Práctica de determinación de la entalpía de vaporización del agua
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Trabajo de laboratorio para calcular la entalpía de vaporización del agua, determinando experimentalmente la variación de la temperatura de ebullición del agua con la presión.
Os voy a explicar cómo podemos determinar la temperatura de ebullición en función de la presión a la que tengamos sometido ese agua.
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El montaje es lo que tenemos aquí. Voy a ir explicando cada una de las partes y para qué sí.
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Bien, aquí tenemos una manta calefactora para calentar el agua, que está en este matraz de fondo redondo, que tiene dos bocas.
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Una es para colocar el termómetro y ver a qué temperatura hierve el agua.
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El termómetro lo ponemos justo en la superficie del agua donde empiezo a detectar esos vapores que se van formando, no metido dentro del agua.
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Y aquí ponemos unos 250 mililitros de agua con porcelana porosa para que la hibridición sea homogénea y no forme burbujas muy grandes que puedan salir.
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A continuación tenemos el refrigerante. ¿Por qué? Porque vamos a hacer un calentamiento a reflujo.
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El agua se calienta, empiezan a formarse los vapores, los vapores ascienden, entran en el refrigerante, que está, como su nombre dice e indica, refrigerado, con agua del grifo, aquí conectamos el refrigerante, de manera que estos vapores condensan y vuelven a caer.
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Entonces, es ciclos infinitos, calienta, forma vapores, sube, condensa, baja, de manera que el agua no se consume.
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¿De acuerdo? Entonces el refrigerante lo conectamos de manera que entre el agua con la parte inferior, con lo cual este iría, este extremo de la goma iría al grifo y este es la parte superior a la pila para que vaya saliendo el agua.
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¿De acuerdo? De manera que asciende el agua fría y sale por aquí. Los vapores ascienden en contacto con la superficie fría, no se mezclan, el agua en este refrigerante va por el exterior y por el serpentín interior va el vapor.
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Ya digo que condensa y cae. Bien, continuamos. Aquí tenemos estas piezas que me permiten conectarlo con esto, que es un manómetro de mercurio, como veis hay dos ramas con mercurio, tiene forma de U, y no me mide la presión concreta a la que yo estoy trabajando, sino que me mide la diferencia de presión con el exterior.
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Si vemos, aquí tenemos una rama conectada, una rama del manómetro conectada con el exterior y otra conectada con el sistema, ¿de acuerdo? Con el agua que empieza a calentar, a formarse vapores y que asciende y condensa, ¿de acuerdo?
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Entonces, esto es el sistema y esto es el exterior. De manera que aquí lo que voy a tener es una diferencia de presión entre el exterior y el interior. De manera que si la presión en el interior es menor que la del exterior, el exterior empujará y esto que ahora mismo está equilibrado, porque la presión exterior y la del sistema es la misma, se descompensa.
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De manera que si aumenta la presión exterior con respecto al sistema, es decir, aquí hacemos vacío, esto hará así. ¿Cuánto? Pues mayor diferencia, cuanto mayor diferencia de presión haya entre las dos ramas. ¿De acuerdo?
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Que es al contrario, que aquí estoy poniéndolo con una presión superior a la atmosférica, pues entonces será esta la presión que empuje y las ramas harán esto, esta bajará y esta subirá.
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Entonces, lo que estamos midiendo aquí es la diferencia de presión con la atmosférica. Tenemos que mirar con la presión atmosférica, dependiendo del día, de si está lloviendo, nublado, con sol, pues aproximadamente 700, 705 milímetros de mercurio, dependerá del día, ya digo.
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Entonces, esa es la presión exterior que tenemos. Y luego, cuando ponemos aquí una presión inferior o una presión superior, es igual, tengo que ver cómo bajan, cuál sube y cuál baja, y ver esa medida entre una rama y otra rama.
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Esa es la longitud en milímetros de mercurio diferente de la presión atmosférica.
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Imaginad, si tenemos 700 milímetros de mercurio como presión atmosférica y aquí hay una diferencia de presión de 20 milímetros, bueno, 200, donde estoy poniendo los dedos, unos 200 milímetros de mercurio.
