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SPT - ENTROPIA FISICOQUIMICA
El presente informe esta basado en el segundo principio de la
termodinámica (SPT), que trata sobre la entropía fue utilizada por
Clausious en 1850 que utilizo para calificar el grado de orden, desorden
y caos de un sistema.
En todo sistema limitado por paredes adiabáticas en caso nuestro usamos
el calorímetro, dice que los sistemas aislados tienden al desorden,
también podemos interpretar como una media de la distribución aleatoria
de un sistema. Como los procesos reales son siempre irreversibles
entonces podemos afirmar que la entropía siempre aumentará.
Daremos a conocer en forma experimental los resultados de la práctica
realizada en el laboratorio de ingeniería.
OBJETIVOS:
Determinar el calor específico del calorímetro.
Determinar el calor absorbido y liberado en la mezcla de los cuerpos
a diferentes temperaturas.
Calcular la entropía en forma experimental en el laboratorio.
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SPT - ENTROPIA FISICOQUIMICA
El Primer Principio de la Termodinámica se refiere a que sólo pueden ocurrir
procesos en los que la Energía total del Universo se conserva, pero aún
conservándose la energía total del sistema más la de los alrededores, ¿Crees
que los procesos esquematizados a continuación ocurren en la secuencia
planteada?
Efectivamente, ninguno de estos procesos ocurre tal y como se han planteado.
De nuestra experiencia se deduce que el tiempo va en una dirección y que
todo sistema aislado evoluciona en un sentido hasta alcanzar el equilibrio. La
función de estado cuya variación en un proceso determina en qué sentido este
tiene lugar, es la entropía (S). Así, un sistema aislado alcanza el equilibrio
cuando su entropía es máxima. El estado de equilibro de un sistema aislado
es el de máxima probabilidad. Como en general los estados desordenados son
más probables que los ordenados, un sistema aislado que no esté en equilibrio,
evoluciona espontáneamente hacia estados de máximo “desorden”.
Segundo Principio de la Termodinámica
Cualquier proceso que ocurre espontáneamente produce un aumento de
entropía del universo”
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SPT - ENTROPIA FISICOQUIMICA
En el siglo XIX a partir del trabajo de Carnot sobre el rendimiento de las máquinas
de vapor, se obtuvo la expresión matemática que permite medir cuantitativamente
la tendencia de los sistemas a evolucionar, y en que sentido lo hacen, es decir, el
cambio de entropía:
Las unidades en las que se mide S son J/K. La entropía es una función de
estado, su variación en un proceso termodinámico depende del estado inicial
y del estado final del sistema, no de la trayectoria seguida en el cambio. La
entropía es una propiedad extensiva.
Importante
En cualquier proceso ΔS se determina midiendo el Q que se transferiría en
un proceso isotérmico reversible que conectara el estado final (2) y el
estado inicial (1). Esto implica que si el proceso es irreversible el Q
transferido no nos permite evaluar directamente ΔS, por otra parte si el
proceso no es isotérmico, la integral tampoco es inmediata.
Si el sistema termodinámico está en equilibrio con sus alrededores, no hay
cambio en el sistema ni en los alrededores, por tanto ΔSsistema = - ΔS
alrededores
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SPT - ENTROPIA FISICOQUIMICA
Entropía y rendimiento de máquinas térmicas
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SPT - ENTROPIA FISICOQUIMICA
3.1 MATERIALES Y REACTIVOS
a) Materiales
- Calorímetro
- Termómetro
- 2 probetas de 250 mL.
- 2 vasos de precipitado de 250 mL.
- Cocinilla eléctrica
b) Reactivos
- Cubitos de hielo aproximadamente 300 g.
- Agua destilada
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SPT - ENTROPIA FISICOQUIMICA
En el procedimiento primero calibramos el calorímetro para poder determinar
el calor específico del calorímetro y luego experimentalmente determinamos
la entropía del sistema, para ello seguimos deferentes pasos q detallaremos a
continuación:
o Calibrar el calorímetro
1. Calibrar el calorímetro para ello, agregar 100 mL. De agua destilada al
calorímetro y observar y anotar la temperatura inicial (temperatura
ambiental 19 ºC).
