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Facultad de Ciencias Químico-Biológicas

Manual de prácticas

Física II

Semestre II

M. C. Juan Ramón López López

I. Q. Ignacio Calderón Ayala

I. Q. Ladislao Romero Bojórquez

Dra. Ana María López Beltrán

UUnniivveerrssiiddaadd AAuuttóónnoommaa ddee SSiinnaallooaa Culiacán, Sinaloa, Enero de 2012

Manual de Prácticas de Física II & Físico-Química I

1

Facultad de Ciencias Químico Biológicas / UAS

D i r e c t o r i o

Dr. Víctor Antonio Corrales Burgueño

Rector

Dr. José Alfredo Leal Orduño

Secretario General

Dr. Juan Ignacio Velázquez Dimas

Director de Servicios Escolares

Dr. Jorge Milán Carrillo

Director FCQB

Dr. Ángel Valdez Ortiz

Sub Director Académico FCQB

L.I. Humberto Ledesma López

Sub Director Administrativo FCQB

Dr. Héctor Samuel López Moreno

Jefe de Carrera de QFB

M.C. Guadalupe Valdez Zazueta

Jefe de Carrera de IBQ

Dr. Oscar Hernández Calderón

Jefe de Carrera de IQ

I.Q. Arlete Du-Pond Barrera

Coordinador del Departamento de Control Escolar

Q.F.B. Rebeca Guadalupe Salado González

Coordinadora del Departamento de Servicio Social

I.Q. Ignacio Calderón Ayala

Coordinador del dpto. de planeación educativa


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REGLAMENTO DEL LAB. FÍSICA – FISICOQUÍMICA

Disposiciones generales:

1) Toda persona que se encuentre dentro del área del laboratorio quedará sujeta al

presente reglamento, sin excepción alguna.

2) Dentro del laboratorio únicamente se admitirá a aquellas personas que tengan

alguna tarea o asunto relacionado con el mismo.

3) Toda persona que se encuentre dentro del laboratorio deberá seguir estrictamente

las normas de seguridad, que se anexan al presente reglamento.

4) Toda persona que requiera un servicio, material bibliográfico o instrumental

deberá presentar una solicitud por escrito al jefe del laboratorio.

A los alumnos:

5) Tendrán derecho a realizar prácticas en el laboratorio de Física - Fisicoquímica

aquellos alumnos que estén inscritos en el grado correspondiente a la materia.

6) El número de integrantes por equipo estará sujeto al número total de alumnos, no

debiendo exceder de 5 integrantes por equipo.

7) Cada grupo tendrá asignado un día a la semana para realizar la práctica. Todo

alumno que no se presente en la fecha y hora correspondiente no tendrá derecho

a realizar la práctica.

8) En caso de que se prevea la imposibilidad para asistir a la realización de alguna

práctica deberá avisarse con un día de anticipación al instructor correspondiente

para la asignación de otra fecha.

9) Todo alumno dispone de una semana a partir de la realización de la práctica,

para hacer entrega de su reporte. De no cumplir se le dará de baja en dicha

práctica.

10) El área de trabajo deberá permanecer libre de objetos personales, alimentos, etc.,

permitiéndose únicamente el uso del material necesario para el registro de los

datos obtenidos.

11) El orden y la disciplina dentro del laboratorio están confiados al alumno, que de

no ser satisfactorio podrá ser acreedor a sanciones por parte del encargado del

laboratorio.


3


12) Los alumnos que se encuentren realizando prácticas son responsables del equipo

y material de laboratorio de que hagan uso.

13) Los usuarios del laboratorio son responsables de la limpieza del área de trabajo

y equipos utilizados.

14) No se permitirá la realización de la práctica a aquellos alumnos que no hagan uso

de la bata de laboratorio si la práctica así lo requiere.

15) Ningún experimento debe ser iniciado hasta que se haya completado la

planeación del mismo y se cuente con la aprobación del instructor.

16) Ningún equipo deberá ser operado parcial o totalmente hasta que se tenga la

autorización del instructor.

17) Se deberá permanecer en la práctica mientras ésta no se concluya a menos que se

obtenga la autorización del instructor.

18) Ningún equipo puede ser desarmado parcial o totalmente o trasladado de su

posición sin la autorización del instructor.

19) El deterioro o fallas del equipo deben ser reportadas de inmediato ante el

instructor o jefe del laboratorio.

20) Tendrán derecho a recibir comprobante de realización de prácticas aquellos

alumnos que hayan cumplido mínimamente con el 90% de las mismas.


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NORMAS DE SEGURIDAD EN EL LABORATORIO

DE FÍSICA – FISICOQUÍMICA

1) Abstenerse de fumar en el interior del laboratorio.

2) No introducir ni consumir alimentos dentro del laboratorio

3) Conservar limpia su área de trabajo.

4) Use el equipo de seguridad para protección personal de acuerdo a los

requerimientos de la práctica (bata, lentes, guantes etc.)

5) Utilice para sus prácticas el área de trabajo asignado.

6) No opere ningún equipo si no tiene la autorización y supervisión del instructor.

7) Utilice la herramienta o instrumento adecuado a cada trabajo.

8) No traslade ni realice modificaciones a ningún equipo ó instrumento si no tiene

autorización para ello.

9) Mantenga el orden y disciplina dentro del laboratorio.

10) Verifique que en su área de trabajo existan condiciones adecuadas (luz,

ventilación, etc.).


5


C O N T E N I D O

Pág.