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Bueno, si lo tengo así, 200 milímetros de mercurio, esta rama más baja que esta, lo que me está indicando es que mi sistema tiene menor presión, porque la presión atmosférica empuja. ¿Cuánta presión menor tiene? 200 milímetros de mercurio. Por tanto, la presión a la que estoy trabajando, mi sistema está a una presión de 700 menos 200 milímetros de mercurio, 500 milímetros de mercurio.
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Si la diferencia son 200 milímetros, pero al revés, quiere decir que tengo más presión en el sistema que en el exterior.
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¿Cuánta diferencia hay entre el sistema y el exterior? 200 milímetros.
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Pero en este caso es 200 milímetros más.
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Estaré trabajando en mi sistema a 900 milímetros de mercurio según el ejemplo que acabo de poner.
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¿De acuerdo?
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Entonces, a la hora de tomar los datos, es muy importante identificar a cada una de las ramas cómo lo llamo, porque tendré que anotar cuál es el valor que alcanza cada una de ellas y luego si tengo que sumar, restar o qué tengo que hacer por ello.
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¿De acuerdo? Entonces, en el montaje, que os estoy describiendo cada una de las partes, algo fundamental para saber si los cálculos están bien hechos o no es que estas dos ramas identifiquéis cuáles son. A, B o B, A, da igual, ¿de acuerdo? Pero la 1 o la 2, como queráis, pero identificar a qué llamáis rama A y rama B, rama 1 y rama 2, ¿de acuerdo? Para luego hacer los cálculos.
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Después veremos con un ejemplo para que sea sencillo.
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a una presión superior a la atmósfera.
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¿Eso cómo lo hacemos?
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Pues aquí, mi sistema conectado al manómetro
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y mi sistema conectado a una bomba de vacío, que es esta.
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La bomba de vacío se conecta a mi sistema
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a través de una rampa de vacío, que es esta.
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Una rampa de vacío no es más que una rampa,
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un tubo en este caso, que tiene varias salidas,
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de manera que yo puedo tener conectadas varias cosas
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y en función de la llave que abra o que cierre,
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estoy utilizando una u otra.
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Entonces, la bomba de vacío que está conectada a uno de los extremos tiene, en este caso, cuatro salidas, una está cerrada y aquí tenemos otras tres. Esta, la única que está conectada, estas estarían cerradas, está conectada a una bomba y a un frasco de seguridad. Y este frasco de seguridad es el que se conecta a mi sistema.
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¿De acuerdo? El frasco de seguridad no es más que para proteger la bomba, de manera que si en el sistema, en este o en cualquier otro, cualquier producto que lo pueda succionar la bomba, pues antes de entrar en la bomba entraría en el frasco de seguridad, que ya lo habrán explicado o si no lo explicarán en alguna de las materias.
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Tiene un vástago que va hacia abajo, de manera que el producto que succiona la bomba del sistema caería en el tubo, si es un líquido, y ascendería, ascendería, ascendería hasta que saldría por aquí, con lo cual hay un margen de seguridad muy amplio hasta que me doy cuenta.
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Si lo que estamos trabajando es con un gas, el gas con este sistema no me sirve. ¿Por qué? Porque en cuanto salga el gas va a ascender. ¿De acuerdo? Entonces, ¿qué es lo que ocurre o cómo evitamos que se dañe la bomba cuando estamos trabajando con un gas?
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poniendo aquí un producto líquido en el que borbotee ese gas y lo retenga de manera genóstica, ¿de acuerdo? Pero bueno, eso es general de la manipulación de este tipo de sistemas en el laboratorio, ¿de acuerdo?
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Bueno, entonces, ya hemos visto todas las partes de que consta este montaje, ¿de acuerdo? La bomba no me permite regular la presión, o sea que cuando se enciende la bola va a succionar con toda la potencia que tiene.
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Entonces, es demasiada potencia para mi sistema. ¿Cómo vamos a regular esa potencia? Con esta llave que tenemos aquí. Esto, si está abierto, esto es una goma simplemente conectada al sistema. Si esto está abierto, está conectado con la presión atmosférica. Por mucho que encienda la goma, esto no va a variar.