2. En otro vaso se calienta 100 mL de agua a diferentes temperaturas que
pueden ser 30, 40 y 50 ºC y se agrega inmediatamente al calorímetro que
contiene el agua a la temperatura inicial.
3. Luego se espera el equilibrio termodinámico, y se observa la temperatura
de equilibrio y se anota. Se debe realizar como mínimo tres
procedimientos, esto a 30,40 y 50 ºC, donde debemos tener mucho
cuidado en la temperatura inicial no debe variar en mas de +; - 1 ºC, para
ello se debe enjuagar el calorímetro en cada procedimiento.
4. Determinamos el calor específico del calorímetro experimentalmente.
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SPT - ENTROPIA FISICOQUIMICA
CALIBRACIÓN
REPETIR EL MISMO EXPERIMENTO PARA LAS TEMPERATURAS DE 40ºC Y 50ºC PARA HALLAR EL CALOR ESPECÍFICO PROMEDIO.
ENTROPIA
AGREGAR
SE CALIENTA 100 m L.A 30 ºC SE AGREGA
EN PRÁCTICA
100 m L. DE AGUA DESTILADA
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SPT - ENTROPIA FISICOQUIMICA
Determinar la entropía del experimento.
1. Luego de calibrar el calorímetro, se peso 50g de cubitos de hielo tomando
la temperatura (T1=0ºC) y adicionar al calorímetro.
2. Luego esperar la temperatura de equilibrio (T2) y luego se determina el
calor absorbido y liberado en el sistema (Q1) y se determina la entropía.
3. Se calentó 100 mL de agua a una temperatura 50ºC y agregar al
calorímetro con hielo.
4. Esperar la temperatura de equilibrio y determinar el calor absorbido y
liberado para luego calcular la entropía de sistema (S2).
I.-PROCESO SE PESA 50g DE HIELO
II.-PROCESO
SE MIDE 100 m L.DE AGUA
DESTILADA A 50ºC
AGREGAR Y MEDIR LA TEMPERATURA
AGREGAR Y MEDIR LA TEMPERATURA
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SPT - ENTROPIA FISICOQUIMICA
Datos para calcular el calor específico.
Datos para calibrar el
calorímetro
T1 (ºC) T2 (ºC) Te (ºC) M1 (g) M2(g) Ce
(cal/gºC)
1 19 30 23 100 100 0.214
2 19 40 26.5 100 100 0.228
3 19 50 30.5 100 100 0.2207
Calor especifico promedio, Ce = 0.2209
Datos para calcular la entropía del sistema
Procesos Te (ºC) Q (absorbido y liberado) (cal/K)
1 6.2 4310 15.42
2 25 18590 62.38
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SPT - ENTROPIA FISICOQUIMICA
Las entropías hallados en nuestro sistema S1=15.42 cal/K y S2 = 62.38
cal/K son directamente proporcional a sus calores absorbidos o liberados:
Q1= 4310 cal ; Q2 = 18590 cal respectivamente y estos últimos a sus
temperaturas de equilibrio correspondiente .Estos datos obtenidos
comprueban la definición teórica de entropía dS = Qr / T según Pons
Muzzo –cuarta edición 1978 – paginas 178 y 181-182
SEGUN EL GRUPO
Al poner el hielo en el agua, el agua cedió calor al hielo para poder alcanzar el
equilibrio termodinámico, por lo tanto la temperatura del agua bajó; pero la
cantidad de calor no cambió, sino que se distribuyó.
Se puede ver claramente que el hielo recibe calor del agua, aumenta su
temperatura y cambia a estado líquido. Si tomamos a la entropía como el
grado de desorden de las partículas de un sistema, podemos ver un claro
ejemplo de ella comparando los dos pasos. En el primer caso, el hielo no se
diluyó completamente; en el segundo, el hielo formó una mezcla homogénea
de forma casi inmediata. Esto significa que la entropía fue mucho mayor en el
último caso, ya que las partículas del hielo alcanzaron su grado máximo de
desorden al diluirse por completo en el agua. En cambio en el primer paso las
partículas permanecieron relativamente más ordenadas al acumularse en el
fondo. Aquí la entropía no alcanzó su valor máximo.