1. REGLAMENTO DEL LABORATORIO .. …………………………………..i

2 INTRODUCCIÓN..............................................................................................6

3. PRÁCTICAS

3.1 LabFisicaII-0.1. Estudio de cargas eléctricas en reposo…………………7

3.2 LabFisicaII-0.2. Construcción de un capacitor sencillo ………………16

3.3 LabFisicaII-0.3 Uso de equipo de medición (multímetro y protoboard).22

3.4 LabFisicaII-0.4. Demostración de la ley de Ohm ……………………...30

3.5 LabFisicaII-0.5 Leyes de Kirchhoff .....................................................40

4. BIBLIOGRAFÍA …………………………………………………………..47

5. ANEXOS ……………………………………………………………………47

4.1 Cuestionarios …………………………………………………47

4.2 Código de colores de resistencias eléctricas …………………...49


6


INTRODUCCIÓN

El presente manual de prácticas esta dirigido a los estudiantes adscritos en la asignatura

de física II, impartida en el segundo semestre del tronco común, en el nivel de

licenciatura de esta facultad. Este manual ayudará a confirmar experimentalmente las

leyes fundamentales estudiadas en el curso de Física II.

El manual de prácticas es una herramienta fundamental para el funcionamiento

apropiado de este laboratorio, ya que permite una adecuada programación de los

experimentos acorde con los avances programáticos desarrollados en el aula. Además

proporciona una fuente de de información al estudiante, la cual puede y debe consultar

con anticipación, a la asistencia a este laboratorio, para un mejor aprovechamiento de la

práctica experimental.

En la primer parte del manual se plantean actividades experimentales en los temas de

electrostática, con el fin de cumplir los siguientes objetivos:

1.- Confirmar y comprender el comportamiento de cargas estáticas.

2.- Comprender el principio de funcionamiento de un capacitor.

Al final se proponen prácticas sencillas como tema principal, los circuitos eléctricos de

corriente directa, atendiendo los siguientes objetivos:

1.- Comprender el funcionamiento y uso del multímetro.

2.- Confirmar dos de las leyes más fundamentales en los circuitos eléctricos de

corriente directa: la ley de Ohm y las leyes de Kirchhoff.

Es de suma importancia que el alumno adquiera habilidad y capacidad para aplicar estos

principios ya que son temas importantes en el ámbito profesional.


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Universidad Autónoma de Sinaloa

Facultad de Ciencias Químico Biológicas

LabFísicaII-01. Estudio de cargas eléctricas en reposo (electrostática).

1.0 Objetivos

1.1 Construir un electrómetro sencillo.

1.2 Investigar cuántos tipos de cargas existen y la forma de interactuar entre sí.

1.3 Determinar el tipo de carga que posee un cuerpo cargado.

2.0 Introducción

Los antiguos griegos descubrieron que el ámbar, después de frotarlo con piel de animal,

adquiría la propiedad de atraer cuerpos ligeros. En la actualidad todos estamos

familiarizados con los efectos de la electricidad estática, incluso algunas personas son

mas susceptibles que otras a su influencia. Creamos electricidad estática cuando

frotamos un bolígrafo con nuestra ropa, luego comprobamos que el bolígrafo atrae

pequeños trozos de papel. Lo mismo podemos decir cuando frotamos vidrio con seda.

Para explicar como se origina la electricidad estática, hemos de considerar que la

materia está conformada de átomos. Los átomos poseen un núcleo con carga positiva,

rodeado de una nube de electrones. Normalmente, la materia es neutra, tiene el mismo

número de cargas positivas y negativas.

Fig. 1.1 Representación esquemática del modelo atómico.


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Algunos átomos tienen más facilidad para perder sus electrones que otros. Si un material

tiende a perder alguno de sus electrones cuando entra en contacto con otro, se dice que

es mas positivo en la serie triboeléctrica. Si un material tiende a capturar electrones

cuando entra en contacto con otro material, dicho material es mas negativo en la serie

triboeléctrica. Estos son algunos ejemplos de materiales ordenados de más positivo a

más negativo:

Piel de conejo, vidrio, pelo humano, nylon, lana, seda, papel, algodón, madera, ámbar,

poliéster, poliuretano, polietileno, cloruro de polivinilo (PVC), teflón, goma de silicona.

El vidrio frotado con seda provoca una separación de las cargas, por que ambos

materiales ocupan posiciones distintas en la serie triboeléctrica. Cuando dos materiales

no conductores entran en contacto, uno de los materiales puede capturar electrones del

otro material. La cantidad de carga depende de la naturaleza de los materiales (de su

separación en la serie triboeléctrica), y del área de la superficie que entra en contacto.

Otro de los factores que intervienen es el estado de las superficies, si son lisas o rugosas.

La humedad o impurezas que contengan las superficies proporcionan un camino para

que se recombinen las cargas. La presencia de impurezas en el aire tiene el mismo efecto

que la humedad.

El electrómetro. Un electrómetro convencional consta de dos láminas delgadas de oro

(A) que están fijas en el extremo de una varilla metálica (B) que pasa a través de un

soporte (C) de ebonita, ámbar o azufre. Cuando se toca la bola del electrómetro con un

cuerpo cargado, las hojas adquieren carga del mismo signo y se repelen siendo su

divergencia una medida de la cantidad de carga que ha recibido. La fuerza de repulsión

electrostática se equilibra con el peso de las hojas.

Fig. 1.2 Representación esquemática de un electrómetro convencional.

Si se aplica una diferencia de potencial entre la bola C y la caja del mismo, las hojas

también se separan.

C

A

B


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Electroscopio cargado, Al acercar un objeto con carga “+” se cierran las laminilla

Al acercar un objeto con carga “-” se separan las laminillas.

Fig. 1.3 Procedimiento para identificar el tipo de carga de un cuerpo, usando

el electrómetro. Por medio de este sencillo dispositivo es posible identificar

el tipo de carga que se le aplica tanto positiva como negativa.

