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• Katerin Díaz Fuentes

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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE SANTA MARÍA FACULTAD DE ARQUITECTURA E INGENIERÍAS CIVIL Y DEL AMBIENTE PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL

MONOGRAFÍA

“ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN PROCESOS FÍSICOS Y QUÍMICOS: CALORIMETRÍA”

PRESENTADO POR: DÍAZ FUENTES, KATERIN ISABEL

AREQUIPA, PERÚ 2015

RESUMEN

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ÍNDICE RESUMEN................................................................................................................. II ÍNDICE...................................................................................................................... III LISTA DE TABLAS.................................................................................................... V LISTA DE FIGURAS................................................................................................. VI INTRODUCCIÓN....................................................................................................... 1 CAPÍTULO 1.

TERMOQUÍMICA............................................................................2

1.1. DEFINICION............................................................................................. 2 1.1.1. PROCESO A PRESIÓN CONSTANTE................................................2 1.1.2. PROCESO A VOLUMEN CONSTANTE..............................................2 1.1.3. SISTEMA.............................................................................................2 CAPÍTULO 2.

ENERGÍA......................................................................................... 3

2.1. DEFINICIÓN............................................................................................. 3 2.2. TIPOS DE ENERGÍA................................................................................3 2.2.1. ENERGÍA MECÁNICA.........................................................................3 2.2.2. ENERGÍA INTERNA............................................................................3 2.2.3. ENERGÍA ELÉCTRICA........................................................................3 2.2.4. ENERGÍA TÉRMICA............................................................................3 2.2.5. ENERGÍA ELECTROMARNÉTICA......................................................3 2.2.6. ENERGÍA QUÍMICA.............................................................................4 2.2.3. ENERGÍA NUCLEAR...........................................................................4 2.3. PROPIEDADES DE LA ENERGÍA...........................................................4 2.3.1. SE TRANSFORMA..............................................................................4 2.3.2. SE CONSERVA...................................................................................4 2.3.3. SE TRANSFIERE................................................................................4 2.3.3. SE DEGRADA.....................................................................................4 2.4. TRANSFERENCIAS DE ENERGÍA..........................................................4 2.4.1. TRABAJO............................................................................................ 4 2.4.2. ONDAS................................................................................................5 2.4.3. CALOR................................................................................................5 CAPÍTULO 3.

CALORIMETRÍA.............................................................................7

3.1. TIPOS DE TRATAMIENTO.......................................................................7 3.1.1. PROCESOS FÍSICOS.........................................................................7 3.1.2. PROCESOS QUÍMICOS.....................................................................7 3.1.3. PROCESOS BIOLÓGICOS.................................................................7 3.1.4. PROCESOS BIOTECNOLÓGICOS.....................................................7 3.2. ETAPAS DEL TRATAMIENTO..................................................................7 3.2.1. PRETRATAMIENTO............................................................................7 3.2.2. TRATAMIENTO PRIMARIO.................................................................7 3.2.3. TRATAMIENTO SECUNDARIO...........................................................7 3.2.4. TRATAMIENTO TERCIARIO...............................................................8 3.3. SELECCIÓN DE UN TRATAMIENTO.......................................................8 CONCLUSIONES.................................................................................................... 10

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REFERENCIAS........................................................................................................ 11 APÉNDICES............................................................................................................ 12 ANEXOS.................................................................................................................. 13

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LISTA DE TABLAS Tabla N°1: Valores de capacidad calorífica a volumen constante (Cv) y a presión constante (Cp) para gases ideales monoatómicos, diatómicos y triatómicos.

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LISTA DE FIGURAS Figura N° 1: Tipos de sistemas. Figura N°2: Formas de propagación del calor

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INTRODUCCIÓN

El calor es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas. El flujo de calor es desde un objeto caliente hacia uno frío, implica transferencia de energía, generalmente se habla de “calor absorbido” o “calor liberado” para describir los cambios energéticos que ocurren durante un proceso. Cuando durante una reacción se absorbe calor se dice que es una reacción endotérmica y si se libera calor es una reacción exotérmica. Acorde a la primera ley de la termodinámica los cambios endotérmicos se expresan con signo positivo y los exotérmicos con signo negativo. El cambio de entalpía ocurrido en la reacción directa es exactamente opuesto en la reacción inversa. La magnitud del cambio depende de la constitución, el estado físico de reactivos y productos y de la expresión estequeométrica. Los cambios térmicos pueden ocurrir a presión constante o a volumen constante. El estudio de la calorimetría, la medición de los cambios de calor, depende de la comprensión de los conceptos de calor específico y capacidad calorífica. El calor específico (s) de una sustancia es la cantidad de calor necesario para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de la sustancia; la capacidad calorífica (C ) de una sustancia es la cantidad de calor necesario para elevar un grado Celsius la temperatura de una determinada cantidad de sustancia. El calor específico es una propiedad intensiva, en tanto la capacidad calorífica es una propiedad extensiva.

