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TERMODINÁMICA Manual de Prácticas de Laboratorio Versión modificada del Manual de Laboratorio de Métodos Cuantitativos de la UPIBI Elaborado por: M. en C. Laura Alejandra Pinedo Torres Dra. en C. Karol Karla García Aguirre Enero 2013 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE INGENIERÍA CAMPUS ZACATECAS TERMODINÁMICA Manual de Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN DATOS Nombre del Alumno: ___________________________________ (Completo) Grupo: _______________________________________________ Periodo Lectivo: _______________________________________ Profesores Responsables: ________________________________ ________________________________ ________________________________ TERMODINÁMICA Manual de Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN ÍNDICE PÁGINA Calendarización ……………………………………………………………… I Políticas de trabajo para el laboratorio de Termodinámica II Reglamento de trabajo ………………………………………………. III Evaluación ……………………………………………………………. IV Lista de cotejo para informe de prácticas …………………………. XV Buenas Prácticas de Laboratorio …………………………………… XVIII Guía de observación ………………………………………………… XVI P1.- Variación del volumen de un gas con respecto a P y T ……………. 1 P2. - Determinación de capacidad calorífica ………................................ 19 P3.- Calor de dilución …………................................................................ 34 P4.- Efectos Térmicos Calor sensible y latente ………………………… 51 P5.- Calor de reacción ……………………………………………………… 68 P6.- Energía libre de Gibbs ………………………………………………… 81 TERMODINÁMICA Manual de Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN P7.-Presión de vapor ………………………………………………………… 93 P8.-Presión de vapor de una mezcla ……………………………………….. 105 P9.-Propiedades molares parciales ………………………………………….. 117 TERMODINÁMICA Manual de Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN Página ii REGLAMENTO INTERNO DEL LABORATORIO 1. Llegar puntualmente al laboratorio (se tendrán 10 minutos de tolerancia máximo, para tener asistencia y presentar el examen previo). 2. Usar siempre bata de algodón de manga larga y lentes de seguridad. 3. No fumar ni ingerir alimentos y bebidas dentro del laboratorio. 4. Utilizar calzado cerrado (no se permite el ingreso al laboratorio con calzado abierto). 5. Tener siempre disponible su credencial y su manual de prácticas. 6. Las mesas de trabajo y los pasillos deben de estar libres de mochilas y objetos no indispensables para la práctica. 7. No cometer actos de indisciplina o desorden dentro del laboratorio. 8. Siempre que se trabaje en el laboratorio debe de hacerse bajo supervisión del profesor encargado. 9. Realizar exclusivamente los experimentos que indique el profesor. 10. Los reactivos contaminados, así como el material (equipos y cristalería) dañado o extraviado, tendrán que ser repuestos por el o los responsables, en el plazo de dos semanas, (ver reglamento de laboratorios de la UPIIZ). 11. Ubicar salidas de emergencia, extintores, regaderas y botiquín. 12. No verter a la tarja residuos sólidos, o reactivos. Identifique recipientes de desechos ácidos, básicos, u orgánicos e inorgánicos. 13. Al final de la práctica dejar limpio el material y la mesa de trabajo. 14. En caso de tener algún accidente en el laboratorio avisar rápidamente a su profesor. 15. Acudir al laboratorio con vestimenta adecuada (no usar pantalones cortos, falda, prendas con orificios, cabello suelto y/o accesorios que puedan ocasionar un accidente). 16. Llevar a cabo las buenas prácticas de laboratorio durante sus sesiones experimentales. TERMODINÁMICA Manual de Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN Página iii I. FORMA DE EVALUAR El propósito de que los alumnos realicen esta serie de prácticas, es apoyar los temas que se ven en el curso teórico de Termodinámica, lo que les permitirá adentrarse al trabajo experimental y desarrollar habilidades para la presentación de resultados de laboratorio. Estas herramientas le serán de ayuda no solo en sus estudios, sino también en el ejercicio profesional. La evaluación en el laboratorio de Termodinámica estará en función de los siguientes elementos: ACTIVIDAD INSTRUMENTO DE EVALUACIÓN PUNTOS A Trabajo individual Guía de observación de laboratorio 3.5 B Discusión de resultados Guía de observación de laboratorio 3.0 C Informe escrito Lista de cotejo 3.5 Los puntos a evaluar mencionados en el cuadro anterior se describen a continuación: A. TRABAJO INDIVIDUAL (3.5) La evaluación del trabajo individual se realizará por medio de una Guía de observación de laboratorio (ver anexo a la calendarización), en ella se considerarán los siguientes elementos: Examen previo (1.0) El examen previo será elaborado y aplicado al inicio de cada práctica, dicho examen considera la información del manual de prácticas y la información obtenida en el protocolo de investigación. Su duración será de 10 minutos como máximo. TERMODINÁMICA Manual de Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN Página iv Protocolo de investigación (0.5) Se revisará que este se encuentre resuelto correctamente, debe incluir el diagrama de bloques. Se revisará y marcará con un sello. Bitácora (0.5) Al final de la sesión, se revisará y marcará con un sello, que se encuentren llenos correctamente los espacios requeridos para resultados y observaciones en cada una de las prácticas. Contiene un registro cuidadoso, ordenado y completo de todos los datos e información recopilados: experimentos en detalle, mediciones, observaciones, incidentes-accidentes, eventos inesperados, y cuadros de resultados experimentales, unidades de medida, precisión alcanzada en cada caso y toda información relevante relativa al experimento. Evite utilizar hojas sueltas para anotar sus resultados, ya que se consideraran inexistentes. Trabajo de laboratorio (1.5) Este al igual que los anteriores será evaluado a través de la guía de observación. El alumno que no asista a la sesión de laboratorio será evaluado con cero en la sesión correspondiente. La justificación de inasistencias y reposición de prácticas quedara a consideración de los maestros que imparten esta unidad de aprendizaje en el laboratorio. El trabajo de laboratorio comprenderá puntos relacionados ya con el desempeño del alumno en el trabajo experimental, tales puntos contemplan el cumplimiento de las investigaciones previas de cada práctica, así como el entendimiento, coordinación y distribución del trabajo asignado; el correcto seguimiento de las instrucciones y por ultimo su limpieza antes, durante y después de cada sesión experimental. TERMODINÁMICA Manual de Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN Página v B. DISCUSIÓN DE RESULTADOS (3.0) En las sesiones marcadas como discusión de resultados, se procederá al análisis grupal de los resultados obtenidos en las sesiones prácticas, de la siguiente manera: Elaboración de la presentación (1.0) 1. Los alumnos, por equipo, deben asistir a la sesión de discusión con una presentación en Power Point para cada una de las prácticas realizadas en el periodo a evaluar (ver calendarización), que incluya: a. Portada. b. Nombre y número de práctica. c. Fundamento teórico. d. Metodología de trabajo. e. Resultados f. Discusión de los resultados g. Conclusiones generales. Nota: Todas las diapositivas deberán estar enumeradas. 2. Cada equipo deberá exponer sólo una práctica, por lo que al inicio de la sesión se designará la práctica correspondiente por medio de un sorteo. Participación en la presentación (1.0) 3. Durantela presentación deberán participar de forma equitativa todos los integrantes del equipo, debe tomarse en cuenta esto, ya que este punto se evalúa individualmente. 4. La presentación de cada práctica tendrá duración máxima de 30 minutos, de los cuales 10 minutos son para la exposición de la práctica designada, 10 minutos para la discusión grupal y preguntas de los demás equipos de trabajo, y por ultimo 10 minutos más, para preguntas realizadas por los profesores de laboratorio. TERMODINÁMICA Manual de Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN Página vi Sesión de preguntas (1.0) 5. Durante el tiempo de preguntas, el resto de los equipos deberán realizar al menos una pregunta. 