Equilibrio y Transiciones de Fases E-Book

Rodolfo Acevedo Chávez

• Herausgeber: UNAM, Facultad de Química
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Spanisch

Seitenzahl: 256

Veröffentlichungsjahr: 2024

Beschreibung

Con la intención de continuar en la contribución a la formación académica elemental de los estudiantes en el campo de la termodinámica clásica, se consideró pertinente elaborar un programa accesible de revisión experimental básica sobre el tema de equilibrios y transiciones de fases en sistemas monocomponentes. El perfil del trabajo es en forma premeditada eminentemente de carácter metodológico-experimental. Es tarea previa del lector interesado el dominio de los conceptos y fundamentos sobre el tema que aquí se explora. Por tanto, en cada uno de los protocolos que conforman el trabajo aquí presentado, se plantea de inicio el tema, su finalidad, la infraestructura requerida, la técnica por seguir, el tratamiento de la información obtenida (y en su caso la discusión), y el ejemplo-demostración correspondiente, producto de la realización experimental personal por los autores. Cada uno de los protocolos es autocontenido. En la realización de los estudios experimentales que aquí se demuestran, se empleó infraestructura experimental verificada previamente tanto en fábrica como, en casos específicos, en laboratorios especializados en la verificación y certificación instrumenta

Leseprobe

EQUILIBRIOS DE FASESYTRANSICIONES DE FASESPARTE II

Experimentos diversos en sistemas monocomponentesy algunos sistemas complejos selectos

Rodolfo Acevedo ChávezMaría Eugenia Costas Basin

EQUILIBRIOS DE FASESYTRANSICIONES DE FASESPARTE II

Experimentos diversos en sistemas monocomponentes y algunos sistemas complejos selectos

Dr. Rodolfo Acevedo ChávezInvestigador IndependienteDra. María Eugenia Costas BasinFacultad de Química, UNAM2011

RECONOCIMIENTOS

Los autores hacen un reconocimiento a la Dirección General de Asuntos del Personal Académico, UNAM, por el financiamiento otorgado a través del proyecto PAPIME PE200309 (bienio 2009-2010) y PE200911 (2011) para la realización experimental, edición y publicación del proyecto académico Docente que constituye la obra presente.

Esta publicación fue autorizada por el Comité Editorial de la Facultad de Química, UNAM.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen profundamente el trabajo profesional desarrollado por la M. en C. Yuri Hueda Tanabe, profesora de la Facultad de Química, UNAM, por la edición preliminar por computadora de la obra presente.

AHORA, LOS EXPERIMENTOS...

A nuestro laboratorio personal, con mucho cariño y respeto.

Un ladrillito más.... ayuda a la obra.Renata, para ti, con todo el amor.

PRESENTACIÓN

En las licenciaturas ya universitarias ya politécnicas sobre las ciencias químicas, químico-biológicas, ingenierías químicas y otras relacionadas estrechamente, forman parte de la curricula el estudio tanto de los fundamentos de la termodinámica clásica como de varios de sus temas selectos. Entre estos últimos se inscribe, por ejemplo, el de los equilibrios termodinámicos de fases y sus transiciones, particularmente en sistemas constituidos por un solo componente (en el sentido químico convencional).

Entendida la termodinámica clásica como un área del conocimiento científico de carácter fenomenológico (esto es, sustentada en el experimento), los cursos tanto introductorios como posteriores sobre tópicos selectos se sustentan pedagógicamente en la revisión de los conceptos tanto en el salón de clases como en la sala experimental. Si bien este paradigma no debiera tener dificultad alguna de cumplirse en los cursos introductorios, sí dista de concretarse en los cursos posteriores, dado su reto intelectual, el grado de dificultad en las metodologías y técnicas por seguir, y dada también la talla de la infraestructura requerida; ya no operan ni primeras intenciones, inexactitudes conceptuales o un termómetro tipo escolar preuniversitario. Se requieren fundamentos sólidos y metodologías y tecnologías robustas. Así, y por ejemplo, en el tema de equilibrios y transiciones de fases es condición el dominar formalmente el concepto y argumento termodinámico de equilibrio termodinámico entre fases, y aplicarlos metodológica y tecnológicamente en formas exactas en su revisión experimental.