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CAPÍTULO 1.

TERMOQUÍMICA

1.1. DEFINICION La Termoquímica consiste en el estudio de las transformaciones que sufre la energía calorífica en las reacciones químicas, a esto se denomina sistema. Frecuentemente podemos considerar que las reacciones químicas se producen a presión constante (atmósfera abierta, es decir, P=1 atm), o bien a volumen constante (el del receptáculo donde se estén realizando).

1.1.1.PROCESO A PRESIÓN CONSTANTE El calor intercambiado en el proceso es equivalente a la variación de entalpía de la reacción. Qp = ΔrH

1.1.2.PROCESO A VOLUMEN CONSTANTE El calor que se intercambia en estas condiciones equivale a la variación de energía interna de la reacción. Qv = ΔrU todo el calor que transfiramos al sistema quedará a su energía interna. Si la cantidad de gas permanece constante, entonces el incremento de energía será proporcional al incremento de temperatura.

1.1.3.SISTEMA Es una parte pequeña del universo que se aísla para someterla a estudio. El resto se denomina ENTORNO.   

SISTEMA ABIERTO: Intercambia materia y energía con el entorno. SISTEMA CERRADO: No intercambia materia y sí energía. SISTEMA ADIABÁTICO: No intercambia ni materia ni energía. Figura N°1: Tipos de Sistemas

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CAPÍTULO 2.

ENERGÍA

2.1. DEFINICIÓN La energía es la capacidad de los cuerpos para realizar un trabajo y producir cambios en ellos mismos o en otros cuerpos. Es decir, la energía es la capacidad de hacer funcionar las cosas.

2.2. TIPOS DE ENERGÍA La energía se manifiesta de diferentes maneras, recibiendo así diferentes denominaciones según las acciones y los cambios que puede provocar.

2.2.1.ENERGÍA MECÁNICA La energía mecánica relacionada con la posición y el movimiento del cuerpo, y que se divide en estas dos formas:  

Energía cinética, que se manifiesta cuando los cuerpos se mueven. Es decir, es la energía asociada a la velocidad de cada cuerpo. Se calcula con la fórmula: Energía potencial, que hace referencia a la posición que ocupa una masa en el espacio. Su fórmula es:

2.2.2.ENERGÍA INTERNA La energía interna se manifiesta a partir de la temperatura. Cuanto más caliente esté un cuerpo, más energía tendrá.

2.2.3.ENERGÍA ELÉCTRICA La energía eléctrica está relacionada con la corriente eléctrica. Es decir, en un circuito en el que cada extremo tiene una diferencia de potencial diferente.

2.2.4.ENERGÍA TÉRMICA Se asocia con la cantidad de energía que pasa de un cuerpo caliente a otro más frío manifestándose mediante el calor.

2.2.5.ENERGÍA ELECTROMARNÉTICA Esta energía se atribuye a la presencia de un campo electromagnético.

5 Las radiaciones que provoca el Sol son un ejemplo de ondas electromagnéticas que se manifiestan en forma de luz, radiación infrarroja u ondas de radio.

2.2.6.ENERGÍA QUÍMICA La energía química se manifiesta en determinadas reacciones químicas.

2.2.3.ENERGÍA NUCLEAR Ésta se produce cuando los núcleos de los átomos se rompen (fisión) o se unen (fusión).

2.3. PROPIEDADES DE LA ENERGÍA La energía tiene 4 propiedades básicas:

2.3.1.SE TRANSFORMA La energía no se crea, sino que se transforma, siendo durante esta transformación cuando se ponen de manifiesto las diferentes formas de energía.

2.3.2.SE CONSERVA Al final de cualquier proceso de transformación energética nunca puede haber más o menos energía que la que había al principio, siempre se mantiene. La energía no se destruye.

2.3.3.SE TRANSFIERE La energía pasa de un cuerpo a otro en forma de calor, ondas o trabajo.

2.3.3.SE DEGRADA Solo una parte de la energía transformada es capaz de producir trabajo y la otra se pierde en forma de calor o ruido (vibraciones mecánicas no deseadas).