6. Las intervenciones de los equipos en cada presentación serán registradas en la Guía de observación de laboratorio. C. INFORME ESCRITO (3.5) Una vez realizada la práctica, es obligatorio presentar los resultados a través de un Informe escrito. Para asegurar la claridad y la precisión del contenido, se deben cumplir las reglas siguientes: a. El informe debe ser conciso sin perjudicar la claridad. Se debe escribir de manera organizada y comprensible para cualquier persona familiarizada con la materia. b. Todos los datos y resultados consignados en el informe deberán ir acompañados de las unidades y la precisión correspondientes. c. Las expresiones matemáticas deben ir acompañadas del significado de los símbolos que contienen, coincidiendo con símbolos estándares recomendados por los organismos oficiales. d. En el informe debe indicar el origen o fuente de todos los datos que se utilicen que no sean los obtenidos en la práctica, como constantes, definiciones u otros. e. El informe se debe realizar tras haber hecho el trabajo práctico y se debe entregar al inicio de la siguiente sesión de laboratorio. f. El informe se debe presentar impreso en doble cara o en hojas recicladas (siempre y cuando este cancelado o tachado el lado que no se vaya a ocupar), las hojas deberán estar numeradas o foliadas. Respetando las siguientes reglas y configuración: Tamaño de hoja: carta. Fuente: Arial, tamaño 11. TERMODINÁMICA Manual de Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN Página vii Alineación: “Justificada”. Márgenes: Superior: 2.5 cm; Inferior: 2.5 cm; Izquierdo: 3.0 cm; Derecho: 2.5 cm. Párrafo: Interlineado “Sencillo”. Inserción de imágenes: Sólo cuando sea estrictamente necesario para explicar adecuadamente el contenido. g. Debe de presentar como portada la Lista de cotejo (ver anexo a la calendarización), donde se asentará la calificación. El reporte que carezca de la Lista de cotejo no será recibido para la revisión y evaluación. h. Debe presentar el índice del informe. i. El cuerpo del Informe se debe organizar con los siguientes apartados: I. Introducción (0.2). Es un texto breve que no corresponde a una revisión bibliográfica del tema. En este texto breve se señala la importancia del tema, su aplicación, la importancia de conocer el efecto de la manipulación de variables en el experimento, contiene un resumen de los resultados obtenidos y debe tener una extensión máxima de una cuartilla. II. Objetivos del trabajo (0.2). Es la expresión de los aspectos más relevantes a evidenciar con los experimentos realizados. En esta sección se deberá redactar un objetivo general, basado en el aspecto más relevante de la práctica realizada y las variables modificadas. III. Descripción del experimento (0.2). Es la descripción del trabajo práctico paso a paso según el método y las técnicas utilizados, tal como se procedió en el laboratorio no como se hubiera querido hacer, sino cómo se hizo realmente. IV. Diagrama de bloques (0.2). El diagrama de bloques es la representación gráfica del funcionamiento interno de un sistema, que se hace mediante bloques y sus relaciones. Es un instrumento útil para definir la organización de un proceso indicando sus entradas y salidas. En el caso TERMODINÁMICA Manual de Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN Página viii de un laboratorio ayuda a organizar las actividades de manera que el experimento resulte eficiente. Los pasos para dibujar un diagrama de bloques son los siguientes: Encabezar el diagrama de bloques con el número y nombre de la práctica, debajo de este colocar el experimento a realizar. Ej. Colocar el primer bloque centrado en la parte superior del área de trazado, indicando la primera operación a realizar en el experimento (se debe comenzar dicha operación con un verbo). Ej. Colocar el resto de los bloques de forma descendente y siempre de izquierda a derecha de ser necesario. Las indicaciones deben colocarse en el centro del bloque y se deben emplear verbos en infinitivo. Ej. TERMODINÁMICA Manual de Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN Página ix Las variables del experimento (tiempo, temperatura, rpm, presión, etc.), deben colocarse del lado izquierdo fuera del bloque, conectadas al diagrama mediante una flecha con dirección a la derecha, no se debe colocar nuevos bloques, sólo debe ir indicado el valor de la variable y su unidad de medida. (Nota: del lado izquierdo no van materiales usados en la práctica o reactivos.) Ej: TERMODINÁMICA Manual de Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN Página x Las acciones que involucren relaciones másicas (por ejemplo la muestra o materia prima) en el proceso deben estar fuera de los bloques del diagrama y se colocan del lado derecho de este, relacionándose con el diagrama mediante el uso de una flecha que señale hacia el lado izquierdo, este tipo de relaciones pueden ser adiciones, mezclas, materiales, entre otras, Ej. TERMODINÁMICA Manual de Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN Página xi Si una hoja no es suficiente para representar el diagrama de bloques este se puede seccionar indicando con un símbolo griego dentro de un c í r c u l o p e q u e ñ o a manera de conexión entre sección y sección. Ej. TERMODINÁMICA Manual de Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN Página xii V. Resultados (0.4). Presenta los resultados obtenidos en la práctica de forma condensada, organizada y clara; utilizando cuadros, figuras, esquemas, (los cuales deben llevar numeración y nombre) etc., para que sirvan de referencia al análisis y discusión de los mismos. Después de cada cuadro. Se debe hacer una breve descripción del contenido de la misma. VI. Análisis y discusión de resultados (1.3). Es un análisis de la calidad de los resultados experimentales obtenidos, comparándolos con referencias conocidas u otros datos de la bibliografía, debe responder a preguntas como: ¿Los resultados son comparables y reproducibles? ¿El procedimiento se desarrolló conforme al método estándar? Se deben dar explicaciones oportunas para justificar los errores y otras desviaciones respecto a lo esperado, analizar y fundamentar la forma de corregirlos, además, la manera de mejorar la precisión. Se deben aportar ideas sobre cómo se podrían solucionar problemas parecidos en el desarrollo del trabajo práctico. Se deben incluir los resultados obtenidos ya analizados y expresados en cuadros, gráficas o figuras de ser necesario. Los resultados deben presentarse como promedio de todas las replicas que se hayan realizado en la sesión experimental. Las preguntas que se encuentran en el análisis de resultados son solamente una guía que tienen la finalidad de dar una idea de la información mínima que se debe presentar en ésta sección, por lo que la estructura no se debe presentar como un cuestionario. VII. Conclusiones (1.0). Es una descripción breve y puntual de los resultados obtenidos en el laboratorio, considerando las variables modificadas, los antecedentes y la discusión de resultados; en total congruencia con los objetivos planteados.VIII. Referencias (Obligatorio). Se deben consultar libros, artículos de revistas y páginas electrónicas. Ver Anexo a la calendarización. TERMODINÁMICA Manual de Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN Página xiii IX. Anexos (Obligatorio). En esta sección se registran los datos experimentales y se desarrolla completamente el tratamiento matemático realizado. Este tratamiento se puede incluir el uso de algún programa de cómputo como Excel, Mathcad, Mathematica, etc. II. ACREDITACIÓN DEL CURSO Para la acreditación del curso el alumno deberá cubrir los siguientes requisitos: Asistencia mínima de 80%. La calificación mínima aprobatoria será de 6.0 (la calificación será consecuencia de los porcentajes de la evaluación individual del alumno). No adeudo de material. La calificación final del laboratorio representará el 30% de la calificación final del curso teórico-práctico y deberá ser acreditada para promediarla con la calificación de teoría; en caso de obtener una calificación menor a 6.0 en el curso práctico, el alumno no tendrá derecho a examen extraordinario, solo ETS donde se evaluará tanto la parte teórica como experimental. TERMODINÁMICA Manual de Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN Página xiv III. ANEXO A LA CALENDARIZACIÓN. Al realizar la introducción o desarrollo del marco teórico se debe “citar” las fuentes de la información, de la siguiente forma: Citas en el texto (se cita únicamente el primer apellido, año) Un autor: (Smith, 2003) Dos autores: (Smith y Thompson, 2003) Tres o más autores: (Smith et al., 2003) Citas múltiples: (Smith et al., 2003; Jones et al., 2003) Mismo autor, mismo año: (Smith y Thompson, 2000a,b,c) Mismo autor, diferentes años: (Smith et al., 1999, 2001) Para el caso de referencias finales o generales se debe seguir los siguientes ejemplos del formato a utilizar en la lista de referencias las cuales deberán presentarse por orden alfabético sin distinción del tipo de referencia. Artículos en revistas: Apellido1, Nombre1 y Apellido2, Nombre2. Año. Título del artículo (no traducido). Nombre de la revista en itálicas. Vol.x(No.z):a-b (paginas). Dawson, TM y Snyder, SH. 1991. Epidemiology of heart failure. Journal of Neuroscience. 14(2):5147-5149. Libros: Apellido, Nombre. Año. Título del libro en itálicas. Edición. Casa editora:Ciudad y País de edición. Strunk W, White EB. 1979. The Book of knowledge. 