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LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA Determinación experimental de los coeficientes térmicos Práctica No. 4 Realizado por: Cajas, Cristina; Castillo, Fabricio; Castro, Joselin I. Resumen En esta práctica de laboratorio se llevó a cabo un procedimiento para determinar como incrementaba el volumen en función de la temperatura manteniendo la presión constante, con los datos tabulados se obtuvo el valor del coeficiente de dilatación para el alcohol etílico y se comparó con el que se encuentra en la bibliografía para encontrar el porcentaje de error que se presenta por motivos como, la mala manipulación de los instrumentos de laboratorio o una mala calibración de los mismos. II.

IV.

Objetivos

Objetivo General Determinar experimentalmente coeficiente térmico del alcohol etílico.

el

Objetivos Específicos 1. Calcular el volumen total de la masa del agua a diferentes temperaturas, tomado en cuenta el diámetro interno del tubo capilar y el volumen inicial del agua. 2. Graficar el logaritmo natural del volumen versus temperatura. 3. Determinar el valor del coeficiente de dilatación del alcohol etílico a presión constante con ayuda de definiciones teóricas y la pendiente de la gráfica. 4. Comparar los resultados obtenidos con los de la bibliografía y determinar el porcentaje de error cometido. III.

Introducción

Procedimiento

Materiales y equipos  Plancha de calentamiento  Termómetro  Tubo de vidrio  Calorímetro  Botella de vidrio pequeña  Vaso de precipitación  Plastilina  Alcohol etílico Procedimiento  El volumen inicial del alcohol etílico se determinó con la capacidad volumétrica de la botella pequeña, que en este caso fue de 250mL.  Se realizó un tapón de plastilina, que tuviera insertado en él el termómetro y el tubo de vidrio, y se colocó en la botella de tal manera que no quedaran fugas de aire.  Se señaló la altura inicial del alcohol etílico en el tubo del vidrio, y se



comenzó a calentar la botella de vidrio en baño María con ayuda del vaso de precipitación que contenía agua a una temperatura de 40°C. Se tomaron los valores de las nuevas alturas alcanzadas por el alcohol en el tubo de vidrio, cada vez que la temperatura se incrementaba en 1°C hasta llegar casi al final del mismo. Marco teórico

Alcoholes: Las propiedades físicas de un alcohol se basan principalmente en su estructura. El alcohol esta compuesto por un alcano y agua. Contiene un grupo hidrofóbico del tipo de un alcano, y un grupo hidroxilo que es hidrófilo, similar al agua. De estas dos unidades estructurales, el grupo –OH da a los alcoholes sus propiedades físicas características, y el alquilo es el que las modifica, dependiendo de su tamaño y forma. La formación de puentes de hidrógeno permite la asociación entre las moléculas de alcohol. Los puentes de hidrógeno se forman cuando los oxígenos unidos al hidrógeno en los alcoholes forman uniones entre sus moléculas y las del agua. Esto explica la solubilidad del metanol, etanol, 1propanol, 2-propanol y 2 metil-2propanol. Los puntos de ebullición de los alcoholes también son influenciados por la polaridad del compuesto y la cantidad de puentes de hidrógeno. Los grupos OH presentes en un alcohol hacen que su punto de ebullición sea más alto que el de los hidrocarburos de su mismo peso molecular. En los alcoholes el punto de ebullición aumenta con la cantidad de átomos de carbono y disminuye con el aumento de las ramificaciones. Importancia del coeficiente de dilatación: El volumen de un sólido, líquido o gas varía con la temperatura a presión constante. Esta dependencia

viene dada por el coeficiente de dilatación térmica, α:

El valor de α es diferente para cada sustancia y es función de la temperatura. Para gases y sólidos es siempre positivo, mientras que para líquidos es casi siempre positivo, con algunas excepciones en las que es negativo en un pequeño intervalo de temperatura. Entre estas excepciones, la más notable es el agua entre O y 4 °C. En este pequeño intervalo de temperatura, el volumen específico del agua disminuye al aumentar la temperatura. Proceso isobárico: El proceso isobárico es un proceso que al igual que el anterior, es termodinámico, pero en este caso, es la presión la variable que permanece constante. En este tipo de procesos, el calor que se transfiere al sistema, con una presión constante, se relaciona con las demás variables a través de la siguiente ecuación: ΔQ = ΔU + PΔV, Proceso isocórico: Este proceso es también conocido como isométrico, o isovolumétrico, pues es el proceso termodinámico donde el volumen, en todo momento, permanece constante, ΔV=0, por lo cual no se realiza un trabajo presiónvolumen, pues se define a dicho proceso como: ΔW = PΔV, Si aplicamos la primera ley de la termodinámica, o principio de conservación de la energía, que dice que todo sistema termodinámico que se encuentra en estado de equilibrio, posee una variable de estado, denominada energía interna (U), podemos deducir que Q ( variación de energía o calor del sistema, medido en Kcal) para un proceso isocórico es: Q = ΔU,