Con la intención de continuar en la contribución a la formación académica elemental de los estudiantes en el campo de la termodinámica clásica, se consideró pertinente elaborar un programa accesible de revisión experimental básica sobre el tema de equilibrios y transiciones de fases en sistemas monocomponentes.

En el trabajo que aquí se presenta se abordan conceptos preliminares específicos, como la construcción de una superficie parcial PVmT para un sistema que presenta ΔVm>0 en la transición (sólido)→(líquido). Posteriormente y formando el cuerpo central, se presenta el estudio experimental de varios sistemas monocomponentes, entre los que destaca el caso del H2O por la revisión amplia de diversos tópicos asociados a sus equilibrios de fases y transiciones de ellas. También, y tan solo como ilustración, se incluyen algunos ejemplos de tratamiento experimental sobre sistemas constituidos por más de un componente.

El perfil del trabajo es en forma premeditada eminentemente de carácter metodológico-experimental. Es tarea previa del lector interesado el dominio de los conceptos y fundamentos sobre el tema que aquí se explora. Por tanto, en cada uno de los protocolos que conforman el trabajo aquí presentado, se plantea de inicio el tema, su finalidad, la infraestructura requerida, la técnica por seguir, el tratamiento de la información obtenida (y en su caso la discusión), y el ejemplo-demostración correspondiente, producto de la realización experimental personal por los autores. Cada uno de los protocolos es autocontenido. En la realización de los estudios experimentales que aquí se demuestran, se empleó infraestructura experimental verificada previamente tanto en fábrica como, en casos específicos, en laboratorios especializados en la verificación y certificación instrumental.

Si bien el estudio presente está orientado al tema de equilibrios de fases y sus transiciones, no se descarta en absoluto su utilización como material de estudio puntual en los cursos experimentales de termodinámica clásica introductoria, en cursos experimentales introductorios a la instrumentación, al control de operaciones y procesos, o a la misma síntesis química en un laboratorio ligero, por citar unos cuantos ejemplos.

El programa experimental ejecutado y aquí presentado puede desarrollarse cabalmente en todo laboratorio equipado convenientemente para tales efectos, como así lo imponen los compromisos actuales de las licenciaturas universitarias y politécnicas en vigor, tanto con sus estudiantes como con su sociedad.

Los autores,

Dr. Rodolfo Acevedo Chávez

Investigador Independiente

Dra. María Eugenia Costas Basin

Facultad de Química, UNAM

Cd. Universitaria, UNAM

2011

ÍNDICE

PRIMERA PARTE

PRELIMINARES CONCEPTUALES

EXPERIMENTO 1

Superficies termodinámicas: superficie PVmT parcial para un sistema monocomponente que presenta incremento de Vm en la transición (s)→(l)

SEGUNDA PARTE

SISTEMAS MONOCOMPONENTES SELECTOS Y UN SISTEMA BINARIO PARTICULAR

CAPÍTULO I

El sistema H2O

TEMA A

Fases (sólido) – (líquido)

EXPERIMENTO 2

Equilibrio de fases H2O(s) ⇆ H2O(l) a presión atmosférica con base en el empleo de un termómetro calibrado

EXPERIMENTO 3

Verificación de un termómetro en la proximidad del cero Celsius de su escala

EXPERIMENTO 4

Efecto de solutos en agua potable sobre la θ del equilibrio de fases (s) ⇆ (l) a presión atmosférica

EXPERIMENTO 5

Determinación del valor medio del cp de un calorímetro elemental

EXPERIMENTO 6

Determinación del valor medio del cp de un bote térmico con base en el ΔH para la transición H2O(s)→H2O(l) a presión atmosférica

EXPERIMENTO 7

Determinación del ΔH en la transición de fases H2O(s)→H2O(l) a presión atmosférica

EXPERIMENTO 8

Transiciones de fases (s)→(l)→(s) por efecto de la presión aplicada (regelación del agua)

TEMA B

Fases (líquido) – (vapor)

EXPERIMENTO 9

Equilibrio de fases H2O(l) ⇆ H2O(v) a presión atmosférica

EXPERIMENTO 10

Diseño, construcción y empleo de un hipsómetro para equilibrios de fases (l) ⇆(v). Caso del H2O(l)