Una variante de un electrómetro se puede fabricar fácilmente con un circuito electrónico como el que se

muestra en la Fig. 1.4. Los componente principales de este circuito son un transistor tipo

FET (MPF-102N) y un LED, conectados en serie en el circuito. Cuando se acerca un

objeto cargado negativamente a la terminal del transistor que funciona como antena

receptora, disminuye la intensidad de corriente en el circuito hasta que el LED se apaga

por completo. Un caso inverso se presenta cuando se acerca un objeto cargado

positivamente al circuito, la resistencia interna del circuito disminuye y aumenta la

intensidad de corriente en el circuito, el LED enciende con mayor intensidad.

Fig. 1.4 Circuito electrónico para construcción de un electrómetro.


10


3.0 Material y equipo.

Material.

- Trozos de papel tipo confeti.

- Plastilina.

- Tres globos.

- Tijeras.

- Trozo pequeño de madera (como los usados en las paletas).

- Bolígrafo (tipo BIC, trasparente).

- Barra de silicón.

- Alambre de cobre.

- Trozo de Papel de aluminio de aproximadamente 5 x 5 cm.

- Matraz de 250 mL.

- Tapón de hule para matraz de 250 mL (perforado).

- Regla de 30 cm.

Retazo de tela de seda (aproximadamente de 30 cm x 30 cm)

NOTA: El alumno se hará responsable de adquirir el siguiente material: Globos, barra de

silicón, tijeras, plastilina, trozo de madera, papel aluminio, regla, bolígrafo y retazo de

seda.

4.0 Técnica.

4.1 Construcción de un electrómetro. 4.1.1. Recortar dos tiritas finas de papel de aluminio (más o menos 7 mm x 10 mm).

4.1.2. Cortar un pedazo de cable de cobre de unos 10 cm de longitud, y eliminar el

aislante en los extremos.

4.1.3. Colocar las tiritas de aluminio en un extremo del alambre de cobre, perforándolas

con el mismo (las tiritas deben tener libre movimiento).

4.1.4. Colocar el alambre en el tapón de hule perforado, de forma que el papel de

aluminio quede en el interior del matraz, y el extremo libre del cable quede hacia afuera.

4.1.5. Fijar el alambre en el tapón usando plastilina y revisar que se selle perfectamente.

Tapar bien el matraz y el electrómetro queda terminado como se muestra en la Fig. 1.5.

Para usar el electrómetro acercar el objeto cargado al cable de cobre externo.

4.1.6. Si el electrómetro no funciona adecuadamente calentar un poco el matraz (para

eliminar la humedad) antes de cerrarlo.

4.2 Investigar la existencia de la electricidad estática

4.2.1 Interacción de un bolígrafo cargado con pedacitos de papel.

4.2.1.1 Colocar unos cuantos pedacitos de papel, tipo confeti, en la mesa.

4.2.1.2 Acercar uno de los bolígrafos a los pedacitos de confeti. Verificar que no pasa

nada.


11


4.2.1.3 Frotar el bolígrafo en tu pelo y acercarlo al de papel confeti. Observar que los

pedacitos de papel son atraídos bolígrafo. El bolígrafo quedó cargado de "electricidad

estática".

4.2.1.4 Si esto no sucede, repetir el procedimiento frotando con mayor tiempo el

bolígrafo en el cabello. Se puede usar el electrómetro para verificar que la pluma se

carga.

4.2.1.5 Repetir el experimento frotando el bolígrafo en otros objetos. Probar en un suéter,

en el pantalón de mezclilla, en algodón, etc. Verás que algunos objetos son capaces de

"cargar" el bolígrafo y otros no.

4.2.2 Interacción entre un globo cargado, confeti y piel humana.

4.2.2.1 Llenar el globo con pedacitos de papel bond (tipo confeti), se puede utilizar el

papel usado con el bolígrafo.

4.2.2.2 Inflar el globo, observar como los papeles caen al fondo.

4.2.2.3 Frotar el globo en tu cabello por aproximadamente 1 minuto, asegurarse de frotar

la totalidad del globo.

4.2.2.4 Observar como se adhieren los pedacitos de papel a la superficie del globo.

4.2.2.5 Por ultimo, intentar tocar los pedacitos de papel con la punta del dedo y observar

la reacción.

4.2.3 Interacción de un bolígrafo cargado y un chorro fino de agua.

4.2.3.1 Abrir la llave del agua que se encuentra en la mesa de trabajo de modo que salga

un chorro fino y continuo.

4.2.3.2 Acercar el bolígrafo, sin cargar al chorro de agua, verificar que no pasa nada.

4.2.3.3 Cargar el bolígrafo frotándolo en tu pelo.

4.2.3.4 Acercar una punta del bolígrafo al chorro de agua, pero sin tocarlo. Verás que el

chorro de agua se dirige hacia el bolígrafo produciendo un efecto muy vistoso.

4.2.3.5 Realizar el mismo experimento empleando una barra de vidrio cargado con la

seda.

NOTA: Realizar las observaciones y conclusiones de los experimentos realizados.

4.3 Identificar el tipo de carga que posee un cuerpo.

4.3.1 Cargar un globo y acercarlo al electrómetro convencional, observar como las placas

se abren.

4.3.2 Retirar el globo y verificar que las plaquitas de aluminio queden semiabiertas (el

electrómetro quedo cargado negativamente).

4.3.3 Tomar una barra o tubo de vidrio y frotar con seda. Acercar el vidrio al

electrómetro y observar como las plaquitas se cierran rápidamente. Cuando esto sucede,

significa que el segundo objeto tiene carga contraria, o sea positiva.

4.3.4 Cargar nuevamente el electrómetro con el globo y verificar lo que pasa al acercar

diferentes materiales como: papel, madera, silicón y cabello.


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Fig. 1.5 Imagen de un electrómetro simple.

5.0 Resultados

5.1 Anotar las observaciones respecto a la construcción del electrómetro convencional

simple.