1st Ed. MacMillan:New York. Capítulos de libros: Apellido, Nombre. Año. Título del libro en itálicas. Edición. Casa editora: TERMODINÁMICA Manual de Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN Página xv Ciudad y País de edición, pp. A-B. Strunk W, White EB. 1979. The Book of knowledge. 1st. Ed. MacMillan:New York, pp.106-195. Material electrónico: Organización. Título de la página. Lugar. Disponible en: <dirección de Internet>. (Consulta: fecha) Weibel S. Metadata: the foundations of resource description. D-lib Magazine, (online). Disponible en: http://www.dlib.org/dlib/july95/07weibel.html. (Consulta: junio 9, 2010) Periódico: Autor (si se especifica). Nombre del periódico. Título del artículo. Fecha. p.x. Excelsior. Las Bolsas de América Latina Seguirán Atrayendo al Capital Externo: Expertos. 24 de febrero de 1997. p.2-F. http://www.dlib.org/dlib/july95/07weibel.html TERMODINÁMICA Manual de Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN Página xvi UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE INGENIERÍA CAMPUS ZACATECAS LABORATORIO DE TERMODINÁMICA Número y nombre de práctica_______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________ No de Equipo: __________ Grupo: _________ Programa Académico: _________________________ Fecha: ____________ Integrantes: ______________________________________________________ Boleta: ____________ ______________________________________________________ Boleta: ____________ ______________________________________________________ Boleta: ____________ ______________________________________________________ Boleta: ____________ ______________________________________________________ Boleta: ____________ ______________________________________________________ Boleta: ____________ LISTA DE COTEJO PARA EL INFORME DE PRÁCTICA INSTRUCCIONES: A continuación se presentan los criterios a ser evaluados en reporte de práctica mediante la revisión de los mismos. Pu nt ua ci ón m áx im a TO TA L No. El informe... Extra Fue entregado en el tiempo establecido. Obligatorio Se presenta engrapado o engargolado, en hojas blancas limpias, sin arrugar y foliadas. Está organizado de acuerdo al índice. Utiliza vocabulario propio de la práctica, presenta buena ortografía y redacción. I y II Con la introducción el lector se forma una idea general completa del trabajo realizado. Incluye el qué, el para qué, el cómo y qué resultó. No incluye detalles del procedimiento experimental. El objetivo general resalta los aspectos más relevantes de la práctica. 0.4 III y IV Se describe el trabajo práctico paso a paso según el método y las técnicas utilizados, tal como se procedió en el laboratorio no como se hubiera querido hacer, sino cómo se hizo realmente. Indica los problemas o hechos fortuitos durante el desarrollo de los experimentos. Presenta el diagrama de bloques centrado en la página y contiene todas las variables modificadas durante el experimento. 0.4 V Presenta los resultados obtenidos en la práctica de forma organizada y clara (utilizando cuadros, figuras, esquemas), para que sirvan de referencia al análisis y discusión de los mismos 0.4 VI En la sección de Análisis y Discusión de Resultados se analiza el comportamiento de los datos experimentales y los compara con lo esperado teóricamente. Discute las posibles fuentes de error y justifica dicho comportamiento mediante citas de referencias bibliográficas. Propone mejoras y recomendaciones para trabajos posteriores basados en la experiencia vivida. 1.3 VII Plantea conclusiones basadas en la discusión de los resultados y en total congruencia con los objetivos planteados. 1.0 VIII Contiene el número mínimo de referencias y utiliza el formato solicitado. Se incluyen libros, artículos de revistas y páginas electrónicas. OBLIG IX Presenta un Anexo donde se resuelve la secuencia de cálculo, mediante uso de algún programa de computo (Excel, Mathcad, etc.). OBLIG OBSERVACIONES: PUNTOS Nombre y Firma del docente: ________________________________________________ Fecha de revisión: __________________ TERMODINÁMICA Manual de Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN Página xvii TERMODINÁMICA Laboratorio Buenas Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN Página xviii BUENAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO El laboratorio es un lugar de trabajo que requiere de ciertas medidas con la finalidad de propiciar un desempeño óptimo tanto para los alumnos como para los docentes. Las buenas prácticas de laboratorio incluyen reglas y recomendaciones relacionadas con el conocimiento, el sentido común y la solidaridad en el trabajo. A continuación se enlistan las recomendaciones a seguir en el laboratorio de Bioingeniería: Será obligatorio usar vestimenta adecuada: bata larga de manga larga y color blanco, que cubra la ropa de calle, esta debe ser preferentemente de algodón (no será utilizada fuera del laboratorio), zapatos cerrados (no sandalias ni zapatillas) y tener el pelo recogido, los hombres deben evitar la barba, o bien usarla muy corta. En los casos debidos y donde los protocolos lo indiquen, utilizar lentes de protección. Aunque la práctica sea sencilla esta regla no deberá ser pasada por alto. No traer bata será motivo para no ser aceptado en el laboratorio. Se debe entrar al laboratoriosólo con la indicación del maestro. La entrada al mismo debe ser de manera ordenada. Seguir siempre y cuidadosamente todas las instrucciones escritas o verbales que proporcionen el maestro o responsable de laboratorio. Queda prohibida la visita de personas ajenas a la práctica que se realiza. Las visitas al laboratorio quedan limitadas. Si se permite la entrada a una persona al laboratorio, esta se debe acompañar de un miembro del personal y ser provista de una bata. Estará prohibido comer, beber, almacenar alimentos, correr, fumar, maquillarse, recibir llamadas telefónicas, mensajes de texto por teléfono celular o manipular lentes de contacto en el laboratorio. Aún cuando no se estén realizando trabajos prácticos (teóricos, discusiones, etc.). Los alumnos y docentes deben estar familiarizados con los elementos de seguridad disponibles, salidas, extintores, regaderas y lavaojos. Deben ubicar y conocer el funcionamiento del equipo de emergencias: regaderas de seguridad, lavadores de ojos, mantas contra incendios, extintores, botiquín, teléfonos de emergencias, alarmas y salidas de emergencia. TERMODINÁMICA Laboratorio Buenas Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN Página xix Asumir siempre que todas las sustancias químicas son tóxicas y que los materiales biológicos son infecciosos. Los artículos personales como suéteres, bolsas, libros, mochilas nunca deberán colocarse sobre las mesas de trabajo. Pregunta al responsable de laboratorio cuál es el lugar designado para guardar tus pertenencias. Traer el material completo solicitado para el desarrollo de la sesión; así como la práctica correspondiente impresa. Al entrar a un Laboratorio evitar tocar o utilizar equipos, reactivos o materiales hasta recibir autorización para ello. Consultar previamente las hojas de datos de seguridad de las sustancias que se manejaran en la práctica de laboratorio. Antes de iniciar algún experimento, se deberá conocer el protocolo y toda la información que se disponga al respecto, teniendo presente siempre cualquier precaución recomendada, deberá leerse el protocolo detenidamente para adquirir una idea clara de su objetivo, fundamento y técnica. Los resultados deben ser siempre anotados cuidadosamente apenas se conozcan. El área de trabajo debe estar limpia y ordenada. Se debe asegurar que la mesa de trabajo esté limpia al comenzar y al terminar el trabajo realizado, por lo que debe lavarse con agua y jabón. Para poder realizar la posterior limpieza del laboratorio, las mesas de trabajo y de los equipos de laboratorio, deberán despejarse de componentes, documentos u objetos personales, evitando así el deterioro o pérdida de los mismos. Trabajar siempre en áreas ventiladas. Usar los extractores y la campana de extracción al manejar sustancias volátiles y nunca meter la cabeza dentro de ella. Nunca se deben probar, tocar u oler directamente alguno de los materiales de los experimentos. La manera correcta de detectar olores en el laboratorio es abanicando los vapores con la mano hacia la nariz sin acercar la cara a la boca del recipiente. Lavarse las manos antes de iniciar y después de cada sesión de trabajo, es decir al entrar y antes de salir del laboratorio. TERMODINÁMICA Laboratorio Buenas Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN Página xx Después de hacer uso del equipo cerciorarse de que se ha dejado limpio y apagado. Reportar inmediatamente al Docente responsable algún daño, falla o si se observan los cables del cordón eléctrico expuestos. Notificar inmediatamente al maestro si un termómetro de mercurio se rompe. No tocar el mercurio, ya que este metal es muy tóxico. Toda herida, aún los pequeños cortes, que se produzca