EXPERIMENTO 11

Equilibrio de fases H2O(l) ⇆ H2O(v) a atmósfera abierta y determinación de presión barométrica (I)

EXPERIMENTO 12

Equilibrio de fases H2O(l) ⇆ H2O(v) y determinación de presión barométrica (II)

EXPERIMENTO 13

Equilibrio de fases H2O(l) ⇆ H2O(v) y el empleo del isoteniscopio como barómetro

EXPERIMENTO 14

Equilibrios H2O(l) ⇆ H2O(v) a presiones ligeramente reducidas

EXPERIMENTO 15

Equilibrio de fases H2O(l) ⇆ H2O(v) bajo presurización (I)

EXPERIMENTO 16

Equilibrio de fases H2O(l) ⇆ H2O(v) bajo presurización (II)

EXPERIMENTO 17

Determinación de la presión de trabajo de una autoclave

EXPERIMENTO 18

Algunos puntos PT–θ asociados a equilibrios de fases (l) ⇆ (v) de H2O

EXPERIMENTO 19

Determinación del ΔH de la transición H2O(l) → H2O(v) a partir de datos experimentales P-T para el equilibrio de fases (l) ⇆(v)

EXPERIMENTO 20

Equilibrio de fases H2O(l) ⇆ H2O(v) y empleo de un destilador para purificar disolventes

EXPERIMENTO 21

Efecto de algunos niveles de anticongelante-antiebullente sobre la θ de ebullición del H2O a la presión atmosférica local temporal

EXPERIMENTO 22

Líquido insaturado / líquido saturado / vapor saturado / vapor sobrecalentado

EXPERIMENTO 23

Vapor de H2O insaturado – vapor de H2O saturado

EXPERIMENTO 24

Equilibrios de fases H2O(l) ⇆ H2O(v), ecuaciones de estado y ρH2O(v) no saturado en aire

EXPERIMENTO 25

Equilibrios de fases H2O(l) ⇆ H2O(v) y saturación de H2O(v) en el aire por incremento de la presión total a condiciones esencialmente isotérmicas

EXPERIMENTO 26

Determinación del equilibrio de fases H2O(l) ⇆ H2O(v) en aire atmosférico

EXPERIMENTO 27

Determinación de un estado de equilibrio termodinámico H2O(l) ⇆ H2O(v) con base en métodos higrométricos

EXPERIMENTO 28

Cambio en la humedad relativa del aire con base en el empleo del método de enfriamiento

EXPERIMENTO 29

Equilibrios de fases H2O(l) ⇆ H2O(v) y modificación en Hr(%) del aire atmosférico por humidificación evaporativa

EXPERIMENTO 30

Equilibrios de fases H2O(l) ⇆ H2O(v) y modificación en la humedad relativa de aire atmosférico por el método de elevación de θ

EXPERIMENTO 31

Equilibrios de fases H2O(l) ⇆ H2O(v) y humedad relativa en aire atmosférico bajo varias condiciones

EXPERIMENTO 32

Equilibrios de fases H2O(l) ⇆ H2O(v) y humidificación de aire empleando un equipo comercial

EXPERIMENTO 33

Equilibrios de fases H2O(l) ⇆ H2O(v) y algunos parámetros psicrométricos

EXPERIMENTO 34

Deshumidificación parcial de aire con un equipo comercial

EXPERIMENTO 35

Equilibrios de fases H2O(l) ⇆ H2O(v) y evaporación tipo flash

EXPERIMENTO 36

Despresurización abrupta de un líquido y transición irreversible (l)→(v)

EXPERIMENTO 37

Equilibrio de fases H2O(l) ⇆ H2O(v) aplicado al secado de sólidos higroscópicos

TEMA C

Fases (sólido) – (vapor)

EXPERIMENTO 38

Equilibrios de fases H2O(s) ⇆ H2O(v) y coordenadas P-T preliminares

EXPERIMENTO 39

Equilibrios de fases H2O(s) ⇆ H2O(v) (una versión refinada)

