ,00

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

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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:

nTPV

,

∂∂ Inverso de la pendiente de la gráfica 1 (Presión vrs volumen)

Vo: es el volumen inicial.

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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

calentamiento

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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.

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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

dnnPdV

VPdT

TPdP

VTnTnV ,,,

∂∂

+

∂∂

+

∂∂

=

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)

dTTPdP

nV ,

∂∂

=

La diferencial parcial (∂P/∂T)V,n corresponden geométricamente a la pendiente de la

función P = f(T) que caracterizan la dependencia de la presión respecto a la

temperatura. El grado de esta dependencia esta determinado por la presión inicial.

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Definimos consecuentemente el coeficiente térmico de tensión β0 referido a una presión

P, que podría ser P0 para T0 = 273.15 K.

∂∂

=TP

P00

1β

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 TP

TP

=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:

VnRP

TP

nV

==

∂∂

00,

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

TPV

TVP

TVP mm ==

1

11

0

00

Po = 1013 mbar

To = 273.15 K

Vmo = 0.02241 m³ /mol

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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

nVT

P

,

∂∂ , es la pendiente del gráfico P(abs) vrs T(abs)

Comparar mediante porcentaje de error el valor obtenido (valor práctico) con el valor

βo = 3.661x10 ^ -3 (1/K) (valor teórico)

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