Proceso isotérmico: Se denomina proceso isotérmico o proceso isotermo al cambio reversible en un sistema termodinámico, siendo dicho cambio a temperatura constante en todo el sistema. La compresión o expansión de un gas ideal puede llevarse a cabo colocando el gas en contacto térmico con otro sistema de Capacidad calorífica muy grande y a la misma temperatura que el gas; este otro sistema se conoce como foco calórico. De esta manera, el calor se transfiere muy lentamente, permitiendo que el gas se expanda realizando trabajo.

⇒ 𝑉3 = 𝑉2 + ∆𝑉2 = 250,495 + 0,481 𝑉3 = 250,976𝑐𝑚3

-

∆𝑉3 = 𝜋𝑅2 ℎ = 𝜋(0,3)2 (2,15) = 0,608𝑐𝑚3

⇒ 𝑉4 = 𝑉3 + ∆𝑉3 = 250,976 + 0,608 𝑉4 = 251,584𝑐𝑚3

V.

Cálculos y resultados

Se aplica: 𝑉 = 𝑉0 + 𝜋𝑅 2 ∙ 0,25

Para el nuevo incremento de volumen

Para el nuevo incremento de volumen

∆𝑉4 = 𝜋𝑅2 ℎ = 𝜋(0,3)2 (2,10) = 0,594𝑐𝑚3

Donde: V=volumen Vo=volumen inicial (cm3) R=radio (cm)

𝑉5 = 252,178𝑐𝑚3

-

Datos: Vo=250mL R=0,3cm

Para el nuevo incremento de volumen

∆𝑉5 = 𝜋𝑅2 ℎ = 𝜋(0,3)2 (1,65) = 0,467𝑐𝑚3

Operaciones: -

⇒ 𝑉5 = 𝑉4 + ∆𝑉4 = 251,584 + 0,594

Para el volumen 1 (V1):

⇒ 𝑉6 = 𝑉5 + ∆𝑉4 = 252,178 + 0,467 𝑉6 = 252,645𝑐𝑚3

𝑉1 = 250 + 𝜋(0,3)2 ∙ 0,25 = 250,071𝑐𝑚3

-

Para el incremento de volumen

∆𝑉1 = 𝜋𝑅2 ℎ = 𝜋(0,3)2 (1,5) = 0,424𝑐𝑚3

⇒ 𝑉2 = 𝑉1 + ∆𝑉 = 250,071 + 0,424 𝑉2 = 250,495𝑐𝑚3

-

Para el nuevo incremento de volumen

∆𝑉2 = 𝜋𝑅2 ℎ = 𝜋(0,3)2 (1,7) = 0,481𝑐𝑚3

TABLA DE RESULTADOS T(°C) A(cm) V(cm3) Ln(V) 20 0 250,071 5,521745 21 1,5 250,495 5,523439 22 3,20 250,976 5,525357 23 5,35 251,584 5,527777 24 7,45 252,178 5,530135 25 9,10 252,645 5,531985

Reif, Federick (1985). «Fundamentals of Statistical and Thermal Physics». McGrawHill. Masanes, Lluís & Oppenheim, Jonathan (2017) A general derivation and quantification of the third law of thermodynamics. Nature. IX.

VI.







Discusión de resultados

VII. Conclusiones El coeficiente térmico del alcohol dependió de la eficaz del experimento y de la aplicación de la técnica humana, dando valores muy variables en comparación con la bibliografía. Se diseñó un gráfico volumen vs temperatura la obtenido una línea de pendiente m, la cual permite obtener el coeficiente de dilatación del a sustancia estudiada Los resultados obtenidos son variables y poseen error de acuerdo a las tablas de dilatación presentes en la bibliografía.

VIII.

Bibliografía

Pérez Cruz, Justo R. (2005). La Termodinámica de Galileo a Gibbs. Fundación Canaria Orotava de Historia de la Ciencia. ISBN 978-84-609-7580-9. Planck, Max (1990). Treatise on Thermodynamics. Dover Publications. ISBN 048666371X. Zemansky, Mark W. (1985). «Calor y termodinámica». Madrid: McGraw-Hill. ISBN 84-85240-85-5. Callen, Herbert B. (1985). «Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics». John Wiley & Sons.

Anexos