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¿Cómo voy poniendo la presión, en este caso,
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reduciendo la presión, cerrando, cerrando esta llave?
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Lo tenemos que hacer muy, muy, muy despacito, ¿de acuerdo?
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Porque si no, el mercurio, dependiendo de si la presión es
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superior o inferior, se me puede salir por aquí o se me puede ir
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por aquí, por aquí, por aquí y perder el mercurio,
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que además es muy tóxico, ¿de acuerdo?
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Con lo cual tenemos que tener muchísimo tiempo.
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Entonces, ¿cómo empezamos a trabajar y a tomar datos y iniciamos el ensayo? Bueno, tenemos que tener conectadas las gomas del refrigerante. Ya he dicho que la inferior, perdón, entre el agua, al grifo y la superior a la tira.
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¿De acuerdo? Aquí lo pondríamos en el grifo y ahí estaría el agua. Lo encendemos abriendo el grifo. Una vez que tenemos el grifo abierto, que llenamos el refrigerante, encendemos la manta calefactora para ir calentando el agua.
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¿Veis cómo va saliendo?
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Bien, encendemos la manta
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Primero conectamos
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Y encendemos la manta calefactora
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Para que empiece a calentar
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Previamente he puesto el agua
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La crecerana porosa
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Y tengo el termómetro que está aquí ajustado
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Porque claro, todo tiene que estar cerrado
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Si no está cerrado
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No voy a obtener una presión diferente a la atmosférica
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Si se me va por algún lado
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Bien, entonces
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Ahora vamos a poner la presión de trabajo. Aquí vamos a ver cómo varía la temperatura de ebullición con la presión. Entonces hay dos opciones. Empezar con presiones altas e ir bajando, empezar con presiones bajas e ir subiendo.
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Bien, esta es una pregunta que hago siempre y no la contesto. Espero que me contestéis vosotros. En este caso, como no tengo público, pues os lo voy a decir. Pero, por favor, pensadlo y entendedlo.
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Bien, se podría hacer de las dos maneras, pero no tiene sentido hacerlo de presión superior a presión inferior. ¿Por qué? Porque la siguiente pregunta que haría es, a menor presión, ¿cómo es la temperatura de ebullición?
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Que esto ya lo he preguntado en algún momento en clase. O sea, si yo estoy con agua en una placa y lo pongo a calentar, la temperatura de ebullición aquí en Pinto aproximadamente va a ser 97 grados y pico. 97 grados. Eso es la presión atmosférica.
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Si yo bajo, la temperatura va a ser inferior
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A mayor presión, mayor temperatura de ebullición
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A menor presión, menor temperatura de ebullición
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Es decir, que si yo quiero ver la temperatura de ebullición a una presión inferior
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Poniendo la bomba de vacío, voy a obtener temperaturas de ebullición del agua de 80, 70, 60 grados
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Si yo empiezo por presiones altas, que la temperatura de ebullición es alta
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Por ejemplo, 97 grados. Si luego bajo la presión y mi temperatura de ebullición del agua es 80, va a estar a 97. Yo no voy a ver esa variación de temperatura. Si lo hago al revés, sí. Si empezamos a presiones bajas, tendré temperaturas de ebullición baja.
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Voy subiendo esa presión y deja de bullir y empieza a calentarse más, ¿hasta qué? Hasta la temperatura de unicio. ¿De acuerdo? Entonces, empezamos por presiones bajas y vamos subiendo. Presiones bajas del sistema, es decir, la presión atmosférica es mayor que la del sistema, por lo tanto, las ramas del manómetro van a hacer esto.
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Aquí tenemos el 0 y bueno, la escala sube hacia arriba hasta 250 y baja hacia abajo hasta 250
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Del 0 hacia arriba lo voy a considerar valor positivo
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Del 0 hacia abajo lo voy a considerar valor negativo
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Con lo cual, una vez que se estabilice, vamos a notar en qué valor tenemos cada una de las ramas para hacer los cálculos
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¿De acuerdo?
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¿Cómo sé cuándo he alcanzado la temperatura de ebullición?
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La temperatura de ebullición se alcanza cuando, esto lo vemos, que está en ebullición, que estamos boteando, y cuando la temperatura que me marca el termómetro es constante.
