UNIVERSIDAD TECNOLOGICA METROPOLITANA

INGENIERIA EN PREVENCION DE RIESGOS Y MEDIO AMBIENTE

LABORATORIO DE TERMODINAMICA

PRACTICO N° 2

“ DETERMINACION DE PUNTOS DE FUSION, EBULLICION Y SUBLIMACION ”

¿ Qué es un Termómetro?

El Termómetro es un instrumento empleado para medir la temperatura. El termómetro más utilizado es el de mercurio, formado por un capilar de vidrio de diámetro uniforme comunicado por un extremo con una ampolla llena de mercurio. El conjunto está sellado para mantener un vacío parcial en el capilar. Cuando la temperatura aumenta el mercurio se dilata y asciende por el capilar. La temperatura puede leerse en una escala situada junto al capilar. El termómetro de mercurio es muy usado para medir temperaturas ordinarias; también se emplean otros líquidos como alcohol o éter.

Los modernos termómetros de alcohol y mercurio fueron inventados por el físico alemán Gabriel Fahrenheit, quien también propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada, que lleva su nombre. En la escala Fahrenheit, el punto de congelación del agua corresponde a 32 grados (32 ºF) y su punto de ebullición a presión normal es de 212 ºF. Desde entonces se han propuesto diferentes escalas de temperatura; en la escala centígrada, o Celsius, diseñada por el astrónomo sueco Anders Celsius y utilizada en la mayoría de los países, el punto de congelación es 0 grados (0 ºC) y el punto de ebullición es de 100 ºC.

Tipos de termómetro

Hay varios tipos de dispositivos que se utilizan como termómetros. El requisito fundamental es que empleen una propiedad fácil de medir (como la longitud de una columna de mercurio) que cambie de forma marcada y predecible al variar la temperatura. Además, el cambio de esta propiedad termométrica debe ser lo más lineal posible con respecto a la variación de temperatura. En otras palabras, un cambio de dos grados en la temperatura debe provocar una variación en la propiedad termométrica dos veces mayor que un cambio de un grado, un cambio de tres grados una variación tres veces mayor, y así sucesivamente.

La resistencia eléctrica de un conductor o un semiconductor aumenta cuando se incrementa su temperatura. En este fenómeno se basa el termómetro de resistencia, en el que se aplica una tensión eléctrica constante al termistor, o elemento sensor. Para un termistor dado, a cada temperatura corresponde una resistencia eléctrica diferente. La resistencia puede medirse mediante un galvanómetro lo que permite hallar la temperatura.

Para medir temperaturas entre -50  y 150 ºC se utilizan diferentes termistores fabricados con óxidos de níquel, manganeso o cobalto. Para temperaturas más altas se emplean termistores fabricados con otros metales o aleaciones; por ejemplo, el platino puede emplearse hasta los 900 ºC aproximadamente. Usando circuitos electrónicos adecuados, la lectura del galvanómetro puede convertirse directamente en una indicación digital de la temperatura.

Es posible efectuar mediciones de temperatura muy precisas empleando termopares (véase Termoelectricidad), en los que se genera una pequeña tensión (del orden de milivoltios) al colocar a temperaturas distintas las uniones de un bucle formado por dos alambres de distintos metales. Para incrementar la tensión pueden conectarse en serie varios termopares para formar una termopila. Como la tensión depende de la diferencia de temperaturas en ambas uniones, una de ellas debe mantenerse a una temperatura conocida; en caso contrario hay que introducir en el dispositivo un circuito electrónico de compensación para hallar la temperatura del sensor.

Los termistores y termopares tienen a menudo elementos sensores de sólo uno o dos centímetros de longitud, lo que les permite responder con rapidez a los cambios de la temperatura y los hace ideales para muchas aplicaciones en biología e ingeniería.

El pirómetro óptico se emplea para medir temperaturas de objetos sólidos que superan los 700 ºC, cuando la mayoría de los restantes termómetros se fundiría. A esas temperaturas los objetos sólidos irradian suficiente energía en la zona visible para permitir la medición óptica a partir del llamado fenómeno del color de incandescencia. El color con el que brilla un objeto caliente varía con la temperatura desde el rojo oscuro al amarillo y llega casi al blanco a unos 1.300 ºC. El pirómetro contiene un filamento similar a un foco o bombilla. El filamento está controlado por un reóstato calibrado de forma que los colores con los que brilla corresponden a temperaturas determinadas. La temperatura de un objeto incandescente puede medirse observando el objeto a través del pirómetro y ajustando el reóstato hasta que el filamento presente el mismo color que la imagen del objeto y se confunda con ésta. En ese momento, la temperatura del filamento (que puede leerse en el reóstato calibrado) es igual a la del objeto.