2.4. TRANSFERENCIAS DE ENERGÍA Hay tres formas de transferir energía de un cuerpo a otro:

2.4.1.TRABAJO Cuando se realiza un trabajo se pasa energía a un cuerpo que cambia de una posición a otra.

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Por ejemplo, si en casa desplazamos una caja, estamos realizando un trabajo para que su posición varíe.

2.4.2.ONDAS Las ondas son la propagación de perturbaciones de ciertas características, como el campo eléctrico, el magnetismo o la presión, y que se propagan a través del espacio transmitiendo energía.

2.4.3.CALOR Es un tipo de energía que se manifiesta cuando se transfiere energía de un cuerpo caliente a otro cuerpo más frío. Sin embargo, no siempre viaja de la misma manera, existiendo tres formas diferentes de transferencia energética:   

Conducción: cuando se calienta un extremo de un material, sus partículas vibran y chocan con las partículas vecinas, transmitiéndoles parte de su energía. Radiación: el calor se propaga a través de ondas de radiación infrarroja (ondas que se propagan a través del vacío y a la velocidad de la luz). Convección: que es propia de fluidos (líquidos o gaseosos) en movimiento.

Figura N°2: Formas de propagación del calor

2.4.3.1. CAPACIDAD CALORÍFICA Se puede expresar como la cantidad de calor requerida para elevar en 1ºC, la temperatura de una determinada cantidad de sustancia. Cuanto mayor sea la capacidad calorífica de una sustancia, mayor será la cantidad de calor entregada a ella para subir su temperatura. Por ejemplo, no es lo mismo calentar el

7 agua de un vaso que el agua de toda una piscina: requerimos mayor calor para calentar el agua de toda una piscina puesto que su capacidad calorífica es mucho mayor. o Capacidad Calorífica de los gases Para los gases ideales, si se determina la capacidad calorífica molar para un mismo gas a: - volumen constante se denomina, CV presión constante se denomina, CP La capacidad calorífica de los gases ideales varía, si se trata de gases monoatómicos, diatómicos y triatómicos. Tabla N°1: Valores de capacidad calorífica a volumen constante (Cv) y a presión constante (Cp) para gases ideales monoatómicos, diatómicos y triatómicos.

o La Capacidad Calorífica Molar (Cm) Es la energía calorífica necesaria para aumentar 1K o 1ºC la temperatura de un mol de cualquier sustancia. Cabe destacar que para el caso de sólidos y líquidos, la capacidad calorífica específica y la capacidad calorífica molar son iguales tanto si el proceso se realiza a presión constante como se realiza a volumen constante. No obstante, en el caso de los gases, estos parámetros varían, lo cual se indica con un subíndice v y p para el proceso a V=cte y P=cte respectivamente: Cv, Cp, Cmv, Cmp, por lo que si en un ejercicio debemos calcular el calor transferido en el caso de un gas nos deben indicar si el proceso es isócoro o isobárico.

2.4.3.2. CALOR ESPECÍFICO Es una propiedad intensiva, no depende de la materia, y es un valor fijo para cada sustancia. Así, el agua tiene un valor fijo de calor específico, el cual debemos entenderlo como la cantidad de calor que puede absorber una sustancia: cuanto mayor sea el calor específico, mayor cantidad de calor podrá absorber esa sustancia sin calentarse significativamente.

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CAPÍTULO 3.

CALORIMETRÍA

3.1. TIPOS DE TRATAMIENTO 3.1.1.PROCESOS FÍSICOS

3.1.2.PROCESOS QUÍMICOS

3.1.3.PROCESOS BIOLÓGICOS

3.1.4.PROCESOS BIOTECNOLÓGICOS

3.2. ETAPAS DEL TRATAMIENTO

3.2.1.PRETRATAMIENTO

3.2.2.TRATAMIENTO PRIMARIO

3.2.3.TRATAMIENTO SECUNDARIO

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3.2.4.TRATAMIENTO TERCIARIO

3.3. SELECCIÓN DE UN TRATAMIENTO

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CONCLUSIONES

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REFERENCIAS http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/conceptosbasicos/i.-la-energia-y-los-recursos-energeticos http://fresno.pntic.mec.es/~fgutie6/quimica2/ArchivosHTML/Teo_1_princ.htm#Sis temas http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/131-calor-especifico-ycapacidad-calorifica.html http://www.quimitube.com/videos/termodinamica-teori-4-transferencia-energiaen-forma-de-calor-capacidad-calorifica-especifica-y-molar

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APÉNDICES

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ANEXOS