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Porque ya hemos repetido muchas veces que los cambios de estado de sustancias puras, como es esta, agua esterilizada, tienen lugar a temperatura constante.
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Es decir, que en cuanto éste esté en ebullición, aquí la temperatura, sea la que sea, no va a variar.
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Y además no voy a perder el agua porque está calentando en el flujo. Con lo cual, si la temperatura de ebullición a la presión que hemos puesto es 80, se va a quedar en 80 y no va a variar por mucho que esté calentando.
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¿De acuerdo? Entonces, anoto la temperatura de ebullición cuando vea que el líquido está en ebullición y que la temperatura es constante. En ese momento, anoto esa temperatura y en ese mismo momento, anoto la altura de las ramas del manómetro, negativo hacia abajo, positivo hacia arriba.
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Esos son todos los datos que tenemos que tomar. Temperatura y cada una de la altura a la que alcanzan las ramas del mango. Bueno, esta práctica no se puede empezar si no tenéis al profesor delante, porque a la hora de poner la presión, pues igual hay alguna cosa que no tengáis controlado y tenemos problemas con el mercurio que se pueda salir de este mango.
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¿De acuerdo? Yo de todas maneras voy a empezar la práctica y os voy a decir cómo se hace. Pero, insisto, no se empieza la práctica hasta que no tengáis a un profesor delante. ¿De acuerdo? Bien.
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Bien, con esto completamente abierto, todo cerrado, todos nos aseguramos que está cerrado, y esto abierto, con la rampa, la goma que está conectada a la bomba de vacío cerrada, enciendo la bomba.
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Una vez encendida la bomba, abro despacito la llave de la rampa de vacío que está conectada a mi sistema
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¿De acuerdo? Como esto está abierto, aquí no hay ninguna variación
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Tengo que cerrar poquito a poco para ver cómo varía esa rama del manto
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¿Veis cómo empieza a variar?
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empiezan a subir, ¿de acuerdo?
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¿Vale? Bien, hay que poner la presión,
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la diferencia de presión más alta. ¿Para qué? Para tener
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más rango, para tomar más valores. Deberíais tomar como mínimo
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10. Cuanto más valores toméis, menor es el error que comitéis.
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¿De acuerdo? Entonces, ponemos por ejemplo
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el sisto despacito y esta primera
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presión la ponéis
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o se pone delante del
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profesor que esté. Bueno, se sube
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un poquito más, pero ahora mismo no hace falta.
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Entonces, ahora lo tendríamos
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calentando. Cuando
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llegue a la temperatura constante
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y vea que está en ebullición, anoto
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la temperatura. Y en ese
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momento anoto la altura de las ramas del
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mano. Esta
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estaría aproximadamente en 190
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milímetros. Lo miráis bien.
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Podéis cogeros y ayudaros con una regla
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para ver dónde está.
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Sería negativo, menos 180 milímetros y esta más 180 milímetros.
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Lo estoy diciendo aproximado, ¿eh? No lo estoy mirando bien.
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Entonces, en realidad, ¿cuál es la diferencia de presión con la atmosférica?
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Pues 180 y menos 180.
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Si yo cojo una regla, esta es la medida.
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360 milímetros de mercurio es la diferencia entre la presión atmosférica y la presión a la que estoy trabajando.
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Entonces, en la tabla de datos tenéis altura del H0, H1, o HA, HB, como lo queréis llamar.
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Nosotros hemos puesto H0 y H1.
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Y luego, para ver esa diferencia de presión, incremento de H.
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Si yo llamo, llamamos a esto H0 y a esto H1,
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H0 menos 180 y H1 más 180,
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Y hacemos el incremento de H, sería H1 menos H0, por lo que el incremento de H es final menos inicial, 1 menos 0.
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Con lo cual sería 180 menos menos 180.
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Ese valor me daría 360 en positivo.
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¿Qué tendré que hacer con ese valor positivo teniendo en cuenta cómo son las ramas y qué es lo que estoy haciendo?
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Restárselo a la presión atmosférica, o sea, a los 700, 705.