durante un trabajo práctico deben ser informados obligatoriamente al docente. Heridas o abrasiones preexistentes en la piel deben ser cubiertas adecuadamente con elementos protectores. Manejar los residuos de laboratorio adecuadamente. Nunca eliminar una sustancia en el drenaje, a menos que se haya previamente desactivado o que se indique así, porque se trata de una sustancia no peligrosa. Los residuos considerados peligrosos se deben colocar en contenedores previamente designados y etiquetados para ello. Consultar al Docente o Técnico del laboratorio. Antes de recolectar un residuo en un recipiente cerciorarse de que cuenta con una etiqueta para identificado y lee cuidadosamente esta etiqueta. El mezclar dos residuos diferentes puede ser peligroso. Los restos de papel, madera, algodón, etc. colócalos en los recipientes para basura. Coloca el material de vidrio quebrado en las cajas de cartón designadas para ello. Los reactivos dentro del Laboratorio pueden encontrarse en dos formas principalmente, líquidos a diferentes concentraciones o polvos, para manejarlos correctamente y evitar contaminaciones o pérdidas debe seleccionarse correctamente el material para contenerlo o medirlo. Para retirar líquidos: Utilizar un matraz pequeño o un vaso de precipitados para obtener la cantidad deseada de la botella del reactivo. Nunca introducir pipetas o materiales extraños a las botellas. Usar un embudo para transferir el líquido a un frasco o matraz aforado. Si se quiere medir el líquido se debe seleccionar el contenedor de acuerdo a la precisión deseada, un matraz Erlenmeyer ofrece una precisión de ±10mL, un vaso de precipitados de 500mL ofrece una precisión de ±25mL aproximadamente y una bureta por ejemplo ofrece una precisión de ±1mL. TERMODINÁMICA Laboratorio Buenas Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN Página xxi Para retirar sólidos: Se debe utilizar un platillo de pesaje para depositar la cantidad deseada, el sólido debe obtenerse del frasco mediante una espátula o cucharilla limpia y seca. Si las cantidades del sólido son muy pequeñas, este se debe disolver en un vaso de precipitados antes de transferirla a un matraz aforado, el vaso debe ser enjuagado con pequeñas cantidades del disolvente utilizado. De otro modo debe transferirse el sólido con ayuda de un embudo para sólidos. Para emplear una pipeta: utilizar una pera de succión o propipeta conectada al extremo de la pipeta, extraer el líquido del recipiente a la pipeta hasta que pase la marca de aforo, en el tallo de la pipeta. De manera rápida remplaza el bulbo con tu dedo y con cuidado permite que entre aire, para que el líquido drene la pipeta. Suspende el flujo hasta el aforo. Introduce la pipeta en el matraz y deja salir el líquido remanente. Utilizar una pipeta diferente para medir cada líquido y enjuagarla si ya no se va a utilizar. Como utilizar una balanza: Limpia la charola con una brocha suave; si la charola esta manchada, con ayuda del Técnico Docente retira la charola y límpiala. Calibra a cero la balanza antes de utilizarla, de otro modo todos los datos de masa estarán erróneos. Utiliza un platillo para pesar y contener la muestra; pesa el platillo y registra el dato o utiliza la función de “tara”, agrega la muestra; determina la masa de la muestra calculando la diferencia. Como utilizar un mechero de gas: asegúrate de conectar bien, con tubos de hule sin fisuras, el mechero al suministro de gas. Gradualmente incrementa el flujo de gas y enciende la flama. Ajusta la mezcla de aire/gas para obtener una flama estable y caliente. Tomar únicamente la cantidad de reactivos que se haya calculado para el experimento, evitar desperdicios y una mayor generación de residuos. Los remanentes de reactivos utilizados no deben regresarse a los envases originales y deben manejarse con pipetas y espátulas limpias y secas. No utilizar reactivos que carezcan de etiquetas. Tapar de inmediato los frascos de reactivo y medios de cultivo. Al preparar una solución hay que anotar de inmediato en el frasco el nombre del reactivo, la concentración, la fecha de preparación y el nombre TERMODINÁMICA Laboratorio Buenas Prácticasde Laboratorio UPIIZ-IPN Página xxii de la persona que lo preparó; los frascos sin etiquetas serán automáticamente desechados. Cuando necesites encender un mechero, nunca lo hagas con un papel, puedes iniciar un incendio. Cuando ocurra un pequeño incendio se debe apagar con una franela húmeda y si el fuego se extiende utilizar el extintor y recubrirlo con arena. Evitar tirar residuos sólidos en los vertederos o tarjas. Se deben identificar los recipientes adecuados para la basura, separando los que reciban papel y vidrios rotos. Debe destruirse el material de vidrio astillado o quebrado. Revisar cuidadosamente todo el material de vidrio solicitado, antes de usarlo, si se observa que está estrellado, quebrado o sucio no utilizarlo, por seguridad. Se podrá usar todo el equipo disponible en el laboratorio, incluyendo cristalería, debiendo entregarse perfectamente limpio. Al terminar las actividades en el laboratorio se debe limpiar y lavar el material y equipo que se utilizaron. Eliminar las cintas, etiquetas autoadheribles o letreros que se hayan colocado en el material de vidrio. Limpiar con agua, jabón y un trapo o papel el área de trabajo de laboratorio (utilizar guantes para hacerlo). Si se usó un trapo enjuagarlo muy bien al final para evitar contaminaciones. Antes de salir del laboratorio cerciórate de que las llaves de agua, gas, aire o vacío quedaron perfectamente bien cerradas. Al salir del laboratorio quítate la bata y guárdala dentro de una bolsa de plástico dentro de tus pertenencias, recuerda que pudo haberse contaminado. No acudas a sitios públicos portándola. En tu casa lávala con agua y jabón, separada de la demás ropa. A los usuarios que infrinjan las buenas prácticas de laboratorio de Bioingeniería, serán amonestados de acuerdo con las sanciones impuestas en el Reglamento de Laboratorios de Ciencias Básicas de la UPIIZ. REGLAS Y SUGERENCIAS DE ESTILO PARA MANUSCRITOS CIENTÍFICOS Nombres científicos TERMODINÁMICA Laboratorio Buenas Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN Página xxiii En itálicas, con la primera letra del género en mayúscula y la primera letra de la especie en minúscula. Ejemplo: Anacardium excelsum. La primera vez que se presenta el nombre en el manuscrito, se debe usar el nombre completo, junto con la familia. Ejemplo: Anacardium excelsum (Anacardiaceae). Después de la primera vez en un artículo, se puede usar la forma corta: A. excelsum. Unidades de medidas Usar solamente unidades del Sistema Internacional; usar abreviaciones (cm, m, km, g, kg, m2, cm2, mL, L, MPa, s, min, °C). Ejemplo: un área de 15km2. Cuando tienes medidas compuestas, si hay dos unidades, sepáralos con una "/"; si hay tres o más, debes usar exponentes. Ejemplo: 23 plantas / m2; 1.5 L m- 2 min-1. Mantener el paralelismo Si el estudio tiene más de un componente, presentar los componentes en el mismo orden en la Introducción, la Metodología, los Resultados, y la Discusión. Esto va a ayudar mucho al lector. Dar crédito a las fuentes de ideas y datos Cuando tomas información de un libro o artículo para usar en tu estudio, hay que dar crédito en la entrega. Cada referencia incluida en el texto debe incluirse en la bibliografía y cada referencia en la bibliografía se debe ubicar en el texto también. Ayudar al lector Es trabajo del escritor comunicarse con el lector, no del lector desarmar los nudos del autor. Cada párrafo debe empezar con una frase que da el mensaje más importante del párrafo. Las frases siguientes dan detalles y apoyan a la primera frase. Debe ser posible leer solamente la primera frase de cada párrafo en el artículo y recibir el mensaje central del manuscrito. Cuando estás escribiendo, a TERMODINÁMICA Laboratorio Buenas Prácticas de Laboratorio UPIIZ-IPN Página xxiv veces ayuda escribir todas las "primeras frases" primero y después volver y llenar los huecos. Tablas y gráficos Las tablas y los gráficos deben ser comprensibles sin necesidad del texto. La leyenda de una tabla se pone arriba de la tabla y la de un gráfico, abajo. Estadísticas Cuando se presenta la estadística en el texto, siempre hay que presentar toda la información necesaria para decidir si los datos son confiables. Los promedios deben llevar una medida de desviación estándar y el tamaño de la muestra y las pruebas deben tener (1) el tipo y valor de la estadística, (2) indicación del tamaño de la muestra o grados de libertad, (3) el valor de significación y (4) el tipo de prueba, si no es obvio de la estadística. Ejemplo: "La plantas en el sol tenían hojas significativamente más grande (promedio = 15.8, d.e.= 2.3, n = 24) que las de sombra (promedio = 7.6, d.e. = 4.2, n=22) (t = 25.3, g.l.