5.2 Anotar las observaciones y conclusiones que se realizaron en los experimentos de

verificación de la carga electrostática.

5.3 Reportar el tipo de carga identificado en cada material estudiado. Incluya

observaciones y conclusiones.

6.0 Conclusiones y comentarios.

7.0 Bibliografía


13


HOJA PARA ANOTACIONES


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REPORTE DE LA PRÁCTICA

Nombre de la práctica: Estudio de cargas eléctricas en reposo (electrostática).

Nombre del alumno: Fecha:

Grupo: Grado: Equipo: Carrera:

5.0 Resultados.

5.1 Anotar las observaciones respecto a la construcción del electrómetro convencional

simple

5.2 Anotar las observaciones y conclusiones que se realizaron en los experimentos de

verificación de la carga electrostática

5.3 Reportar el tipo de carga identificado en cada material estudiado. Incluya

observaciones y conclusiones.


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6.0 Conclusiones y comentarios

¿Alcanzaron los objetivos? Sí No

Comentarios:

Nombre del Instructor:

Firma Sello


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LabFísicaII-02. Construcción de un capacitor sencillo.

1.0 Objetivos

1.1 Construir un capacitor sencillo.

1.2 . Comprender la función básica del condensador como almacenador de carga

2.0 Introducción

Un condensador o capacitor es un dispositivo electrónico que está formado por dos

placas metálicas separadas por un aislante llamado dieléctrico. Un dieléctrico o aislante

es un material que evita el paso de la corriente

El capacitor es un dispositivo que almacena energía en la forma de un campo eléctrico y

se llama capacitancia o capacidad a la cantidad de carga eléctrica que es capaz de

almacenar.

- La capacidad depende de las características físicas de condensador:

- Si el área de las placas que están frente a frente es grande la capacidad aumenta

- Si la separación entre placas aumenta, disminuye la capacidad

- El tipo de material dieléctrico que se aplica entre las placas también afecta la

capacidad

- La función del dieléctrico es aumentar la capacidad del condensador.

Los diferentes materiales que se utilizan como dieléctricos tienen diferentes grados de

permisividad (diferente capacidad para el establecimiento de un campo eléctrico).

Material Permisividad relativa (r) Vacío 1 Aire 1.0059

Polietileno 2.25 Porcelana 5-6

Mica 3-6 Cloruro de polivinilo 3.18

Agua 80.4


17


Mientras mayor sea la permisividad mayor es la capacidad del condensador. La

capacitancia de un condensador está dada por la fórmula:

d

AC

r 0 (2.1)

Donde:

C = capacidad (F)

r = permisividad relativa del material

0 = permisividad del vació (8.85 x10-12

C2/ N m

2)

A = área entre placas (m2)

d = separación entre las placas (m)

Debido a que el faradio (F) es un valor muy grande de capacidad, generalmente se

manejan submúltiplos como el miliFaradio (mF), microFaradio (F), el nanoFaradio

(nF) y el picoFaradio (pF). Las principales características eléctricas de un condensador

son su capacidad o capacitancia y su máxima tensión entre placas (máxima tensión que

es capaz de aguantar sin dañarse).

Los condensadores se pueden clasificar en dos tipo generales:

- Los fijos: de papel, de plástico, de cerámica y los electrolíticos

- Los variables: Giratorios y los de ajuste.


- Tornillo con tuerca (aproximadamente de 1/4 de pulgada de diámetro y ¾ de longitud). - Cinta adhesiva transparente.

- Papel aluminio.

- Porta rollo de película fotográfica.

- Cable de cobre de hilos finos con forro aislante.

- Alambre para conexión.

- Generador de carga estática (globo frotado con el cabello).

- Clip pequeño.

NOTA: El alumno se hará responsable de adquirir todo el material excepto el clip.

4.0 Técnica

4.1 Construcción de un capacitor sencillo.

4.1.1 Corta un trozo de papel aluminio, el necesario para envolver con este el porta rollo

de película fotográfica (use un pequeño trozo de cinta adhesiva para unir el papel).

Enseguida colocar en el interior otro trozo de lámina de aluminio, como se muestra en la

Fig. 2.1.


18


4.1.2 Perforar la tapa del porta rollo (de preferencia en el centro de la tapa) y colocar el

tornillo con su tuerca correspondiente.

4.1.3 Colocar en el tornillo, por la parte interior de la tapa, un extremo de un clip

pequeño. El otro extremo del clip hacer contacto con el papel aluminio colocado en el

interior del frasco.

4.1.4 Tomar un trozo de cable (con varios hilos) y sujetarlo en la parte de arriba del

tornillo, llamaremos a esta parte "cepillo de colección".

4.1.5 Cortar un pedazo de cable aislado y colocarlo de forma que haga contacto eléctrico

con el recubrimiento exterior del porta rollo.

4.1.6 Estimar la capacitancia del equipo construido usando las ecuaciones mostradas en

la introducción. Si tiene un capacitómetro mida este valor de la capacitancia con fines

comparativos.

4.2 Comprender el funcionamiento básico del capacitor como almacenador de

carga.

4.2.1 Tomar el alambre sujetado del aluminio que esta en la parte exterior y conectarlo a

tierra. Si no se tiene un sistema de tierra adecuado, un integrante del equipo puede tomar

el frasco sujetando por la parte que tiene papel aluminio y con la otra mano tomar un

globo inflado.

4.2.2 Frotar el globo en el cabello durante unos 20 segundos, enseguida acercar el globo

al cepillo de colección hasta tocarlo suavemente, con mucho cuidado para no reventar el

globo. Repetir esta operación por lo menos tres veces, después de esto el capacitor debe

estar cargado.

4.2.3 Acercar, lentamente, el extremo del alambre (unido a la envoltura exterior) a la

cabeza del tornillo, para comprobar que el capacitor construido tiene carga almacenada.