EXPERIMENTO 40

Transición de fases H2O(s)→H2O(v) a presiones reducidas

EXPERIMENTO 41

Transiciones de fases H2O(s)→H2O(v)→H2O(s) fuera del equilibrio con base en el empleo de una línea a vacío utilizada como liofilizadora

EXPERIMENTO 42

Transición de fases H2O(s)→H2O(v) con base en el empleo de una liofilizadora

TEMA D

Fases (sólido) – (líquido) – (vapor)

EXPERIMENTO 43

Equilibrio de fases H2O(s) ⇆H2O(l) ⇆H2O(v) (punto triple I)

CAPÍTULO II

El sistema n-butano

EXPERIMENTO 44

Equilibrio de fases n-butano(l) ⇆ n-butano(v) a temperatura ambiental

CAPÍTULO III

El sistema binario propano/n-butano

EXPERIMENTO 45

Equilibrio de fases (l) ⇆ (v) a θ ambiental de un sistema binario: el caso del gas LP

EXPERIMENTO 46

Determinación experimental de algunos puntos PT – θ correspondientes a equilibrios de fases (l) ⇆ (v) en el sistema binario gas LP

EXPERIMENTO 47

Transición (l)→(v) del sistema binario propano/n-butano a presión manométrica controlada

EXPERIMENTO 48

Transición espontánea (l)→(v) del sistema binario propano/n-butano y carácter del coeficiente Joule-Thomson (μJT)

CAPÍTULO IV

El sistema naftaleno

EXPERIMENTO 49

Transición de fases (s)→(v)→(s). El caso del C10H8

CAPÍTULO V

El sistema iodo

EXPERIMENTO 50

Transición de fases (s)→(v) y (v)→(s). El caso del iodo

CAPÍTULO VI

El sistema CO2

EXPERIMENTO 51

Equilibrio de fases (l) ⇆ (v) en CO2

EXPERIMENTO 52

Coeficiente Joule-Thomson. El caso del CO2

EXPERIMENTO 53

Principio de expansión adiabática y producción de CO2(s) (I)

EXPERIMENTO 54

Principio de expansión adiabática y producción de CO2(s) (II)

TERCERA PARTE

BIBLIOGRAFÍA RELACIONADA AL TEMA DESARROLLADO EXPERIMENTALMENTE

AVISO LEGAL

PRIMERA PARTE

PRELIMINARES CONCEPTUALES

EXPERIMENTO 1. Superficies termodinámicas: superficie PVmT parcial para un sistema monocomponente que presenta incremento de Vm en la transición (s)→(l)

Objetivos

•Revisar los conceptos referentes a estados diversos de equilibrio termodinámico PVmT para un sistema monocomponente.

•Construir una maqueta para una superficie PVmT de un sistema monocomponente que se dilata en la transición (s)→(l).

Antecedentes

Para muchos estudios en sistemas termodinámicos es frecuente elegir a la presión, al volumen y a la temperatura como propiedades de estado. Mediante el empleo de un espacio termodinámico tridimensional, es factible presentar como superficie las propiedades PVmT del sistema. Los estados diversos de equilibrio termodinámico del sistema están representados por superficies tridimensionales. En la primera figura se presentan superficies PVmT para un sistema monocomponente que se dilata al fundirse. En la segunda figura se ilustran superficies PVmT para una sustancia pura que se expande al congelarse.

Todos los puntos sobre la superficie representan estados de equilibrio termodinámico independientes para el sistema. Los puntos para un proceso cuasiestático dado también forman parte de la superficie, pues dicho proceso se efectúa a través de estados de equilibrio termodinámico.

Experimento

A. Infraestructura

a)Caja con herramientas

b)Segueta para corte fino en madera

c)Placa de triplay (1 m X 1 m X 0.5 cm)

d)Lijas para madera (granos variados)

e)Juego de reglas, escuadras, compás, transportador, etc.

f)Marcadores de punto extrafino

g)Papel albanene en pliego

h)Pegamento de contacto para madera

i)Pantógrafo

j)Plastilina

k)Talco

l)Espátulas para modelado en plastilina

m)Papel milimetrado en pliego

n)Cámara fotográfica

B. Actividad

Construir una maqueta de una superficie PVmT (a presiones moderadas) para un sistema monocomponente, el cual sufre una dilatación en la transición (s)→(l).