= 20, P = .01)." Voz y tiempo Muchas revistas científicas ahora prefieren la voz activa sobre la voz pasiva. Ejemplo: "Sembramos las semillas en suelo colectado cerca del árbol madre", en vez de "Las semillas se sembraron en suelo colectado cerca del árbol madre". Puedes usar cualquiera de las dos, pero debes ser consistente. Usar el tiempo presente cuando escribes de datos ya publicados. Usar los tiempos pasados cuando escribes sobre el estudio actual. Ejemplo: "En Barro Colorado existe más de un pico estacional de caída de frutos (Foster 1990). En nuestro estudio, las especies de árboles estudiados mostraron picos de caída tanto en enero como en junio." TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 1 UPIIZ-IPN Página 1 PRÁCTICA No. 1 VARIACIÓN DEL VOLUMEN DE UN GAS CON RESPECTO A LA PRESIÓN Y A LA TEMPERATURA 1. OBJETIVOS 1.1. Objetivo general El alumno comprobará la relación existente entre presión, volumen y temperatura para un sistema constituido por un gas considerando su comportamiento real e ideal. 1.2. Objetivos específicos El alumno determinará experimentalmente el efecto de la variación de la presión en el volumen ocupado por un gas considerado como ideal manteniendo la temperatura constante. El alumno comprobará la ley de Boyle. El alumno determinará experimentalmente el efecto de la variación de la temperatura en el volumen ocupado por un gas considerado su comportamiento real manteniendo la presión constante. El alumno determinará el efecto de la variación de la temperatura en el volumen ocupado por un gas considerando su comportamiento ideal manteniendo la presión constante. El alumno comprobará la ley de Charles o Gay-Lusac. 2. INTRODUCCIÓN La termodinámica (de las palabras griegas <<calor>> y <<potencia>>), es el estudio del calor, el trabajo, la energía y los cambios que provocan en los estados de los sistemas, nació en el siglo XIX por la necesidad de describir el funcionamiento de las máquinas de vapor y establecer los límites de lo que éstas podían realizar. TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 1 UPIIZ-IPN Página 2 En termodinámica se conoce como sistema la parte macroscópica del universo que se quiere estudiar, por lo que una célula, un balón de futbol, un gas, etc, pueden ser el sistema de interés. Un gas es un estado de agregación de la materia, que no tiene forma ni volumen propio, ya que éste, se expande espontáneamente hasta ocupar el volumen del recipiente que lo contiene. Los gases son muy compresibles, esto es, cuando se aplica presión a un gas o se le disminuye la temperatura, éste disminuye su volumen fácilmente. Los gases forman mezclas homogéneas unos con otros, sin importar las identidades ni las proporciones relativas de los gases componentes de la mezcla (por ejemplo, los gases de agua y gasolina forman una mezcla homogénea). Las propiedades características de los gases, se deben a que las moléculas individuales, están relativamente alejadas unas de las otras, así, cada molécula se comporta en gran medida como si las otras no estuvieran presentes, por lo que,los distintos gases se comportan de manera similar, aunque se componen de moléculas distintas. El estado termodinámico de un sistema está definido por sus propiedades macroscópicas mensurables, por ejemplo, dentro de las propiedades de un gas que son más fáciles de medir están su temperatura, volumen y presión, por lo que varios de los estudios de los gases, se concentran en las relaciones entre dichas propiedades. El estudio de las relaciones PVT para un gas, puede hacerse a través de ecuaciones como la de los gases ideales, la ecuación de Van der Waals, la ecuación Virial, entre otras. El estudio de un gas de forma hipotética, se hace a través de la ecuación del gas ideal. � Donde P es presión del gas V es el volumen que ocupa el gas n es el número de moles de gas R es la constante de los gases ideales, cuyo valor depende de las unidades en que ésta se exprese, por ejemplo T es la temperatura absoluta del gas, expresada en grados Kelvin Ec. 1 TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 1 UPIIZ-IPN Página 3 En la ecuación 1, conocida como la ley combinada de los gases ideales, se analiza la relación PVT para un gas de forma idealizada, ya que no se toman en cuenta sus interacciones moleculares ni el volumen que ocupan las moléculas. Debido a que los gases reales se desvían respecto al comportamiento ideal, ya que las moléculas si ocupan un espacio y hay atracciones y repulsiones entre ellas, surge la necesidad de ecuaciones que describan el comportamiento PVT de un gas, pero de una forma más real, dando como resultado la ecuación de Van der Waals, en la cual si se considera el volumen finito de las moléculas y se hace una corrección al valor de la presión con un factor que considera la fuerza de atracción entre moléculas. La ecuación de van der Waals tiene la siguiente forma: − � Donde b es una constante que considera el volumen molecular, y sus unidades son a es una constante que indica qué tan fuerte se atraen las moléculas de un determinado gas y sus unidades son Las constantes a y b tienen valores distintos para cada gas. 3. PROTOCOLO DE INVESTIGACIÓN a) Investigue que es la presión, cuáles son sus unidades en el sistema ingles y en el SI y proporcione las 5 equivalencias pedidas para ésta propiedad termodinámica __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ Ec. 2 TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 1 UPIIZ-IPN Página 4 Equivalencias _________________amt = ________________Pa _________________bar = ________________atm ________________mm de Hg= ________________atm _________________psi = ________________atm _________________Torr = ________________atm b) Explique que es la presión barométrica y cómo se mide __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ c) Explique que es la presión manométrica y cómo se mide. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ d) Investigar la presión barométrica (atm) en la ciudad de Zacatecas. TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 1 UPIIZ-IPN Página 5 __________________________________________________________________ e) Investigue el funcionamiento de un manómetro en forma de U, haga un esquema ilustrativo de éste y señale como se miden los cambios de altura entre las dos columnas. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ ESQUEMA DE MANÓMETRO EN FORMA DE U f) Explique que es temperatura, cuáles son sus unidades y proporcione las ecuaciones que relacionan las diferentes escalas (K, °F, °C y °R) de temperatura. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ Ecuaciones: TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 1 UPIIZ-IPN Página 6 g) Explique que es una escala de temperatura absoluta y una escala de temperatura relativa. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ h) Explique que es el volumen, cuáles son sus unidades en el SI y en el sistema inglés y proporcione 5 equivalencias entre ellas. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ Equivalencias _________________mL = ________________cm3 _________________ L= ________________m3 ________________cm3= ________________m3 _________________ft3 = ________________m3 _________________in3 = ________________m3 TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 1 UPIIZ-IPN Página 7 i) Investigue las siguientes propiedades del mercurio Cuadro 1.- Propiedades del Hg Sustancia Densidad (g/ml) Punto de fusión Punto de ebullición Toxicidad Hg j) Explique la ley de Boyle y proporcione la ecuación que la describe. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ Ecuación: k) Explique qué es y haga un dibujo de una isoterma. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ Esquema TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 1 UPIIZ-IPN Página 8 l) Explique qué es y haga un dibujo de una isobara __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ Esquema m) Explique qué es y haga un dibujo deuna isocora. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ Esquema . TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 1 UPIIZ-IPN Página 9 n) Explique la ley de Charles y proporcione la ecuación que la describe __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ Ecuación o) Investigue la composición química del aire y su peso molecular promedio __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ p) Complete el siguiente cuadro con la información requerida Cuadro 2.- Código de colores en reactivos usados en el laboratorio Nombre de la sustancia Y Fórmula química condensada Clasificación de la sustancia de acuerdo al código de colores Riesgos a la salud Cuidados para su manipulación Acciones básicas en caso de derrame o ingesta Mercurio TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 1 UPIIZ-IPN Página 10 q) Realice el diagrama de bloques de la secuencia experimental de la presente práctica TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 1 UPIIZ-IPN Página 11 4. MATERIALES Y REACTIVOS 1 vaso de precipitado de 100mL 20 mL de mercurio 1 vaso de precipitado de 250mL 1 soporte universal 1 pinza para bureta 1 termómetro 1 tubo de vidrio en forma de U 1 matraz Erlenmeyer de 250 mL 1 tapón de dos orificios (para matraz) 1 probeta de 100 mL 1 manguera 1 tapón de hule (para tubo U) 1 Verniere 1 plancha de calentamiento 1 varilla de vidrio de 5 cm 2 tubos de ensaye con tapa 1 gradilla 1 regla 1 jeringa de 5 mL 2 ligas Cinta 5. DESARROLLO EXPERIMENTAL Y RESULTADOS 5.1.