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SPT - ENTROPIA FISICOQUIMICA
Se determino el calor específico del calorímetro en tres procedimientos
hallando como resultado final el valor de Ce = 0.2204 cal/g C.
También se determino los calores absorbidos y liberados de la mezcla
de los cuerpos a las diferentes temperaturas siendo los siguientes
valores. QA1 = Qc1= 4310. y QA2 Qc2= 18590Cal.
Las entropías calculadas en el desarrollo de la práctica son los siguientes
valores o resultados. y
Es necesario fijar una temperatura inicial como
base hasta finalizar el proceso, pues este no debe
de variar en el intermedio de los 3 experimentos a
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SPT - ENTROPIA FISICOQUIMICA
distintas temperaturas. Esta variación puede llegar
a ser +1 ó -1 ºC .
Es importante enjuagar el calorímetro en el lapso
de los 3 procedimientos con esto ya no se tendría
problemas en la variación de la temperatura inicial
en todo el proceso.
Para el cálculo del calor específico del calorímetro,
es necesario tener los valores de las temperaturas
junto a la temperatura de equilibrio para ello anotar
en cuadros para seguir un orden y clasificación de
cada experimento.
Como la temperatura de equilibrio es fundamental
en este procedimiento, no olvidar trabajar con dos
termómetros (en el Calorímetro y al ambiente),
estos nos ayudaran a considerar valores
aproximadamente exactos.
Determinando el calor especifico del calorímetro.
-Qc= Qg
- mH2O x Ce (Te – Tc ) =mH2O x CeH2O ( Te –Tf) + mcal x Cecal (Te – Tf )
EXPERIMENTO (1)
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SPT - ENTROPIA FISICOQUIMICA
- 100 (1) (23 -30) = 100 (1) (23 – 19) + 350 x Ce cal1 (23 – 19 )
700 = 400 + 1400 Ce cal1
Ce cal1= 0.214 cal/k
EXPERIMENTO (2) Ce cal2 = 0.228 cal/k
EXPERIMENTO (3) Ce cal3 = 0.2207 cal/k
El calor específico promedio del calorímetro es:
Ce cal =( Ce cal1 + Ce cal2+ Ce cal3) / 3 = 0.2209 cal / k
Hallando las entropías:
Proceso I
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SPT - ENTROPIA FISICOQUIMICA
1.- Como interpreta la transferencia de la entropía del calor
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SPT - ENTROPIA FISICOQUIMICA
La entropía esta relacionada con la aleatoriedad del movimiento molecular
(energía térmica), por esto, la entropía de un sistema no decrece si no hay cierta
interacción externa. Ocurre que la única manera que el hombre conoce de reducir
la energía térmica es transferirla en forma de calor a otro cuerpo, aumentando así
la energía térmica del segundo cuerpo y por ende su entropía.
Por otro lado transfiriendo energía térmica es posible reducir la entropía de un
cuerpo. Si esta transferencia de energía es reversible, la energía total
permanece constante, y si es irreversible la entropía aumenta.
De lo anterior se concluye que el calor es un flujo de entropía. En el caso de
la transferencia de energía mecánica, y de trabajo, no hay un flujo directo de
entropía.
Si la transferencia de energía mecánica en un sistema se realiza con
irreversibilidad se producen aumentos de entropía en el sistema, es decir se
generan entropía. Esta generación de entropía trae consigo una perdida de
trabajo utilizable debido a la degradación de la energía mecánica producido por
las irreversibilidades presentes como lo es el roce.
2.-Realice el comentario sobre la desigualdad de Clausius
La desigualdad de Clausiu es una relación entre las temperaturas de un
número arbitrario de fuentes térmicas y las cantidades de calor entregadas o
absorbidas por ellas, cuando a una sustancia se le hace recorrer un proceso
cíclico arbitrario durante el cual intercambie calor con las fuentes. Esta
desigualdad viene dada por:
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SPT - ENTROPIA FISICOQUIMICA
dQ / T <= 0
En el caso de una cantidad infinita de fuentes.