Si el capacitor tiene suficiente carga almacenada se debe observar una pequeña chispa.

4.2. 4 Hacer todas las observaciones y anotaciones correspondientes.

Fig. 2.1 Construcción de un capacitor sencillo (botella de Leyden).


19


5.0 Resultados

5.1. Calcular la capacitancia del capacitor construido.

5.2. Observaciones y conclusiones durante la construcción de un capacitor sencillo.

5.3. Resultados obtenidos sobre la función básica de un condensador.


7.0 Bibliografía

Número 1, 5 y 6 de la sección de bibliografía de este manual

8.0 Anexos

No aplica

Cronómetro


20




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Nombre de la práctica: Construcción de un capacitor sencillo.



5.0 Resultados

5.1 Calculo de la capacitancia del capacitor construido.

5.2 Observaciones y conclusiones durante la construcción de un capacitor sencillo.

5.3 Resultados obtenidos sobre la función básica de un condensador.



Comentarios:


Firma Sello


22


+



LabFísicaII-03. Empleo de equipo de medición eléctrica básico.

1.0 Objetivos.

1.1 Conocimiento y uso correcto del Protoboard.

1.2 Conocer los aparatos de medición eléctrica y sus precauciones al utilizarlos.

1.3 El alumno será capaz de medir continuidad, resistencia, voltaje y corriente con el

multímetro.

2.0 Introducción.

Un circuito eléctrico está constituido por cualquier conjunto de elementos a través de los

cuales pueden circular cargas eléctricas. Existirá pues, un conjunto de dispositivos

eléctricos (por ejemplo fuentes, resistencias, bobinas, capacitores, transformadores,

transistores, etc.) interconectados entre sí.

En experimentaciones eléctricas es común el empleo del protoboard para realizar

uniones temporales en los elementos del circuito. El protoboard es un material que nos

facilita el armado y desmontaje de sistemas electrónicos sin necesidad de soldar y

desoldar componentes del circuito. Estas tabletas de experimentación se encuentran

divididas en 4 secciones como se muestra en la Fig. 3.1; las líneas indican continuidad

eléctrica entre los puntos

Fig. 3.1 Esquema general de un Protoboard.

El multímetro es un instrumento compacto que nos permite medir voltaje, corriente,

resistencia, continuidad, etc. Esencialmente está compuesto de tres partes principales

(ver fig. 3.2). La primera es una pantalla digital (1), que despliega el valor que estamos

midiendo, la unidad, y algunas opciones de la medida. La segunda, un conmutador

rotatorio o perilla (2), que al girarlo se elige lo que se quiere medir.


23


y la tercera, tres orificios o terminales (3), dos de los cuales deben ser ocupados siempre

para conectar los cables, que van al elemento que se desea medir.

Generalmente con un multímetro digital se puede medir voltaje en corriente continua y

en corriente alterna, en tanto que intensidad de corriente solo se puede medir en

continua. El funcionamiento general de un multímetro es el siguiente: con la perilla

selectora de Función/Rango (2) se elige la función (lo que se desea medir) y el rango

deseado. Por ejemplo en los multímetros empleados en este laboratorio contienen los

siguientes rangos en voltaje de corriente continua ( ): 200 mV, 2 V, 20 V, 200 V y 600

V. Si la perilla selectora se posiciona en voltaje de corriente alterna ( ), se tendrán los

rangos: 200 V y 600 V. Para corriente continua ( ), los rangos son: 20 mA y 200 mA.

Algunos instrumentos presentan un rango extra de 10 A (para acceder a este rango

primero se tiene que conectar la terminal de prueba rojo en el orificio marcado con la

graduación correspondiente a 10 ADC). Para medir resistencia el selector se pone en la

posición “Ω” y se seleccione uno de los rangos disponibles: 200 Ω, 2 KΩ, 20 KΩ, 200

KΩ y 2 MΩ.

Para usar adecuadamente el multímetro debemos tener las siguientes precauciones

previas:

1.- Luego de prender el aparato, esperar 5 segundos antes de realizar cualquier medida.

2.- La perilla selectora se debe poner en la función a medir, antes de conectar los cables

al punto de medición.

3.-Desconectar los cables de prueba del componente que se está midiendo antes de

cambiar el conmutador.

4.- Cuando no conozca el rango de la variable que quiere medir inicie la medición con el

rango más alto para evitar que el equipo se dañe.

3.- Nunca conecte, el multímetro, en paralelo con el circuito para medir corriente, de lo

contrario se dañara el equipo.

Fig. 3.2 Partes principales de un multímetro digital.

3

2

1


24



- Multímetro.

- Protoboard.

- Fuente de voltaje CD

- Par de cables conectores con caimanes.

- Resistencias de carbón (470 Ω, 1.2 K Ω, 4.7 KΩ, 10 KΩ y 15 KΩ)

NOTA: El alumno se hará responsable de conseguir las resistencias eléctricas indicadas

(1 de cada una por equipo)

4.0 Técnica.

4.1 Mediciones eléctricas usando el multímetro digital.

4.1.1 Medición de la resistencia de resistor comercial de 470 Ω (nominal).

4.1.1.1 Conectar el cable negro de prueba a la terminal “COM” del multímetro.

Conectar el cable rojo a la terminal “VΩmA”.

4.1.1.2 Poner el selector rotatorio en la posición “Ω” y seleccionar el rango adecuado

(2000 Ω, siempre debe ser mayor que la magnitud de la variable a medir).

4.1.1.3 Conectar las puntas de las terminales del multímetro a los extremos del resistor

(para esta operación puede utilizar los cables conectores con caimanes). Anotar el valor

medido de la resistencia en la tabla 3.1 y desconectar el multímetro de la resistencia.