Otro sistema para medir temperaturas, empleado sobre todo en termostatos, se basa en la expansión térmica diferencial de dos tiras o discos fabricados con metales distintos y unidos por los extremos o soldados entre sí.

Termómetros especiales

Los termómetros también pueden diseñarse para registrar las temperaturas máximas o mínimas alcanzadas. Por ejemplo, un termómetro clínico de mercurio es un instrumento de medida de máxima, en el que un dispositivo entre la ampolla y el capilar de vidrio permite que el mercurio se expanda al subir la temperatura pero impide que refluya a no ser que se agite con fuerza. Las temperaturas máximas alcanzadas durante el funcionamiento de herramientas y máquinas también pueden estimarse mediante pinturas especiales que cambian de color cuando se alcanza una temperatura determinada.

• Termómetro de gas:

En este termómetro de gas a volumen constante el bulbo B que contiene hidrógeno, bajo un cierta presión, se conecta con un manómetro de mercurio por medio de un tubo de volumen muy pequeño. (El bulbo B es la porción sensible a la temperatura y debe procurarse que todo sea de mercurio). El nivel de mercurio en C puede adjudicarse al elevarse o no el nivel en el reservorio R. La presión del hidrógeno la cual es "x" varía en relación lineal con la temperatura, es la diferencia entre los niveles D y C más la presión encima de D.

• Termógrafo:

Instrumento que indica la temperatura en forma gráfica; combina un termómetro bimetálico con una grabadora gráfica.

• Termómetro digital:

Con excelente precisión y repetibilidad, tienen construcciones robustas y son inmunes a las vibraciones, a la humedad y a las interferencias.

     Emplean un display luminoso (LED) que permite la lectura inclusive en la oscuridad. Poseen una resolución de 1o C, es decir que cambian la indicación de grado en grado. Sin embargo, a pedido se pueden suministrar con una resolución de 0,1o C (de décimo en décimo).

• Termómetro de máxima:

Se usa para medir la temperatura más alta en un período determinado (día, semana, mes).

Este termómetro usa mercurio como líquido sensible, el cual pasa por una estrangulación o estrechamiento que está cerca del bulbo cuando la temperatura aumenta; pero cuando disminuye, el mercurio no puede regresar al bulbo y la columna de mercurio permanece indicando el valor de la más alta temperatura producida. Se usa en posición horizontal.

• Termómetro de mínima:

Se usa para medir las más bajas temperaturas que se presentan en un período determinado (día, semana, mes).Este tipo de termómetro usa alcohol como líquido sensible y dentro del alcohol hay un índice de vidrio que es arrastrado cuando la temperatura baja; pero cuando la temperatura sube, el índice de vidrio permanece en el lugar por lo cual es posible saber cual fue la temperatura más baja del período.

• Termómetro de bulbo seco:

Termómetro usado para medir la temperatura ambiental. La temperatura registrada es considerada idéntica a la temperatura del aire. Es uno de los dos termómetros que conforman el psicrómetro.

• Psicrómetro:

Instrumento para medir el contenido de humedad del aire. Consiste de dos termómetros: uno de ampolleta seca y otro de ampolleta húmeda. Al ventilarlos, la diferencia en temperatura entre los dos termómetros permite computar el contenido de vapor de agua. La cantidad de vapor o humedad se expresa en término de "humedad relativa" o en término de "temperatura de rocío",

• Precisión de las medidas:

La medida precisa de la temperatura depende del establecimiento de un equilibrio térmico entre el dispositivo termométrico y el entorno; en el equilibrio, no se intercambia calor entre el termómetro y el material adyacente o próximo. Por eso, para que la medida de un termómetro clínico sea precisa debe colocarse éste durante un periodo de tiempo suficiente (más de un minuto) para que alcance un equilibrio casi completo con el cuerpo humano. Estas condiciones son casi imposibles de lograr con un termómetro oral, que suele indicar una temperatura corporal menor que la proporcionada por un termómetro rectal. Los tiempos de inserción se reducen de forma significativa con termómetros pequeños de reacción rápida, como los que emplean termistores.

Un termómetro sólo indica su propia temperatura, que puede no ser igual a la del objeto cuya temperatura queremos medir. Por ejemplo, si medimos la temperatura en el exterior de un edificio con dos termómetros situados a pocos centímetros, uno de ellos a la sombra y otro al sol, las lecturas de ambos instrumentos pueden ser muy distintas, aunque la temperatura del aire es la misma. El termómetro situado a la sombra puede ceder calor por radiación a las paredes frías del edificio. Por eso, su lectura estará algo por debajo de la temperatura real del aire. Por otra parte, el termómetro situado al sol absorbe el calor radiante del sol, por lo que la temperatura indicada puede estar bastante por encima de la temperatura real del aire. Para evitar esos errores, una medida precisa de la temperatura exige proteger el termómetro de fuentes frías o calientes a las que el instrumento pueda transferir calor (o que puedan transferir calor al termómetro) mediante radiación, conducción o convección.

