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APLICACIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA 1. RESUMEN Se efectuaron lecturas de volúmenes a diferentes presiones y temperatura constante, según la Ley de Boyle para representar en el diagrama P-V una isoterma de un gas de comportamiento ideal a la temperatura ambiente.

Grafica P - V P [mmHg] 800 700 600 500 400 300 118000

138000

158000

178000

198000

V [ml]

Con referencia a los datos experimentales y a la anterior isoterma, representamos una segunda isoterma a una temperatura de 136°C, aplicando la ley combinada de los gases.

Se representó en el diagrama P-V la siguiente transformación termodinámica y se calculó q, w, ∆U, ∆H:

ETAPA

∆U [J]

∆H[J]

q[J]

w[J]

A-B

-11,58

-16,22

-16,22

- 4,638

B-C

11.58

16,22

0

11,58

C-D

0

0

11,58

-11,158

TOTAL

0

0

-4.64

- 4,216

2. INTRODUCCION Para analizar un proceso termodinámico es importante el manejo del diagrama PV, donde se representan los estados de equilibrio de una masa de gas contenido dentro de un sistema en condiciones específicas de presión y temperatura. Haciendo uso de este diagrama según la primera ley de la termodinámica es posible cuantificar las formas de energía: trabajo, calor y cambio de energía interna para un proceso termodinámico que ocurre dentro de un sistema. Según a la primera ley de la termodinámica que se refiere a la conservación de energía en un sistema, a la cantidad de materia esta energía se modifica cuando dos formas de energía desde el exterior influyen sobre esta, son consecuencia de factores externos como Presión y Temperatura. En esta actividad experimental se ha de observar macroscópicamente estas influencias externas para determinar las formas de energía según la primera ley de la termodinámica. 3. OBJETIVOS  Efectuar lecturas de volúmenes de gas a diferentes presiones y T constante según la ley de Boyle para representar en el diagrama P-V un isoterma de un gas de comportamiento ideal a T ambiente.  Con referencia a los datos experimentales y la isoterma anterior representar en el mismo diagrama otra isoterma a una T=136°C aplicando la ley combinada de los gases de comportamiento ideal, para representar la transformación termodinámica.  En el diagrama P-V, eligiendo un estado de equilibrio sobre un isoterma representa la siguiente transformación termodinámica considerando que el proceso es reversible: el gas contenido en el sistema inicialmente se comprime isobáricamente al disminuir la temperatura, seguido de una compresión adiabática para finalizar con un enfriamiento molecular para cerrar el ciclo de la

transformación termodinámica. Calcule calor, trabajo y cambio de energía interna y cambio de entalpia. La tercera etapa se hace con una expansión isotérmica 4. FUNDAMENTO TEORICO 4.1. Formas de energía: Para la determinación cuantitativa de las formas de energía debe asimilar la conceptualización de las formas d energía que intervienen en el proceso de transformación.  Calor (Q): Se define como la energía que se transfiere por diferencia de temperatura entre el sistema y el medio; donde el calor fluye en el sentido donde existe menor temperatura.  Trabajo (W): Termodinámicamente se refiere a la energía necesaria para cambiar el estado o posición de las moléculas dentro de un sistema por efectos de presión o temperatura, este se puede observar.  Energía interna (U): Consideremos una masa de gas contenido en un cilindro o tanque con un pistón; móvil sin fricción, y considerando que el gas contenido en el sistema tiene una energía interna. 4.2.

Primera ley de la termodinámica: La energía interna de un sistema es el resultado del movimiento molecular a una determinada temperatura, por tanto, queda definido el estado del sistema, durante un proceso no se pueden medir energías internas absolutas; sino que se perciben cambios en las energías internas, es decir; (U) cuando durante el proceso un sistema cambia un estado 12.

Si el proceso es cíclico U=0, este cambio puede ocurrir, cuando el sistema absorbe calor y su energía interna aumenta y por lo tanto es capaz de realizar trabajo sobre el medio con la consecuencia de disminuir su energía interna, esto se puede escribir como:

Si las transformaciones ocurren en cambios infinitesimales o lo que es lo mismo que durante el proceso del estado inicial y final están muy próximos, el cambio de energía interna se escribe como:

4.3.

Transformaciones Termodinámicas Se refiere a las modificaciones de las formas de energía que se suscitan en un sistema, cuando sobre ella influyen o cambian los factores externos con P, V, y T Según la 1ra ley de la termodinámica las formas de energía modificadas son calor, trabajo (funciones de trayectoria) y energía (funciones de estado).

4.4.

Métodos experimentales 

Método de la comprensión isotérmica: Se refiere a comprimir isotérmicamente una masa por incremento de agua teniendo como dato la presión atmosférica. Para la gráfica darnos valores altos y bajos, y modificar los volúmenes hasta conseguir una isoterma.



Método de compresión – expansión isotérmica: Se refiere a comprimir las presiones, cambiar la presión y modificar volúmenes a temperatura constante. Para esto al hacer el montaje del experimento se debe nivelar el agua en ambas columnas.

5. MATERIALES     

Manguera Dos tubos de cristal largos Flexómetro Termómetro Vaso precipitado

6. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 6.1.

Método De Compresión Isotérmica El método consiste en comprimir un gas comprimido en un sistema (tubo en forma de U a T ctte) agregando fracciones de agua.

6.2.