4.1.1.4 Repetir los pasos 4.1.1.1 a 4.1.1.3, para las resistencias de 1.2 K Ω, 4.7 KΩ, 10

KΩ y 15 KΩ.

4.1.1.5 Comparar y estimar el error del valor nominal con respecto al valor medido.

4.1.2 Medición de voltaje a través de una resistencia de 10 KΩ.



4.1.2.2 Armar el circuito eléctrico que se muestra en la Fig. 3.3a, usando el protoboard.

Y encender la fuente de voltaje en 3 V.

4.1.2.3 Poner el conmutador selector en la posición “ ” y seleccionar el rango de 20 V.

4.1.2.4 Conectar las puntas de los cables del multímetro a la resistencia montada en el

circuito (cada uno a un extremo de la resistencia), use los cables conectores con

caimanes para evitar un falso contacto. Observar la Fig. 3.3b.

4.1.2.5 Anotar el voltaje medido y desconectar el multímetro del circuito.

4.1.2.6 Repetir el procedimiento colocando la fuente de voltaje a 6 V y 9 V.

4.1.3 Medición de la corriente a través de una resistencia de 1.2 KΩ.



4.1.3.2 Poner el conmutador selector en la posición “ ” y seleccionar el rango de 200

mA. En nuestro caso sabemos que la corriente es de al menos 6 mA y no mayor a 200

mA, en este caso podemos usar la escala de 200 mA del instrumento. Recuerde que

cuando no se conocen ni siquiera aproximadamente los valores a medir, se comienza

con el rango más alto (10 A).

4.1.3.3 Armar el circuito eléctrico que se muestra en la Fig. 3.4, usando el protoboard

(la fuente debe estar apagado). Verificar que el multímetro quede conectado en serie


25


con el circuito de lo contrario se dañara el multímetro.

4.1.3.4 Encender la fuente de voltaje (6 V) y observar la corriente registrada por el

multímetro. Si la corriente fuese inferior a 20 mA, se podrá usar la escala de 20mA

para medir con mayor precisión.

4.1.3.5 Registrar el valor de la corriente y desconectar la fuente de voltaje.

4.1.3.6 Repetir el procedimiento sustituyendo la resistencia de 1.2 KΩ por la resistencia

de 4.7 KΩ, 10 KΩ y 15 KΩ.

4.1.4 Medición de continuidad eléctrica.

4.1.4.1. Conectar el cable negro de prueba a la terminal “COM” del multímetro.


4.1.4.2 Poner el selector de funciones en “+”.

4.1.4.3 Junte las dos puntas de los cables para comprobar el funcionamiento (Se debe

escuchar un sonido).

4.1.4.3 Comprobar si hay continuidad eléctrica en distintos materiales (mesa,

metales, lápices, papel, etc.). Recuerde que existe buena conductividad de

corriente entre los dos puntos.

Fig. 3.3 Medición del voltaje en una resistencia.

Fig. 3.4 Medición de la corriente en una resistencia.

3 V

R= 10 KΩ

3 V

R= 10 KΩ 6 V


26


5.0 Resultados.

Tabla 6.1 Valores de la resistencia medidos usando el multímetro.

R()

nominal

R()

medida

% Error

no m in al m edida

no m in al

R R*100

R

470

1.2 K

4.7 K

10 K

15 K

Tabla 6.2 Valores de voltaje medidos

Tabla 6.3 Valores de corriente medidos


7.0 Bibliografía

Número 1, 2 y 3 que corresponden a la sección de bibliografía de este manual

8.0 Anexos

No aplica

Voltaje

nominal

Voltaje

medido

3

6

9

Voltaje

nominal

Resistencia

()

Corriente medida

(mA)

6 V 1.2 K

6 V 4.7 K

6 V 10 K

6 V 15 K


27




28





Nombre de la práctica: Empleo de equipo de medición eléctrica básico.



5.0 Resultados

5.1 Medición de la resistencia de resistores comerciales

Resistencia()

nominal

% Error Calculado

470

1.2 K

4.7 K

10 K

15 K

5.2 Observaciones y anotaciones realizadas durante la medición del voltaje

____________________________________________________________

____________________________________________________________

____________________________________________________________

____________________________________________________________

____________________________________________________________

____________________________________________________________

5.3 Medición de corriente a través de resistores comerciales.

Voltaje

nominal

Resistencia

()

Corriente medida

(mA)

6 V 1.2 K

6 V 4.7 K

6 V 10 K

6 V 15 K


29


5.4 Reporte sus observaciones durante medición de la continuidad

____________________________________________________________

____________________________________________________________

____________________________________________________________

____________________________________________________________

____________________________________________________________

____________________________________________________________

____________________________________________________________

____________________________________________________________

____________________________________________________________

____________________________________________________________



Comentarios:


Firma Sello


30




LabFísicaII-04. Demostración de la Ley de Ohm

1.0 Objetivos

1.1 Comprobar experimentalmente la ley de Ohm.

1.2 Comprobar experimentalmente que en un circuito serie la resistencia total.

1.3 Comprobar experimentalmente que en un circuito serie la corriente es la misma en

cualquier punto.

1.4 Comprobar experimentalmente que en un circuito paralelo (o derivación), la

resistencia total equivalente viene dada por: 1/ RT = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 +...1/ RN.

1.5 Comprobar que la suma de las corrientes en las distintas ramas de un circuito

derivación, es igual a la corriente total en el circuito.

2.0 Introducción

La ley de Ohm define que la corriente a través de una resistencia es igual a la tensión

aplicada entre sus extremos divididos por el valor de su resistencia.

2.1 I = V / R (4.1)

En donde si V se expresa en voltios y R en ohmios, la corriente I vendrá dada en

amperios.

En esta ley se fundamenta la teoría de la Electricidad.