Resultados

En un experimento-taller realizado se obtuvo la maqueta referida anteriormente, la cual se ilustra en las fotografías siguientes:

SEGUNDA PARTE

SISTEMAS MONOCOMPONENTES SELECTOS Y UN SISTEMA BINARIO PARTICULAR

CAPÍTULO I

EL SISTEMA H2O

TEMA A

Fases (sólido) – (líquido)

EXPERIMENTO 2. Equilibrio de fases H2O(s)⇆H2O(l) a presión atmosférica con base en el empleo de un termómetro calibrado

Objetivo

Constatar que a presión atmosférica (0.7 – 0.8 atm), el equilibrio de fases H2O(s) ⇆H2O(l) corresponde a 0.0 ºC, con base en el empleo de un termómetro calibrado con resolución escalar en 0.1 ºC.

Experimento

A. Infraestructura

B. Técnica experimental

1.Burbujear aire(g) en ~2 L de H2O(l) monodestilada con la finalidad de saturarla de él y efectuar adecuadamente el estudio con ambas fases saturadas. La saturación se efectúa en ~3 horas.

2.Retirar las rejillas de los moldes para hielo. Colocar el H2O(l) tratada en los moldes. Colocarlos en el congelador (24 – 48 h).

3.Retirar los moldes con H2O(s). Retirar los bloques de H2O(s) de los moldes.

4.Evitando contaminación del H2O(s), raspar los bloques y obtener H2O(s) de grano fino. Retirar el “hielo” del raspador, sin compactar el sólido. Obtener cuando menos ~1 kg de “hielo” en grano fino.

5.Colocar el anillo en el soporte con base. Colocar en él el embudo.

6.Agregar H2O(s) de grano fino al fondo del embudo. Compactarlo para formar un soporte de H2O(s) de ~3 cm de altura. Dicho sólido compactado servirá de soporte al bulbo del termómetro.

7.Colocar en dicho soporte el termómetro. Su vástago debe estar en posición vertical. Para ello, ayudarse con las pinzas, pero sin presionar el termómetro.

8.Colocar un vaso bajo el tallo del embudo.

9.Agregar, por etapas, H2O(s) de grano fino al embudo. Compactarlo meticulosamente con la finalidad de rodear lo más íntimamente el bulbo y el tallo del termómetro con H2O(s), evitando intersticios de aire(g). Agregar y compactar el H2O(s) hasta cubrir íntegramente la región de inmersión parcial establecida en el instrumento.

10.Lo anterior, y la preparación a la lectura de la θ asociada a la transición H2O(s)→H2O(l), se muestra a continuación:

11.Permitir el acceso del sistema al estado de equilibrio de fases H2O(s) – H2O(l) a la presión atmosférica local. Lo anterior se manifiesta por el drenado de H2O(l) y por la constancia en la lectura del termómetro.

12.Tomar lecturas repetidas (a lo largo de ~30 minutos) de la temperatura asociada a la transición de fases H2O(s)→H2O(l) a la presión atmosférica local.

13.Registrar el valor reproducible de dicha propiedad.

14.Obtener el valor de la presión atmosférica local en el curso del experimento.

Cálculos

1.Un esquema del diagrama P – T para el sistema H2O en la región de presiones moderadas (no a escala) se muestra aquí:

De interés particular es la curva de coexistencia de fases H2O(s) – H2O(l) en dicha región. Su pendiente indica, por ejemplo, que la θ de la transición (o del equilibrio) desciende en 0.0077 ºC por cada incremento en la presión (sobre las fases) en 1.0 atmósfera. A dicho valor de presión (1.0 atm), la θ del equilibrio es 0.00 ºC. Por el contrario, si la presión es disminuida, la θ se ve incrementada. Si la PT desciende en 0.25 atmósferas respecto a 1.0 atm, la θ aumenta en ~0.002 ºC respecto a 0.00 ºC. Solamente un instrumento calibrado con resolución en milésimas de ºC podría registrar dicho efecto de la presión. Un instrumento con resolución en 0.1 ºC seguirá registrando 0.0 ºC.

2.Sobre lo comentado anteriormente, analizar el valor de la θ obtenida en el experimento, considerando también el valor de la presión atmosférica local.