- Variación del volumen de un gas ideal con respecto a la presión a) Medir el diámetro interno de un tubo en forma de U con un verniere y registrarlo en el cuadro 3. b) Colocar un tapón de hule en uno de los extremos de un tubo en forma de U y verificar que este perfectamente sellado, introduciendo el lado tapado del tubo en un recipiente con agua y soplar, si escapan burbujas de aire el sello no es perfecto. c) Con una jeringa colocar mercurio (8mL) en la base del tubo en U y nivelar las dos alturas para igualar la presión del gas atrapado a la presión atmosférica. TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 1 UPIIZ-IPN Página 12 d) Colocar el tubo de vidrio en una pinza para bureta sobre un soporte universal, y una vez nivelado el mercurio en los 2 lados, medir la distancia que ocupa el gas atrapado en uno de los lados del tubo en forma de U, registrándolo en el cuadro 3. e) El volumen inicial del gas atrapado deberá calcularse conociendo la altura de la columna del gas y el diámetro del tubo de vidrio, dicho volumen se considera como volumen inicial. El gas atrapado se considera como gas ideal. CUADRO 3.- Datos iniciales del gas atrapado en el tubo en U Diámetro interno del tubo en U (cm) Longitud del aire atrapado en un lado del tubo en forma de U (cm) Volumen (cm3) Temperatura ambiente (°C) f) Adaptar una regla en posición vertical, de manera tal que se pueda leer con precisión las variaciones de altura entre las dos columnas de Hg (sujetar en medio del tubo en U la regla utilizando ligas). g) Añadir 2 mL de mercurio por el extremo abierto y registrar el cambio de altura entre las dos columnas de Hg. h) Realizar 6 adiciones de 2 ml de mercurio, hacer las lecturas del cambio de altura entre las dos columnas del manómetro en forma de U para cada una de ellas y registrarlas en el cuadro 4. Cuadro 4.- Diferencia de alturas entre las dos columnas de mercurio Medición Volumen agregado de mercurio (mL) Diferencia de alturas entre las dos columnas de mercurio (cm) 1 2 2 4 3 6 4 8 5 10 6 12 TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 1 UPIIZ-IPN Página 13 5.2.- Variación del volumen de un gas ideal con respecto a la temperatura a) Hacer el montaje que se muestra en la figura 1 como se indica a continuación: Colocar 16 ml de Hg en el tubo en forma de U, nivelando la altura de la columna de mercurio en los 2 extremos. Colocar el tubo en forma de U en la pinza para bureta y montarlo en el soporte universal. Marcar el nivel de mercurio con un plumón, específicamente del lado que se conectará al sistema de expansión de gas. Colocar la varilla de vidrio que a su vez está conectada a una manguera, en el tapón de hule de 2 orificios, posteriormente colocar el termómetro (se sugiere utilizar un poco de glicerina para mayor facilidad). Tapar el matraz Erlenmeyer con este armazón. Ensamblar la manguera en el tubo en forma de U y colocar el matraz en la parrilla de calentamiento, registrando la temperatura inicial del gas atrapado. b) Hacer 5 mediciones del desplazamiento de la columna de mercurio (marque con un plumón los cambios en la altura de la columna en U) para cada 4°C de incremento de temperatura, y regístrelos en el cuadro 5. (checar que no haya burbujeo del mercurio, lo que indicaría que el gas está escapando del sistema). Cuadro 5.- Longitud desplazada de mercurio a diferentes temperaturas Temperatura (°C) Longitud de desplazamiento de mercurio en tubo en U (cm) T1= T2= T3= T4= T5= TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 1 UPIIZ-IPN Página 14 c) Una vez que se realizó el experimento, medir el volumen inicial que ocupó el gas, utilizando agua (esto es, llenar con agua el matraz erlenmeyer, la varilla de vidrio y la manguera) y considere el gas contenido en el tubo en forma de U, obteniendo su volumen con la altura y diámetro del tubo en U), registrando estos datos en cm3 a continuación. Cuadro 6.- Volumen inicial de gas Volumen ocupado por gas en matraz Erlenmeyer con tapón y varilla (mL) Volumen ocupado por gas en manguera (mL) Volumen ocupado por gas en tubo en U (mL) Volumen total inicial (mL) 6. ANÁLISIS DE RESULTADOS 6.1.- Variación del volumen de un gas ideal con respecto a la presión. 1.- Obtenga el volumen inicial de aire atrapado en el tubo en forma de U a través del diámetro interno de éste y la altura ocupada de gas atrapado, considerando la columna como un cilindro. 2.- Obtenga los moles de aire que se tienen en ese volumen, considerando el gas como ideal y la presión barométrica de la ciudad de Zacatecas. 3.- Obtenga la masa de aire y reporte sus resultados en el cuadro 7. Cuadro 7.- Volumen inicial, moles y masa de aire Diámetro de tubo (cm) Longitud de columna ocupada por gas (cm) Presión barométrica de Zacatecas (atm) Volumen inicial de gas TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 1 UPIIZ-IPN Página 15 (cm3) Volumen inicial de gas (L) Temperatura ambiente (K) Moles de aire Peso molecular promedio de aire Masa de aire (g) 4.- Obtenga la presión manométrica (convierta la diferencia de las alturas de centímetros de mercurio a milímetros de mercurio y posteriormente conviértalas a atmósferas) que se ejerció con cada adición de mercurio, utilizando la diferencia de alturas entre las dos columnas del manómetro en forma de U y llene el cuadro 8. 5.- Considerando el volumen inicial ocupado por el gas y la presiónmanométrica obtenga a través de la ecuación de Boyle el volumen del gas considerado como ideal para cada cambio de presión y repórtelo en el cuadro 8. Cuadro 8.- Presión manométrica y volumen del gas ideal Medición Diferencia de alturas (cm) Presión (mmHg) Presión (atm) Volumen (cm3) 1 P1 P1 V1 2 P2 P2 V2 3 P3 P3 V3 4 P4 P4 V4 5 P5 P5 V5 6 P6 P6 V6 NOTA.- Reporte los cálculos realizados para obtener los moles y masa de aire contenidos en el tubo U y por lo menos un ejemplo del cálculo realizado para obtener la presión y a partir de la presión el cálculo de volumen ocupado por el gas a través de la ley de Boyle. 6.- Obtenga la presión total (presión manométrica + presión barométrica) ejercida sobre el aire para cada adición de mercurio y reporte los resultados en el cuadro 9. TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 1 UPIIZ-IPN Página 16 Cuadro 9.- Presión total ejercida sobre el gas ideal Presión Total (atm) P1 P2 P3 P4 P5 P6 7.- Construir un gráfico de presión manométrica en atmosferas ejercida sobre el gas contra el volumen en cm3 del gas. 8.- A través de las gráficas obtenidas explique la relación existente entre el volumen de un gas respecto a la presión ejercida sobre él. 9.- Utilice método de ajuste y proporcione el valor de R2, en caso de no obtener una isoterma explique los errores experimentales que provocaron esas variaciones. 6.2.- Variación del volumen de un gas ideal con respecto a la temperatura 1.- Considerando la presión atmosférica de Zacatecas, la temperatura ambiente y utilizando el volumen inicial de aire contenido en éste sistema, obtenga los moles de gas considerándolo como ideal. Reporte sus resultados en el cuadro 10. 2.- Obtenga la masa de aire contenida en el sistema. Reporte sus resultados en el cuadro 10. Cuadro 10.- Condiciones experimentales del sistema de interés Presión atmosférica en Zacatecas (atm) Temperatura ambiente (K) Volumen inicial de aire (L) Moles de aire Masa de aire (g) TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 1 UPIIZ-IPN Página 17 3.- Considerando el diámetro del tubo en U y las alturas obtenidas en el experimento para cada incremento en 4°C de la temperatura, obtenga el volumen que ocupa el gas de forma experimental, considerando la columna como un cilindro. Reporte sus resultados en el cuadro 11. 4.- Utilizando la ley de Charles o Gay Lusac, obtenga a través de cálculos el volumen que ocupa el gas considerándolo como ideal para cada temperatura. Reporte sus resultados en el cuadro 11. Cuadro 11.- Volumen experimental e ideal del aire Medición TEMPERATURA (K) VOLUMEN OBTENIDO EXPERIMENTALMENTE (cm3) VOLUMEN CONSIDERANDO EL GAS IDEAL (cm3) 1 T1= V1 V1 2 T2= V2 V2 3 T3= V3 V3 4 T4= V4 V4 5 T5= V5 V5 NOTA.- Reporte por lo menos un ejemplo del cálculo realizado para obtener los volúmenes tanto de forma experimental considerando la columna como un cilindro como los cálculos considerando el gas como ideal. 5.- Construir en un mismo gráfico de temperatura absoluta del gas contra el volumen en cm3 del gas tanto experimental como ideal. 