Se comprueba en esta práctica la ley de Ohm, midiendo la corriente I en un circuito en el

cual la tensión V y la resistencia R son conocidas. Luego se calculará el valor de I

utilizando la fórmula I = V/R y se comprobarán ambos resultados.

En los circuitos eléctricos y electrónicos, existen tres formas básicas de conexión de las

resistencias: en serie, en paralelo y en una disposición mixta; si bien existen

combinaciones más complejas, siempre es posible estudiar el comportamiento de un

circuito reduciéndolo a una de dichas formas de conexión.


31


2.2 Propiedades de un circuito serie.

En la Fig. 4.1 se representan tres resistencias conectadas en serie con una fuente de

tensión E. En esta conexión sólo existe un camino para la corriente, de donde se deduce

que dicha corriente es la misma para todo el circuito.

Fig. 4.1 Representación de un circuito en serie.

El voltaje externo V representa la suma de las energías perdidas por unidad de carga al

circular a través de cada resistencia. De aquí que:

V = V1 + V2 + V3 (4.2)

Aplicando la ley de Ohm a este circuito se obtiene:

IRT = IR1+ IR2 + IR3 (4.3)

La corriente debe circular por cada resistor (R1, R2 y R3) debe ser idéntica ya que solo

existe una trayectoria, por tanto la resistencia total del circuito viene dada por:

3 RT = R1 + R2 + R3 (4.4)

La corriente que circulará por el circuito es, según la ley de Ohm:

4 I = ____E______ = _E_ (4.5)

R1 + R2 + R3 RT

2.3 Propiedades de un circuito paralelo.

En el circuito de la figura 4.2 se representan tres resistencias en paralelo con una fuente

de tensión V. En esta disposición, la corriente total IT se divide y circula por cada una de

las tres ramas formadas por R1, R2 y R3. Obsérvese que la tensión aplicada a cada una de

estas resistencias es la misma, ya que eléctricamente los puntos A, C y F se reducen al

punto X; así como B, D y G lo hacen al Y.


32


Fig. 4.2 Representación de un circuito en paralelo.

La corriente IT en este circuito viene dada por la expresión:

IT = I1+ I2 + I3 (4.6)

Al aplicar la ley de Ohm en la ecuación 4.6, se obtiene:

E = E + E + E (4.7)

RT R1 R2 R3

Dado que la tensión aplicada a cada una de las resistencias es la misma, la resistencia

total del circuito viene dada por la siguiente ecuación:

_1 = 1 + _1_ + _1_ (4.8)

RT R1 R2 R3

Para medir IT, bastará interrumpir el circuito en los puntos X o Y e insertar el

amperímetro. Si se desea medir I1, I2 e I3, interrumpimos el circuito en A o en B, en C o

en D y en G o en F, respectivamente.

Un procedimiento sencillo para determinar el valor total RT de las resistencias conectadas

en derivación, es interrumpir el circuito en X o en Y para eliminar la fuente de tensión y

utilizar un óhmetro para tal fin. De igual manera, si se desea medir el valor de R1, R2 o

R3, desconectaremos uno de sus terminales del circuito y conectaremos entre sus bornes

el óhmetro.


33


3.0 Material y equipo

- Plantilla de experimentación chica (protoboard).

- Fuente de alimentación: Voltaje continuo variable de 0 a 9 V.

- Multímetro electrónico digital.

- Resistencia carbón 1.2 KΩ , 1/2 W




- Resistencia carbón 10 KΩ , 1/2 W



- Cable de cobre

- Cales con caimanes

NOTA: El alumno se hará responsable de conseguir las resistencias eléctricas

indicadas (1 de cada una por equipo)

-


34


4.0 Técnica

4.1 Variación de la corriente en función de la resistencia a voltaje constante.

4.1.1 Armar un circuito en serie con una resistencia de 3.3 KΩ, como se muestra en la

Fig. 4.3. Comprobar que los instrumentos de medida están correctamente conectados,

al momento de usarlos.

Fig. 4.3 Esquema para demostración de la ley de Ohm.

4.1.2 Ajustar la fuente de voltaje a 9 V. Cerrar el interruptor y comprobar en el

voltímetro que la tensión en bornes de R sea 9 V.

4.1.3 Medir la corriente usando el multímetro y anotar en la tabla 4.1 el valor de la

corriente indicada en el amperímetro.

4.1.4 Abrir el interruptor y sustituir la resistencia de 3.3 KΩ por otra de 4.7 KΩ. Cerrar

el interruptor y medir la corriente anotando su valor en la tabla. Previamente se habrá

reajustado la tensión de alimentación a 9 V. Repetir esta operación con los valores de

resistencias de 10 KΩ y 15 KΩ. Calcular el valor de la corriente para cada uno de los

valores de R utilizados, por medio de la ley de Ohm (I = V/R)

4.2 Variación de la corriente en función del voltaje a resistencia a constante.

4.2.1 Abrir el interruptor y conectar la resistencia de 3.3 KΩ.

4.1.2 Ajustar la tensión de alimentación a 3 V. Cerrar el interruptor y anotar el valor de

la corriente. Repetir el procedimiento para distintos valores de la tensión de

alimentación (4.5 V, 6 V, y 9 V), manteniendo constante el valor de la resistencia (3.3

KΩ).

4.1.3 Representar gráficamente la variación de la corriente en función de la tensión,

manteniendo constante la resistencia. Utilizar los datos obtenidos y sacar conclusiones.

I = f (V, R)

4.3 Mediciones de la corriente y la resistencia total en un sistema en serie.

4.3.1 Conectar el circuito como se muestra en la siguiente Fig. 4.4. Comprobar

que los instrumentos de medida están correctamente conectados.