Objetivo de Calibración de un Termómetro:

En toda experiencia de laboratorio se usa costantemente un Térmometro por lo cual se hace indispensable que este se encuentre correctamente calibrado. Los termómetros corrientes de laboratorio, aunque estan fabricados con tubos capilares seleccionados por la uniformidad de su columna, pueden dar lecturas bastante exactas en ciertos intervalos pequeños pero ser erroneas en algunos grados en otras partes de la escala.

Un termometro de mercurio corriente sirve para medir temperaturas comprendidas entre -38°C y 350°C aproximadamente ya que el mercurio hierve a 356.6°C a 760 mm Hg de Presión. Por lo tanto la exactitud de los termómetros varía de unos a otros.

En la calibración de un termómetro se determinan las lecturas en una serie de temperaturas conocidas, las cuales pueden ser:

• Las lecturas indicadas por un termómetro calibrado sumergido en el mismo baño que el termometro a calibrar.

• Las lecturas dadas por sustancias puras en algunos de sus cambios de estado, por ejemplo Punto de Fusión, Ebullición, etc.

Escalas de Temperatura

Las siguientes son las escalas que existen y manejamos en cátedra:

las relaciones de estas son:

Sugerencias para mediciones extremas de temperaturas

• Para poder medir temperaturas menores a -40°C, se cambia la escala a grados °F.

• Para poder medir temperaturas mayores a 360°C, se cambia la escala a grados °K.

PUNTO DE FUSIÓN DE UN SÓLIDO.

El punto de fusión de un sólido cristalino se puede definir como la temperatura a la cual un sólido se transforma en líquido a la presión de 1 atmósfera. En una sustancia pura el cambio de estado es generalmente muy rápido y la temperatura es característica, no afectando prácticamente por un cambio moderado de la presión. Por esta razón el punto de fusión es una buena constante en la identificación de sólidos. Debido a que el punto de fusión se altera sensiblemente por la presencia de impurezas esta constante constituye un buen criterio de pureza. Un sólido puro funde en un intervalo muy pequeño de temperatura y un límite superior muy próximo al verdadero punto de fusión. Un sólido bastante impuro presenta generalmente un intervalo de fusión bastante más amplio y una temperatura límite superior considerablemente inferior (intervalo de 10° a 20°) a la del punto de fusión verdadero.

PUNTO DE EBULLICIÓN DE UN LÍQUIDO.

El Punto de ebullición es la temperatura a la que la presión de vapor de un líquido se iguala a la presión atmosférica existente sobre dicho líquido. A temperaturas inferiores al punto de ebullición (p.e.), la evaporación tiene lugar únicamente en la superficie del líquido. Durante la ebullición se forma vapor en el interior del líquido, que sale a la superficie en forma de burbujas, con el característico hervor tumultuoso de la ebullición.

Cuando se aumenta la presión sobre un líquido, el p.e. aumenta. El agua, sometida a una presión de 1 atmósfera (101.325 pascales), hierve a 100 °C, pero a una presión de 217 atmósferas el p.e. alcanza su valor máximo, 374 °C. Por encima de esta temperatura, (la temperatura crítica del agua) el agua en estado líquido es idéntica al vapor saturado.

Al reducir la presión sobre un líquido, baja el valor del p.e. A mayores alturas, donde la presión es menor, el agua hierve por debajo de 100 °C. Si la presión sobre una muestra de agua desciende a 6 pascales, la ebullición tendrá lugar a 0 °C.

Los puntos de ebullición se dan dentro de un amplio margen de temperaturas.

DESARROLLO EXPERIMENTAL

Calibración de un termómetro

Se coloco hielo machacado con agua en un vaso precipitado de 400ml.

El termómetro se encuentra a temperatura ambiental (20° C), por lo cual una vez que se introduce el termómetro en el vaso, este debería marcar 0° C ( para que este bien calibrado), pero la temperatura dada fue de 1° C, lo que nos indica que hay un rango de descalibramiento de +1 y -1.

Calibración en el equilibrio agua - vapor de agua a 100° C.