6.- A través de las gráficas obtenidas concluya la relación existente entre el volumen de un gas respecto a la temperatura ejercida sobre él. 7.- A través de las gráficas explique las diferencias del comportamiento del gas considerando su comportamiento real e ideal. 8.- Utilice método de ajuste y proporcione el valor de R2 y explique las causas de las variaciones. 9.- Explique si usaría la ecuación de los gases ideales para describir el comportamiento de un gas real? ¿Por qué? TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 1 UPIIZ-IPN Página 18 7. CONCLUSIONES Proporcione las conclusiones de la presente práctica 8. BIBLIOGRAFÍA Smith, Van Ness, Abbott, Introducción a la termodinámica en Ingeniería Química, Septima edición Leopoldo García-Colín Scherer, Introducción a la Termodinámica clásica, 4ª edición, 2005 Brown, LeMay y Bursten, Química La Ciencia Central, 11a edición, 2009. Manguera Termómetro Plancha de calentamiento Soporte universal Figura 1.-Sistema para determinar el efecto de la variación del volumen con respecto a la temperatura http://images.google.com.mx/imgres?imgurl=http://cabierta.uchile.cl/libros/l_herrera/iq54a/instru2.jpg&imgrefurl=http://cabierta.uchile.cl/libros/l_herrera/iq54a/instru.htm&usg=__LzzLy-TAwL5MKmx2yc5G9ZW4dcM=&h=327&w=135&sz=5&hl=es&start=3&um=1&tbnid=rVhu7wDbn-5dgM:&tbnh=118&tbnw=49&prev=/images?q=TUBO+EN+FORMA+DE+U&hl=es&um=1 http://www.google.com.mx/imgres?imgurl=http://www.miliarium.com/Proyectos/SuelosContaminados/EstudioSuelos/Ensayos/Matraz_Erlenmeyer.gif&imgrefurl=http://www.miliarium.com/Proyectos/SuelosContaminados/EstudioSuelos/Ensayos/EnsayosCaracterizacionSuelos.asp&h=380&w=219&sz=5&tbnid=VVGLxFaa5-Zu6M::&tbnh=123&tbnw=71&prev=/images?q=matraz&hl=es&usg=__5qh_F_85x6iaykZmHKpy3LwNUSc=&ei=aIUVSsyDJKDKtgf7i8n-DA&sa=X&oi=image_result&resnum=4&ct=image TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 2 _______________________________________________________________________________ UPIIZ-IPN Página 19 PRÁCTICA No. 2 DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD CALORÍFICA 1. OBJETIVOS 1.1. Objetivo general El alumno determinará la capacidad calorífica de un líquido problema utilizando un calorímetro simple. 1.2. Objetivos específicos El alumno conocerá el funcionamiento correcto de un calorímetro El alumno determinará la constante calorimétrica de un calorímetro El alumno determinará experimentalmente el calor específico de un líquido problema. 2. INTRODUCCIÓN La ley cero de la termodinámica afirma que cuando dos sistemas a dos temperaturas se ponen en contacto, habrá una transferencia de energía, de la fuente de mayor temperatura a la fuente de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico, esto es, hasta que los 2 sistemas en contacto alcancen la misma temperatura. Esta energía en tránsito se denomina calor, la cual es una forma de energía que se transmite de un cuerpo a otro, en virtud de una diferencia de temperatura entre ellos, por lo que el término calor, debe emplearse únicamente para designar la energía en transición, es decir, la que se transfiere de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura. Los diferentes materiales tienen diferente capacidad de absorber el calor y alcanzar una cierta temperatura, por lo cual, la capacidad calorífica (C) se puede expresar a través de la ecuación 1 y sus unidades en el SI son (J/K). TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 2 _______________________________________________________________________________ UPIIZ-IPN Página 20 ∆ ∆ Donde: C=Capacidad calorífica (Jules/K) Q= Calor (Jules) T Temperatura (Kelvin) Lo que significa, que la capacidad calorífica es una propiedad extensiva, ya que el calor requerido para lograr una variación en su temperatura depende de la cantidad de masa que se tenga, así como del tipo de sustancia. Si la capacidad calorífica de un cuerpo se divide entre la masa de éste, se obtiene una propiedad intensiva llamada capacidad específica o calor específico cuyas unidades en el SI son (J/g K), y representa la cantidad de calor requerida para que un gramo de cierta sustancia tenga una variación de 1 grado de temperatura y se expresa a través de la ecuación 2. ∆ ∆ Donde: Cp = calor específico Q= Calor m= masa en gramos T =Temperatura Las propiedades intensivas cv y cp se conocen como capacidades caloríficas porque en ciertas condiciones especiales relacionan el cambio de temperatura en un sistema con la cantidad de energía añadida por transferencia de calor, y para sustancias puras compresibles (líquidos y sólidos), se definen dela siguiente manera: cv = (∂U/∂T)v Ec. 1 Ec. 3 Ec. 2 TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 2 _______________________________________________________________________________ UPIIZ-IPN Página 21 cp = (∂H/∂T)p Dónde los subíndices v y p representan, respectivamente, las variables que se mantienen fijas durante el proceso de medición. Los valores de cv y cp pueden obtenerse mediante la mecánica estadística utilizando medidas espectroscópicas y pueden determinarse también macroscópicamente mediante mediciones de propiedades termodinámicas obteniendo resultados con gran precisión. Cómo se observa en las ecuaciones (3) y (4), cada uno de los calores específicos denota la razón de cambio de una propiedad con respecto a la temperatura, mientras otra se mantiene constante. Asimismo, la definición de cp implica que la entalpía de una sustancia pura es función de la temperatura y de la presión. En consecuencia, el cp depende en general de la temperatura y la presión. De manera análoga, la definición de cv implica que la energía interna de una sustancia pura es función de la temperatura y del volumen específico. Por tanto, el cv depende en general de la temperatura y del volumen específico. Sin embargo, cuando los gases están a presiones relativamente bajas, los calores específicos sólo dependen de la temperatura y se cumple la relación cp = cv + R, donde R es la constante de los gases ideales. Para la determinación experimental de la capacidad calorífica tanto de sólidos como de líquidos es necesario hacer un balance de energía en todo el sistema, incluyendo el recipiente donde se efectúa la medición, ya que este también consume calor, por lo que es necesario evaluar previamente la capacidad calorífica del mismo. Para calcular la capacidad calorífica del calorímetro (C) utilizando agua como sustancia de referencia, se utiliza el siguiente balance: Calor cedido por el agua adicionada = calor ganado por el calorímetro y el agua contenida en él � � − � � � � − � Ec . 5 Ec. 4 TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 2 _______________________________________________________________________________ UPIIZ-IPN Página 22 Donde: C= constante del calorímetro (J/K) Cp= calor específico del agua (J/g K) T1= temperatura en K del agua dentro del calorímetro T2= temperatura en K del agua hasta un valor determinada m1= masa en gramos de agua a T1 m2= masa en gramos de agua a T2 T3=temperatura en K de la mezcla constituida por masa de agua a T1 y masa de agua a T2. Para calcular la capacidad calorífica de un líquido problema (Cplp) se utiliza el siguiente balance, Calor cedido por el líquido problema = calor ganado por el calorímetro y el agua contenida en él � � − � � � � − � Donde: C= constante del calorímetro (J/K) Cplp= calor específico del líquido problema (J/g K) T1= temperatura en K del agua dentro del calorímetro T2= temperatura en K del líquido problema hasta un valor determinada m1= masa en gramos de agua a T1 m2= masa en gramos de líquido problema a T2 T3=temperatura en K de la mezcla constituida por masa de agua a T1 y masa de líquido problema a T2 Ec . 6 TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 2 _______________________________________________________________________________ UPIIZ-IPN Página 23 3. PROTOCOLO DE INVESTIGACIÓN 1.- ¿Qué es la calorimetría? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 2.- ¿Qué es el coeficiente de expansión térmica de un líquido? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 3.- ¿Explique cuál es el principio de operación de los termómetros de expansión de fluido? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 4.- Explique qué es el calor __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 5.- Proporcione las siguientes equivalencias de calor ____________ J = cal __________ ____________ erg = J __________ TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 2 _______________________________________________________________________________ UPIIZ-IPN Página 24 ____________ BTU = J __________ ____________ eV = J __________ 6.- ¿Qué es la capacidad calorífica? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 7.- ¿Qué es el calor específico? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 8.- Proporcione lo que se pide en el siguiente cuadro Cuadro 1.