Resultados

En un experimento realizado, se obtuvieron los datos siguientes:

2)Termómetro

Marca: Fisher Scientific

Rango: (–20 ºC) – (+10 ºC)

Resolución: 0.1 ºC

Inmersión: parcial

Calibración en fábrica: sí

3)Lectura obtenida: 0.0 ºC

Con base en el objetivo planteado en el protocolo presente y en función de su realización por el lector interesado, extraer las conclusiones respectivas.

EXPERIMENTO 3. Verificación de un termómetro en la proximidad del cero Celsius de su escala

Objetivo

Estudiar la respuesta de un termómetro en la proximidad del cero Celsius de su escala con base en el empleo de un punto fijo secundario en termometría.

Experimento

A. Infraestructura

B. Técnica experimental

1.Bombear aire(g) al H2O(l) monodestilada. La intención es saturarla de aire. El proceso se efectúa en ~3 horas.

2.Colocar el H2O(l) monodestilada y saturada de aire(g) en varios moldes para H2O(s) de bloque. Colocarlos en la congeladora por ~48 horas.

3.Retirar los bloques de H2O(s) de los moldes. Todo el proceso que sigue requiere preservar al H2O(s) de suciedad. Su manejo requiere materiales limpios, así como el empleo de guantes en su manipulación.

4.Con el raspador manual, obtener gradualmente y por etapas, hielo de grano fino. Vaciarlo al recipiente pertinente, sin compactarlo. Debe estar esponjado.

5.Fijar el anillo en el soporte, a ~30 cm de altura respecto a la base. Colocar el embudo de vidrio. Colocar debajo de éste el vaso para precipitados.

6.Agregar hielo de grano fino al fondo del embudo. Compactarlo manualmente hasta formar un soporte sólido y compacto de ~3 cm de altura en el fondo del mismo embudo. Dicha H2O(s) compactada servirá de soporte al termómetro o termómetros en estudio.

7.Depositar (verticalmente) el termómetro en estudio sobre el soporte de H2O(s) compactada. Ayudarse de las pinzas, aunque éstas no deben sujetarlo firmemente. Esto se ilustra a continuación:

8.Agregar poco a poco H2O(s) de grano fino en el interior del embudo, compactándolo firmemente alrededor del termómetro para evitar intersticios con aire entre el H2O(s) y el termómetro mismo. Agregar y compactar el H2O(s) hasta cumplir con la condición de cubrir íntegramente la longitud de inmersión parcial (75 mm).

9.El esquema del arreglo final, listo para el estudio, es el siguiente:

10.Una vez logrado el punto anterior, proceder a aguardar el establecimiento del equilibrio de fases H2O(s) ⇆ H2O(l), ambas saturadas de aire(g) a la presión atmosférica del lugar en el momento del experimento. El establecimiento de dicho equilibrio se refleja en el goteo del H2O(l) a través del tallo del embudo. Toda vez que ambas fases coexisten en su equilibrio termodinámico, la lectura arrojada por el termómetro debe ser invariante.

11.Proceder a registrar meticulosamente la lectura arrojada por el instrumento en estudio. Para hacer la lectura, proceder como se indica a continuación:

12.Repetir toda la técnica anterior en caso de estudiar otros termómetros.

Cálculos

Considérese que en la región de presiones moderadas para el diagrama de fases del H2O, la curva de equilibrios de fases H2O(s) ⇆ H2O(l) en una representación P-T presenta una pendiente negativa, esto es, . Lo anterior indica que, por ejemplo, el incremento en la presión en una atmósfera (respecto a la presión estándar al nivel del mar y latitud cero) provoca una disminución en la θ de dicho equilibrio en 0.0077 ºC. Esto es, a 2.0 atm, la θ del equilibrio sería –0.0077 ºC. Así, se requerirían termómetros certificados en su resolución de 10-3 ºC para observar cuantitativamente el efecto de la presión.

Para fines de un estudio preliminar, a presiones atmosféricas entre 0.7 y 0.8 atm, el equilibrio de fases H2O(s) ⇆ H2O(l) debe seguirse asociando a 0.0 ºC. Un termómetro que opere correctamente en dicha zona de su escala debe registrar 0.0 ºC en el equilibrio de fases aludido.