Se coloca agua destilada en un tubo de ensayo Pirex el cual se coloca sobre una rejilla, se comienza a calentar hasta que comience a hervir lentamente, una vez que comienza a salir vapor se introduce el termómetro, el cual debe quedar a unos 3 cm sobre la superficie del agua. Para que el termómetro este calibrado debe marcar como temperatura 100° C, pero la temperatura dada fue de 99° C, lo que nos indica un descalibramiento de +1 y -1.

Puntos de fusión.

Cerramos un tubo capilar en uno de sus extremos, luego introducimos una cantidad pequeña de muestra a analizar (ACIDO BENZOICO), compactamos la muestra lanzando el capilar por un tubo de vidrio de 70 cm de longitud.

Luego adaptamos el capilar a un termómetro, para lograr esto utilizamos un anillo de goma, es importante que la muestra quede a la altura del bulbo del termómetro, enseguida llenamos el tubo de Thiele con glicerina o vaselina liquida, la importancia de la vaselina es permitir la transmisión homogénea del calor que se entrega al sistema al calentar el codo lateral del tubo Thiele,

Posteriormente al tubo ya mencionado se coloca en un soporte universal( pinzas ).

Luego introducimos el termómetro con el capilar en el tubo de Thiele, ( nos aseguramos que el anillo de goma que sujeta el capilar no este en contacto con la vaselina), luego calentamos el tubo de Thiele, aplicando la llama al mechero, a lo largo del brazo inferior lateral.

El punto de fusión se determina anotando la temperatura inicial y final en la cual la fusión comienza y termina, es decir, cuando la muestra se coloca transparente y cuando esta completamente liquido.

DATOS OBTENIDOS EN EL LABORATORIO:

Temperatura inicial 116° C

Temperatura final 124° C

Teóricamente se explica que esta variación debiese ser +0.5° C y -0.5° C, observando nuestros datos obtenidos podemos concluir que nuestra muestra no era completamente pura, y sin duda también influye la existencia de un error humano en la lectura directa del termómetro.

Finalmente retire el termómetro con el capilar y deje enfriar el tubo de Thiele con la vaselina.

Puntos de sublimación.

En un vaso precipitado ( 400ml) montado sobre un trípode, depositamos aproximadamente 1gr de yodo sólido, sobre el vaso precipitado colocamos un vidrio reloj con algunos trozos de hielo, luego se procede a calentar el fondo del vaso.

La importancia del hielo radica en que este es capaz de condensar en vapor y convertirlo en sólido.

Una vez que en el fondo del vidrio de reloj se haya depositado una cantidad apreciable de la muestra sólida, se retira el hielo.

OBSERVACION:

Al calentar la muestra se desprende un gas de color morado, este demuestra claramente el paso de sólido - liquido ­- sólido.

Finalmente raspamos la muestra sólida que se encuentra en el vidrio reloj ( yodo sólido), sobre un papel filtro, deje secar un poco la muestra al aire.

Tipos de termómetros:

Los termómetros miden la temperatura de hornos y calderas, así como de

diversos materiales y sustancias que cambian a través de un proceso productivo. Con frecuencia es necesario medir la temperatura de distintas cosas, del aire, del cuerpo humano, de un horno o del agua de una alberca, por lo que existe distintos tipos de termómetros. No importa el tipo de termómetro, en todos ellos la temperatura se mide en unidades llamadas grados. Cada marca del instrumento es un grado y cada tipo de termómetro incluye una escala de medición que, por lo general, se da en grados centígrados.

Termómetro normal:

El termómetro normal está formado por un bulbo que sirve como depósito del mercurio; este bulbo se continúa por un tubo de vidrio, donde aparece inscrita una escala numerada; el mercurio asciende o desciende por el tubo de vidrio al dilatarse o contraerse en el bulbo, por efectos de los cambios de calor. Se usa en posición vertical.

El termómetro

Para medir la temperatura del aire se usa un instrumento que recibe el nombre de termómetro.

El termómetro es un aparato cuya construcción se basa en el principio de la dilatación de los cuerpos por el calor. Por lo general, los termómetros usan mercurio o alcohol como líquidos sensibles. La dilatación de mercurio o del alcohol origina una columna, que indica los números o valores rotulados en una escala graduada que aparece en un tubo de vidrio.

El mercurio se usa para construir los termómetros, debido a las siguientes razones:

• Responde rápidamente a los cambios de calor, es muy sensible.

• Se distingue con facilidad en el tubo de vidrio, pues, no lo mancha ni lo empaña.

• Tiene elevado punto de ebullición (357ºC) por lo cual soporta altas temperaturas sin evaporarse.

• Tiene muy bajo punto de congelación (-39ºC).

El alcohol se usa para construir termómetros destinados a medir temperaturas muy bajas, ya que su punto de congelación es más bajo que el del mercurio (-114ºC)