-Propiedades físicas del agua Sustancia Densidad (g/mL) Calor específico (kJ/g K) Calor específico (Kcal/mol K) Agua 9.- Explique qué es un calorímetro, haga un esquema ilustrativo y describa su funcionamiento __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 2 _______________________________________________________________________________ UPIIZ-IPN Página 25 Esquema 10.- Defina que es la constante calorimétrica de un calorímetro y cuál es la importancia de conocerla __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 11.- Explique cómo varia la densidad de los líquidos con respecto a la temperatura. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 12.- Investigue la densidad del agua a las temperaturas que se indican en el cuadro 2. TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 2 _______________________________________________________________________________ UPIIZ-IPN Página 26 Cuadro 2.- Densidad del agua con respecto a la temperatura Temperatura (°C) Densidad del agua (g/mL) Temperatura (°C) Densidad del agua (g/mL) 1 27 15 28 16 29 17 30 18 31 19 32 20 33 21 34 22 35 23 36 24 37 25 38 26 39 13.- Proporcione diagrama de bloques para el desarrollo experimental de la presente práctica. TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 2 _______________________________________________________________________________ UPIIZ-IPN Página 27TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 2 _______________________________________________________________________________ UPIIZ-IPN Página 28 4. MATERIALES Y REACTIVOS 1 calorímetro Agua 2 termómetros 0-100°C Sustancia problema 1 agitador de vidrio 2 probetas de 100 mL 2 matraces Erlenmeyer de 1000 mL 2 vasos de precipitados de 100 mL 1 Parrilla de calentamiento 1 picnómetro de 50 mL Balanza analítica 5. DESARROLLO EXPERIMENTAL Y RESULTADOS 5.1.- Determinación de la capacidad calorífica del calorímetro a) Siguiendo las instrucciones del profesor, arme el calorímetro a utilizar. b) Destape con cuidado el calorímetro y vierta 75 mL de agua a temperatura ambiente. c) Tape el calorímetro, agite hasta que la temperatura del agua dentro de él sea constante (T1) y registre este valor en el cuadro 3. d) En un matraz Erlenmeyer, calentar 75 mL de agua a 50°C. Coloque un termómetro dentro del matraz, agite hasta obtener una temperatura constante (T2) y regístrela en el cuadro 3. e) Agregue el agua a T2 al calorímetro lo más rápidamente posible, agite y anote la temperatura más alta obtenida (T3) en el cuadro 3. f) Realizar los pasos b) a e) por triplicado. Cuadro 3.- Resultados de temperaturas Muestra T1 (°C) T2 (°C) T3 (°C) 1 2 3 TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 2 _______________________________________________________________________________ UPIIZ-IPN Página 29 5.2.- Determinación de la densidad del líquido problema. a) Pese el picnómetro (seco y limpio) y registre el peso en el cuadro 4. b) Caliente 70 ml de líquido problema hasta 50°C (agitar constantemente) y coloque en el picnómetro el volumen requerido hasta la marca. c) Pese el picnómetro con el líquido problema y registre su peso en el cuadro 4. d) Realice por triplicado los pasos del b al c. Cuadro 4.- Resultados de la densidad del líquido problema. Peso del picnómetro limpio y seco (g) Volumen del picnómetro Muestra Temperatura (°C) Peso del picnómetro con líquido problema (g) 1 2 3 5.3.- Determinación de la capacidad calorífica de un líquido problema a) En un calorímetro limpio y seco vierta 80 mL de agua a temperatura ambiente b) Tape el calorímetro y agite hasta que la temperatura del agua dentro de él sea constante (T1) y registre este valor en el cuadro 5. c) En un matraz Erlenmeyer, calentar 80 mL del líquido problema hasta alcanzar una temperatura de 50 °C (agite hasta obtener una temperatura constante (T2) y regístrela en el cuadro 5. d) Agregue el líquido problema a T2 al calorímetro lo más rápidamente posible, agite y anote la temperatura más alta obtenida (T3) en el cuadro 5. e) Realice los pasos de a) a d) por triplicado Cuadro 5.- Resultados de temperaturas para determinar la capacidad calorífica de una sustancia problema Muestra T1 T2 T3 1 2 TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 2 _______________________________________________________________________________ UPIIZ-IPN Página 30 3 6. ANÁLISIS DE RESULTADOS 6.1.- Determinación de la constante del calorímetro 1.- Investigue en la bibliografía la densidad del agua a la T1 promedio y a través de ella obtenga la masa en gramos (m1) reportando sus resultados en el cuadro 6. 2.- Investigue en la bibliografía la densidad del agua a la T2 promedio y a través de ella obtenga la masa en gramos (m2) reportando sus resultados en el cuadro 6. 3.- Determine la temperatura promedio de mezclado T3 y reporte sus resultados en el cuadro 6 Cuadro 6.- Resultados de temperaturas promedio y masas promedio T1 promedio (°C) T1 promedio (K) Densidad de agua a T1 (g/mL) Volumen agregado de agua (mL) Masa de agua a T1 (m1) en gramos T2 promedio (°C) T2 promedio (K) Densidad de agua a T2 (g/mL) Volumen agregado de agua (mL) Masa de agua a T2 (m2) en gramos T3 promedio (°C) T3 promedio (K) 4.- Obtenga la constante del calorímetro (J/K) a través de la ecuación 5 y haga el análisis dimensional. TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 2 _______________________________________________________________________________ UPIIZ-IPN Página 31 6.2.- Determinación de la densidad del líquido problema. 1.- Llene el cuadro siguiente de acuerdo a los resultados experimentales Cuadro 7.- Resultados de la densidad del líquido problema Temperatura promedio (°C) Promedio de peso de picnómetro con líquido problema (g) Peso de Picnómetro-peso de picnómetro con líquido problema (g) Densidad del líquido problema (g/mol) 2.- Una vez determinada la densidad del líquido problema, determine para el volumen agregado al calorímetro la masa del líquido problema, la cual se tomará como m2. 6.3.- Determinación de la capacidad calorífica de un líquido problema 1.- Investigue en la bibliografía la densidad del agua a la T1 promedio y a través de ella obtenga la masa en gramos (m1) reportando sus resultados en el cuadro 8. 2.- Utilice la densidad calculada del líquido problema a la T2 promedio y a través de ella obtenga la masa en gramos (m2) reportando sus resultados en el cuadro 8. 3.- Determine la temperatura promedio de mezclado T3 y reporte sus resultados en el cuadro 8 TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 2 _______________________________________________________________________________ UPIIZ-IPN Página 32 Cuadro 8.- Resultados de temperaturas promedio y masas promedio T1 promedio (°C) T1 promedio (K) Densidad de agua a T1 (g/mL) Volumen agregado de agua (mL) Masa de agua a T1 (m1) en gramos T2 promedio (°C) T2 promedio (K) Densidad de líquido problema a T2 (g/mL) Volumen agregado de líquido problema (mL) Masa de líquido problema a T2 (m2) en gramos T3 promedio (°C) T3 promedio (K) 4.- Obtener el Cp (calor específico) del líquido problema (J/ g K) y regístrelo en el cuadro 9 5.- Con base en el valor encontrado de densidad y Cp, determine cuál es el líquido problema y proporcione su estructura química yn fórmula condensada 6.- Una vez determinado el líquido problema, investigue el valor del Cp y compárelo con el obtenido experimentalmente, explicando las causas de las posibles diferencias 7.- Obtenga el % de error del Cp y repórtelo en el cuadro 9 Cuadro 9.- Capacidad calorífica del líquido problema Cp (J/Kg K) experimental Cp (J/Kg K) bibliografía % error TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 2 _______________________________________________________________________________ UPIIZ-IPN Página 33 8.- Realice un análisis dimensional para el cálculo del Cp de la sustancia problema 9.- Discuta la validez del método para la determinación de capacidades caloríficas de líquidos 7. CONCLUSIONES Proporcione las conclusiones de la presente práctica 8. BIBLIOGRAFÍA Smith, J.M., Van Ness, H.C., Abbot, M.M.; “Introducción a la termodinámica en ingeniería química”, 6ª. Edición, Mc Graw Hill, 2003. Manrique Valadez, J.A; “Termodinámica”, 3ª. Edición, Oxford University Press, 2003. Moran, M.J., Shapiro, H.N.; “Fundamentos de termodinámica técnica”, 2ª. Edición, Editorial Reverté, 2000 TERMODINÁMICA Laboratorio Práctica 3 UPIIZ-IPN Página 34 PRÁCTICA No. 3 CALOR DE DILUCIÓN 1. OBJETIVOS 1.1. Objetivo general El alumno determinará el calor de dilución y disolución para diferentes mezclas, a través de un calorímetro. 1.2. Objetivos específicos El alumno determinará el calor de disolución. El alumno determinará el calor de dilución. El alumno determinará el calor de neutralización para una mezcla ácido. fuerte-base fuerte y el de una mezcla ácido débil-base fuerte. El alumno verificará experimentalmente
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