Método Expansión – Compresión Térmica Es modificar los volúmenes de una masa de gas en un sistema (tubo en forma de U) modificando las presiones con una parte flexible elevando y bajando un embudo que contiene H2O con referencia al estado inicial y T ctte (ambiente).

7. DATOS Y RESULTADOS METODO DE COMPRESION ISOTERMICA TEMPERATURA INICIAL 16ºC

DENSIDAD DEL AGUA 3 1g/cm

DENSIDAD DEL HG 3 13.56 g/cm

PRESIÓN ATMOSFÉRICA 486,4mmHg

ALTURA INICIAL [Mm] 1325

DIAMETRO [Mm] 13

TABLA 1 Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9

ALTURA H [mm] 1292 1278 1264 1245 1232 1197 1173 1156 1140

ALTURA h [mm] 188 255 345 456 553 734 911 1036 1154

DATOS H0=132.5 [cm]= 1325[mm] T0= 16°C =289.15 K  Calculo del volumen inicial



Calculo de la presion inicial

CALCULO DE LOS VOLUMENES Y PRESIONES A T = 16℃

PARA 1

PARA 2

PARA 3

PARA 4

PARA 5

PARA 6

PARA 7

PARA 8

PARA 9

TABLA DE PRESIONES Y VOLUMENES Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ∑

V [ml] 171490,12 169631,87 167773,61 165251,7 163526,18 158880,55 155694,97 153438,53 151314,81

570 P [mmHg] 560 550 540 530 520 510 500 490 480 150000

P [mmHg] 486,63 491,57 498,21 506,39 513,55 526,89 539,95 549,17 557,87

P*V = K 83452237,1 83385938,3 83586490,2 83681808,4 83978869,7 83712573 84067499,1 84263837,5 84413993,1 83838138,5

GRAFICA P-V

155000

160000

165000

170000

175000 V [ml]



Asumiendo que P*V sera igual a una constante “K” ̅



Ya teniendo el promedio del valor “K” se asume valores de V0 y Vf V0 = 200000 [ml]

Vf = 140000 [ml]

TABLA 2 Nº V0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Vf

P [mmHg] 800

V [ml] 200000 171490,12 169631,87 167773,61 165251,7 163526,18 158880,55 155694,97 153438,53 151314,81 120000

P [mmHg] 419,19 486,63 491,57 498,21 506,39 513,55 526,89 539,95 549,17 557,87 698,65

Grafica P - V

700 600 500 400 300 118000

138000

158000

178000

198000

T =V 289,15 K [ml]

El Proceso es isotérmico lo que indica T=16ºC = 289,15 ºK = constante CÁLCULO DE P Y V PARA UNA TEMPERATURA DE 136°C Utilizando la Ley combinada de los gases calculamos P para 136°C = 409.15 K

TABLA 3 Nº

P1 [mmHg]

V1 [ml]

P2 [mmHg]

V0 1

419,19

200000

419,19

486,63

171490,12

486,63

2

491,57

169631,87

491,57

3

498,21

167773,61

498,21

4

506,39

165251,7

506,39

5

513,55

163526,18

513,55

6

526,89

158880,55

526,89

7

539,95

155694,97

539,95

8

549,17

153438,53

549,17

9

557,87

151314,81

557,87

Vf

698,65

120000

698,65

V2 [ml]

TRANSFORMACIÓN TERMODINÁMICA REVERSIBLE

C

D A B

T = 409,15 K

A T = 289,15 K

   

Etapa A-B: Comprime Isobáricamente. Etapa B-C: Compresión adiabática. Etapa C-D: expansión isotérmica. Tenemos la siguiente tabla:

TABLA 4 Estado A B

T[°K] 409,15 289,15

V[L] 0,12 0,1698

P[atm] 0,919 PB

 Calculamos la presión en el punto B tomando en cuenta que se realiza un enfriamiento a volumen constante por lo tanto la ecuación quedaría de la siguiente manera:

Para el aire (gas diatónico) sabemos que Cv y Cp. son: [

]

[

]

[

]

[

]

Calculamos el número de moles del proceso:

 Para la Etapa A-B: compresión isobárica ∫ [

]

[

]

∫

∫

 Para la etapa B-C: Compresión adiabática DONDE: P1 = 0,919 [atm]; V1 = 0,12 [L]; T1 = 16℃; T2 = 136℃

( ) √ √

∫ [

]

[

]

∫

 Para la etapa C-D: expansión isotérmica

8. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES Se efectuó lecturas de volúmenes a diferentes presiones y temperatura constante, para dibujar una isoterma en el diagrama P-V.

Grafica P - V P [mmHg] 800 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 118000

T = 289,15 K

138000

158000

178000

198000 V [ml]

Con relación a la anterior isoterma dibujamos una isoterma a 136°C.

T = 409,15 K T = 289,15 K

Se representó en el diagrama P-V la siguiente transformación termodinámica irreversible y se calculó q, w, ∆U, ∆H:

ETAPA A-B B-C C-D TOTAL

∆U [J] -11,58 11.58 0 0

∆H[J] -16,22 16,22 0 0

q[J] -16,22 0 11,58 -4.64

w[J] - 4,638 11,58 -11,158 - 4,216

9. BIBLIOGRAFIA  Ing. Mario Huanca Ibáñez  “Guía de Practicas de laboratorio de Fisicoquímica”  Shoemaker Garland P.  “Experimentos de Fisicoquímica”  http://indiceadibtcoft.blogspot.com/