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La presión atmosférica que tengamos, que lo podemos medir en el laboratorio, donde tenemos el frigorífico, en este mismo laboratorio, hay un barómetro de mercurio, medimos cuál es la presión en ese momento, anotamos H0, H1, hacemos el incremento de H, suponiendo que tomemos este H0 y este H1, obtendría un valor de ese incremento de 360 milímetros de mercurio,
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con lo cual la presión de trabajo
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en este caso sería
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presión de trabajo igual a
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presión atmosférica menos
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incremento de h, la resta
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de 700 y 360
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¿de acuerdo?
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y así se toman todos los valores que podamos
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ya he dicho que en principio como mínimo
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10 valores, lo único que hay que
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hacer es abrir un poquito
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en cuanto abramos un poquito
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baja un poco la presión
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y deja de brillar
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Como va a seguir calentando, vuelvo a esperar un ratito hasta que empiece otra vez la dilución y tengo una temperatura constante. Anoto la temperatura y en ese momento anoto H0, H1. Incremento de H, la resta con la presión atmosférica y ya tengo el siguiente valor de temperatura de dilución y presión de trabajo.
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Sigo abriendo la llave y tomamos otro valor, al aumentar la presión la ebullición cesa, sigo calentando porque la manda no se para nunca, se tiene encendido todo el tiempo, hasta que alcanza otra vez la ebullición.
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Está hirviendo, anoto la temperatura, anoto H0, H1, incremento de H, lo resto de la presión
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atmosférica y tengo la presión de trabajo con su temperatura de audición.
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Sigo hirviendo, abrimos otro poquito más y volvemos a hacer lo mismo, ¿vale?
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Sigo calentando, anoto la temperatura, H0, H1, incremento de H y la resta.
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Bien, así todos los valores hasta presión atmosférica.
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Entonces, en agua fría es esto todo abierto. Si tengo todo abierto, no tiene sentido que tenga la bomba encendida, con lo cual, cierro la llave de la rampa y apago la bomba. Apago la bomba y aquí, ¿cuál es el incremento de H? Cero. ¿Por qué? Porque no hay diferencia de presión entre el exterior y el interior.
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Deja de hervir, sigo calentando, vuelvo a tener otra vez el agua en ebullición.
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Anoto la temperatura cuando sea constante.
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H0, el valor H1, el valor, como va a ser el mismo, incremento de H0.
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¿A qué presión estoy trabajando? A la presión atmosférica.
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Vamos a hacer otra presión más y es colocando una bomba de pecera.
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La bomba de pecera, que da muy poquita presión, la vamos a colocar aquí.
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Metemos aquí la goma y la encendemos.
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¿Qué es lo que va a ocurrir en ese caso?
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Que las ramas van a cambiar cuál baja y cuál sube con respecto a todo lo que hemos hecho antes.
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¿Por qué?
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Porque ahora yo estoy poniendo mayor presión que la presión atmosférica al sistema.
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Por tanto, el sistema empuja la rama que está en contacto con él y sube.
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La del exterior baja la del interior.
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Con lo cual tendremos esto.
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Yo sigo llamando a esto H0 y a esto H1, de manera que ahora el incremento de H es negativo, porque H0 va a ser, me lo invento, 20 y H1 va a ser menos 20, con lo cual va a ser menos 20 menos 20 menos 40.
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La diferencia de presión va a ser menos 40. Como yo le estaba restando a la presión atmosférica, yo sigo haciendo los mismos cálculos. Ahora tengo que restar un valor negativo que estoy haciendo sumando. Si suponemos que la presión atmosférica son 700 milímetros de mercurio y le sumo 40, estaré trabajando a 740 milímetros de mercurio.
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Y la temperatura de ebullición será superior a los 97, que he dicho que más o menos es la temperatura de ebullición del agua en pleno. ¿De acuerdo? Una vez que hemos acabado todo esto, es una práctica que se hace todo en continuo, ¿de acuerdo? Si tenemos que parar y empezar, ya tenemos un problema, porque tenemos que enfriar el agua, tenemos... es más problemático.