La gráfica siguiente ilustra lo aquí comentado:

NOTA: A la presión atmosférica media en Ciudad Universitaria, ciudad de México, el equilibrio de fases H2O(s) ⇆ H2O(l) debe darse a ~+0.002 ºC. Ningún termómetro con resolución en 10-1 ºC podrá registrar dicho efecto de la presión atmosférica. Tampoco aquéllos con resolución en centésimas de ºC.

Resultados

En un experimento realizado, se obtuvieron los datos siguientes:

2)Termómetros en estudio

a)4 termistores (–50 ºC a +260 ºC); resolución en 0.1 ºC

b)1 termistor (–40 ºC a +150 ºC); resolución en 0.1 ºC

c)1 termistor (–50 ºC a +220 ºC); resolución en 0.1 ºC

d)6 termómetros Hg (–20 ºC a +110 ºC); resolución en ºC

e)6 termómetros Hg (–1 ºC a +51 ºC); resolución en 0.1 ºC

f)6 termómetros Hg (–1 ºC a +101 ºC); resolución en 0.1 ºC

3)Lecturas obtenidas:

En cada grupo se utilizaron 4 instrumentos. Para cada instrumento se realizaron 2 lecturas independientes en dos días diferentes. Para cada uno de los instrumentos estudiados, las lecturas obtenidas son reproducibles plenamente.

Como se observa, no todos los instrumentos arrojan la lectura 0.0ºC asociada al equilibrio de fases H2O(s) ⇆ H2O(l) correspondiente a la presión atmosférica local temporal de 0.75 atm.

En función del objetivo planteado en el protocolo presente y en razón de su realización por el lector interesado, extraer las conclusiones pertinentes.

EXPERIMENTO 4. Efecto de solutos en agua potable sobre la θ del equilibrio de fases (s)⇆(l) a presión atmosférica

Objetivo

Determinar el efecto de solutos en agua potable sobre el cambio de la temperatura del equilibrio de fases (s) ⇆ (l) a presión atmosférica.

Experimento

A. Infraestructura

B. Técnica experimental

1.Agregar ~1 L de agua potable al recipiente de plástico.

2.Poner a funcionar la bomba compresora y proceder a burbujear aire al seno del agua. La intención es saturar el agua líquida de aire. Dicho proceso se asegura al cabo de unas pocas horas.

3.Llenar la charola para cubos de agua con el líquido tratado. Llevar la charola a la unidad congeladora. Aguardar ~48 h para asegurar la formación plena de la fase sólida.

4.Retirar la charola con hielo. Retirar los cubos. Llevarlos al equipo para producción de hielo (grano fino) y obtenerlo. En su producción, mantenerlo en el recipiente de poliestireno.

5.Establecer el arreglo siguiente:

En el arreglo anterior se tiene que:

a)El termómetro está inmerso en el H2O(s) potable hasta su límite de inmersión.

b)El H2O(s) (en grano fino) está detalladamente compactada para evitar en lo posible intersticios con aire entre el bulbo del termómetro y el hielo.

c)El bulbo del termómetro descansa sobre H2O(s) fuertemente compactada.

6.Permitir el acceso del sistema al equilibrio de fases (s) ⇆ (l). Ello se refleja en la producción de H2O(l) y su drenado respectivo.

7.Iniciar el registro de la θ del equilibrio. El valor debe ser invariante con el tiempo. De hecho, su constancia se puede corroborar por más de una hora, siempre y cuando se cumplan las condiciones a, b y c del punto 5.

8.Tomar registro de θ para dicho equilibrio.

9.Desensamblar el arreglo.

Cálculos y análisis

1.Comparar el valor experimental de θ para el equilibrio de fases H2O(s) ⇆ H2O(l) del agua potable con el obtenido para un experimento análogo que considera H2O exenta de sales.

2.Establecer las conclusiones pertinentes, en términos de las propiedades coligativas de las disoluciones.