En la desigualdad de Clausius no se han impuesto restricciones con respecto a la
reversibilidad o no del proceso, pero si hacemos la restricción de que el proceso
sea reversible podemos ver que no importa el camino que usemos para
recorrer el proceso, el cambio de calor dQ va a hacer igual en un sentido o en
otro por lo que llegaremos a que:
dQ / T = 0
Como estamos imponiendo que usemos un camino cualquiera esta diferencial
es una diferencial exacta y diremos que representa a una función de estado S
que pude representarse por dS. Esta cantidad S recibe el nombre de Entropía
del sistema y la ecuación:
dQ / T = dS
establece que la variación de entropía de un sistema entre dos estados de
equilibrio cualesquiera se obtiene llevando el sistema a lo largo de cualquier
camino reversible que una dichos estados, dividiendo el calor que se entrega al
sistema en cada punto del camino por la temperatura del sistema y sumando
los coeficientes así obtenidos.
3. En el experimento realizado con que tipo de sustancia se ha trabajado
y cual es el sistema en el que se trabajo.
En el experimento que se realizo se ha trabajado con el agua en sus dos
estados físicos líquido y solidó. El agua en el estado liquido se uso para calibrar el
calorímetro y los cubitos de hielo se utilizo para calcular la entropía y el sistema
utilizado fue aislado.
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SPT - ENTROPIA FISICOQUIMICA
4. ¿Qué entiendes por un proceso isoentrópico y proceso poli trópicos?
Procesos Iso
Son los procesos cuyas magnitudes permanecen "constantes", es decir que el
sistema cambia manteniendo cierta proporcionalidad en su transformación. Se
les asigna el prefijo iso-.
Ejemplo:
Isotérmico : Proceso a temperatura Constante
Isobárico : Proceso a Presión Constante
Isométrico o Isocórico : Proceso a Volumen Constante
Isentalpico : Proceso a Entalpía Constante
Isentrópico : Proceso a entropía Constante
Procesos Poli trópicos
Son aquellos procesos termodinámicos en donde se cumple la ecuación:
PVª=cte. Donde "a" es un número dado. Para el caso de procesos adiabáticos,
el "a" es igual a "k", el cual es un valor específico para cada sustancia. Este
valor se puede encontrar en tablas para dicho caso.
5. ¿Cuál seria el comportamiento entrópico de un gas cuando se expande
de un sistema a otro?
Expansión de Joule (expansión en el vacío).
La expansión de Joule, fenómeno irreversible, esta acompañado
necesariamente por un aumento de entropía. Se calcula este aumento para una
expansión infinitesimal escribiendo simplemente la identidad termodinámica, que
da
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SPT - ENTROPIA FISICOQUIMICA
0 = dU = TdS - pdV
De donde se obtiene:
.
Este coeficiente es efectivamente siempre positivo.
Expansión de Joule-Kelvin.
Fig. 26. La expansión de Joule-Kelvin
Si se parte de una temperatura inferior a la temperatura de inversión, la
expansión de Joule-Kelvin enfría el gas. Este fenómeno se aprovecha para
obtener la licuefacción de ciertos gases. En particular la máquina de Linde, que
produce aire líquido funciona utilizando la expansión de Joule-Kelvin.
Como la expansión de Joule, la expansión de Joule-Kelvin, otro fenómeno
irreversible, se acompaña de un aumento de entropía. Como la entalpía es
constante, se tiene
0 = dH = T dS + V dp.
Por consiguiente:
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SPT - ENTROPIA FISICOQUIMICA
www.cec.uchile.cl/~roroman/pag_2/ENTROPIA
http://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADa_(termodin
%C3%A1mica).
G. Ponz Muzzo fisicoquímica quinta edición Lima – Perú 1978
www.monografias.com/trabajos15/ transf-calor/transf-calor.shtml - 37k