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Pero el continuo es muy fácil, se hace de manera muy sencilla. Lo que siempre tenéis que tener y controlar es que esto vaya bajando y no suba, baja, suba, baja. ¿Vale? Y ya está. Una vez que hemos terminado, dejamos esto que se enfríe, podemos quitar de aquí para que se vaya el vapor y luego cerramos el refrigerante.
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refrigerante. Cuidado con cerrar el refrigerante cuando esto está todo cerrado y esto está
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a una temperatura muy alta, porque los vapores no se van a condensar, van a ascender y se
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le pueden quedar aquí, encima de las columnas de mercurio. ¿De acuerdo? Bien, pues con
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todo esto ya tenemos una tabla de toma de datos de temperatura de ebullición del agua
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a diferentes presiones. Según la práctica que vayáis a hacer, los de grado medio simplemente
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debéis hacer esta toma de datos y luego una gráfica de cómo varía la presión y
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la temperatura, una gráfica de este, y los de grado superior lo que vais a hacer con
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estos datos es determinar la entalpía de vaporización del agua, que se puede hacer
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de varias maneras. Si representamos gráficamente, lo tenéis en el guión de prácticas y si
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nos da tiempo lo comentaremos en clase, pero en el guión de prácticas y con lo que os
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voy a decir supongo que no tendréis dudas, si no, pues lo preguntáis. Estoy hablando
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de los de grado superior para determinar la entalpía
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de vaporización del agua. Lo que vais a
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hacer es una representación gráfica
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de, en el eje I,
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el logaritmo neperiano de pi.
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Es decir, la presión
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obtenida como
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incremento de H y luego
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la presión de
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trabajo, restándolo
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o sumándolo a la presión atmosférica, tenéis
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una presión de trabajo para cada temperatura.
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Entonces, cada una de las presiones
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las tenéis que hacer en logaritmo neperiano.
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Y para cada una de las temperaturas tenéis que hacer el inverso de la temperatura en Kelvin. La representación gráfica de, en el eje Y, el logaritmo neperiano de la presión y en el eje X, el inverso de la temperatura en grados Kelvin, la representación gráfica debería ser una recta.
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La pendiente de esa recta es la entalpía de vaporización, con lo cual la entalpía de vaporización la podemos calcular de dos maneras. Mediante el este, haciendo la ecuación de la recta y esa pendiente, igualarla a menos la entalpía de vaporización partido por R, la ecuación de los gases, insisto que tenéis la fórmula a aplicar en el guión y haremos ejercicios en clase.
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Entonces, la pendiente obtenida del Excel, de la gráfica, esa pendiente es igual a menos la entalpía de vaporización partido por R, que es la ecuación de las leyes de los gases. Despejáis la entalpía de vaporización y ya está con las unidades correspondientes.
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Y la otra manera es cogiendo dos valores, dos valores de presión y dos valores de temperatura y hacéis un cálculo matemático. En ese caso no estáis teniendo en cuenta todos los datos de presión y temperatura, que es lo que hacéis con la gráfica, la pendiente de toda la recta.
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En este caso, utilizáis 2 valores. No deberíais obtener el mismo dato. Tenéis que ver qué se obtiene de una manera y qué se obtiene de otra y buscar cuál es el valor tabulado para la entalpía de vaporización.
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Y a eso tenéis que determinar el error cometido por cada uno de los métodos. Y luego sacar una conclusión de cuál es el mejor método y por qué.
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Entonces, ¿cómo se hacen todos estos cálculos? Insisto que están en el guión. Tenéis que determinar la variación de la temperatura con la presión, la gráfica, la pendiente de la gráfica, determinar la entalpía de vaporización, expresar la entalpía de vaporización en varias unidades, porque se puede expresar como kilojulios mol, kilojulios gramo,
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calorías, gramo
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¿de acuerdo? en el guión viene
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cuáles son las unidades
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en las que tenéis que expresarlo
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y luego buscar en la bibliografía cuál es el valor
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tabulado y calcular el error
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para cada uno de los métodos de cálculo
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y sacar la conclusión de cuál es
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el método mejor o peor y por qué
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¿de acuerdo?
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- Ana M. S.
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- 19 de febrero de 2024 - 10:25
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- IES VICENTE ALEIXANDRE
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