Resultados

En un experimento realizado, se obtuvieron los datos y resultados siguientes:

1)H2O(l) empleada

H2O(l) corriente de una llave de laboratorio

2)Termómetros empleado

Marca: ERTCO

Modelo: J96-411

Rango: (–1) – (+51) ºC

Resolución: 0.1 ºC

Calibración: Sí

3)Resultados obtenidos

a)θ del equilibrio H2O(s) ⇆ H2O(l) ≅ –0.15 ºC

Como se puede observar del experimento realizado, la presencia de sales en el sistema bajo estudio provoca que el equilibrio de fases (s) ⇆ (l) bajo una presión de 0.76 atm se asocie a una temperatura por debajo del 0.0ºC.

En función del objetivo planteado en el protocolo presente y en función también de los resultados experimentales correspondientes a su realización por el lector interesado, extraer las conclusiones respectivas.

EXPERIMENTO 5. Determinación del valor medio del cp de un calorímetro elemental

Objetivo

Determinar el valor medio del cp de un calorímetro elemental a partir del equivalente térmico de la energía eléctrica.

Experimento

A. Infraestructura

B. Técnica experimental

1.Cuantificar la masa del calorímetro elemental (bote doble con tapa/barra magnética/termistor) limpio y seco.

2.Agregar en su interior H2O(l) monodestilada hasta un nivel ~2 cm por debajo del borde del vaso interior. Cuantificar la masa del calorímetro con H2O(l). Por diferencia de masas, cuantificar la masa de H2O(l) monodestilada que fue incorporada al calorímetro.

3.Establecer el arreglo siguiente:

En el arreglo anterior se cumplen las condiciones siguientes:

a)La placa del agitador magnético está en el plano XY. El calorímetro está centrado en la placa del agitador. Este está apagado.

b)El circuito eléctrico ha sido probado previamente.

c)El Variac está apagado y su conmutador está en la posición nominal 50.

d)El supresor de picos está apagado.

e)El termistor está apagado.

f)Los orificios de la tapa del calorímetro tienen taquetes de algodón.

g)La resistencia de inmersión está sumergida totalmente en el H2O(l); no debe tocar el agitador magnético interno. Debe estar totalmente separada del sensor del termistor.

h)El amperímetro, voltímetro y cronómetro están apagados.

4.Establecer la agitación del H2O(l). Esta debe ser suave e ininterrumpida a lo largo del experimento.

5.Poner en posición de funcionamiento el Variac, amperímetro, voltímetro y termistor.

6.Permitir la estabilidad de la temperatura del H2O(l). Tomar registro de ella.

7.Simultáneamente, poner en funcionamiento el supresor de picos y el cronómetro. A los primeros 10 segundos, tomar registro de los valores de ∊(V) e I(A) sin apagar el cronómetro. Observar la temperatura transitoria.

8.Cada 10 segundos adicionales, tomar registro de ∊(V) y de I(A), así como observar las temperaturas respectivas. Cuando la temperatura sea ~10 ºC mayor que la temperatura inicial del H2O(l), prepararse para tomar el registro último de ∊(V) y de I(A).

9.Llegado el momento, tomar registro de ellos y, segundos después, simultáneamente poner fuera de funcionamiento el supresor de picos y el cronómetro. Este ha contabilizado el tiempo neto de operación del circuito eléctrico.

10.No obstante que el circuito ha sido abierto, la resistencia eléctrica seguirá disipando por varios segundos energía térmica. Observar meticulosamente la conducta de la temperatura del H2O(l). Detectar y registrar el valor máximo de dicha propiedad. Constatar que el valor registrado es la θ máxima con base en su descenso paulatino en función del tiempo.

11.Cuando la θ del H2O(l) ha descendido ~0.4 unidades de ºC, el experimento ha concluido.

12.Poner en posición fuera de funcionamiento todos los instrumentos, así como el agitador magnético.

13.Desmontar el arreglo, restituir el H2O(l) a su recipiente original, secar el calorímetro elemental y guardar toda la infraestructura empleada.

Cálculos y análisis

1.Obtener los valores medios de ε (V) e I (A) (estos símbolos serán de aquí en adelante estos valores promedio).

3.Expresar la magnitud de la energía calorífica disipada por R. Aquí se asume que ella fue transferida totalmente y en forma exclusiva al H2O(l) y al calorímetro. Sobre esta premisa, se tiene lo siguiente:

4.