35


Fig. 4.4 Esquema experimental para medición de la corriente y la resistencia total en un circuito

en serie.

4.3.2 Utilizar las resistencias combinándolas en 3 series de 3 resistencias, según se

indica en la tabla 4.3. Anotar en dicha tabla los valores reales de las resistencias, la

resistencia total en serie y la corriente teórica y medida en el amperímetro. Ajustar la

fuente de alimentación a 9 V de tensión en corriente continua. Para los valores teóricos

utilizar las fórmulas vistas para los circuitos serie.

4.4 Mediciones de la corriente y la resistencia total en un sistema en paralelo.

4.4.1 Conectar el circuito como se muestra en la Fig. 4.5. Comprobar que los

instrumentos de medida están correctamente conectados.

Fig. 4.5 Esquema experimental para medición de la corriente y la resistencia total en un circuito

en paralelo.

4.4.2 Utilizar las resistencias combinándolas en 3 series de 3 resistencias, según se

indica en la tabla 4.4. Anotar en dicha tabla los valores reales de las resistencias, la

resistencia total en paralelo (entre los puntos C y D) y la corriente total teórica y medida

en el amperímetro. Ajustar la fuente de alimentación a 6 V de tensión en corriente

continua. Para los valores teóricos utilizar las fórmulas vistas para los circuitos en

paralelo. Conectar las terminales de la resistencia a la fuente de voltaje.

4.2.3 Repetir la operación anterior para una tensión de alimentación de 9 V.


36


5.0 Resultados

5.1 Demostración experimental de la ley de Ohm.

Tabla 4.1. Variación de la corriente en función de la resistencia manteniendo el Voltaje constante.

R(Ω)

nominal

R(Ω)

medida

V(V) I(mA)

teórico

I(mA)

medido

3.3 K 9

4.7 K 9

10 K 9

15 K 9

Tabla 4.2. Variación de la corriente en función del Voltaje manteniendo la resistencia constante

R(Ω)

nominal

R(Ω)

medida

V(V) I(mA)

teórico

I(mA)

medido

3.3 K 3

3.3 K 4.5

3.3 K 6

3.3 K 9


Tabla 4.3. Variación de la corriente en función de la resistencia manteniendo el voltaje constante, en

un circuito en serie.

R(Ω) nominal R(Ω) medida V(V) I(mA)

teórico

I(mA)

medido

R1 R2 R3 RT R1 R2 R3 RT 9

12 K 4.7 K 470 9

12 K 4.7 K 3.3 K 9

NOTA: La cantidad medida (R medida, I medido, etc.) se refiere a la obtenida experimental

mente mediante el uso del multímetro. La cantidad teórica a la calculada mediante el uso de

la ecuación de la ley de Ohm.


37



Tabla 4.4. Variación de la corriente en función de la resistencia manteniendo un voltaje constante de

6 V, en un circuito en paralelo.

R(Ω)

nominal

R(Ω)

medida

V

(V)

IT(mA)

medido

I(mA)

medido

R1 R2 R3 RT R1 R2 R3 RT I1 I2 I3

3.3 K 1.2 K 2.2 K 6

3.3 K 1.2 K 10 K 6


7.0 Bibliografía

Número 1, 5 y 6 de la sección de bibliografía de este manual

8.0 Anexos

No aplica


38




39





Nombre de la práctica: Demostración de la Ley de Ohm



5.1 Reportar los resultados obtenidos durante la comprobación experimental de la ley de

Ohm.

R (Ω) medida V (V) I (mA) R (Ω) medida V(V) I (mA)

9 3

9 4.5

9 6

9 9


R(Ω) medida V(V) I(mA)

teórico

I(mA) medido

R1 R2 R3 RT 9

9

9

9


R(Ω)

medida

V

(V)

IT(mA)

medido

I (mA) medido

R1 R2 R3 RT I1 I2 I3

6

6

6




Firma Sello


40




LabFísicaII-05. Demostración de las leyes de Kirchhoff.

1.0 Objetivos

1.1 Demostrar la ley de Kirchhoff de los nodos.

1.2 Demostrar la ley de Kirchhoff de las mallas.

2.0 Introducción

Muchas veces, en los circuitos eléctricos es necesario conocer la intensidad que circula

por cada elemento y la tensión en los bornes. Para determinar estos valores, la Ley de

Ohm resulta insuficiente y debemos recurrir a las leyes de Kirchhoff. Para poder

trabajar con el método de Kirchhoff, hemos de definir dos conceptos imprescindibles:

el nodo y la malla.

Un nodo es cualquier punto del circuito donde se conectan tres terminales o más de

diferentes componentes. Una malla es un circuito que se puede recorrer sin pasar dos

veces por el mismo punto.

La primera ley de Kirchhoff hace referencia a los nodos del circuito y establece que, en

un nodo cualquiera, la suma de las intensidades que llegan es igual a la suma de las

intensidades que salen.

La segunda ley de Kirchhoff hace referencia a las mallas del circuito y establece que la

suma de las fuerzas electromotrices de los generadores a lo largo de cualquier malla es

igual a la suma de las caídas de tensión de las resistencias en esta malla.

Para poder aplicar las leyes de Kirchhoff considere el circuito mostrado en la Fig. 5.1,

donde se desea calcular la corriente y la caída de voltaje en cada resistencia.

Fig. 5.1 Ejemplo de un circuito para demostración de las leyes de Kirchhoff (R1= 3.3 K Ω, R2

= 1 K Ω, y R3 = 2K Ω).

I1

I2 I3

R1

R2 R3

E1 E2


41


Para resolver este circuito por el método de Kirchhoff debemos seguir los pasos

siguientes:

Identificar y cuantificar los nodos y mallas del circuito. En este circuito podemos

observar el nodo B y dos mallas que son las que no se pueden subdividir en otros

circuitos cerrados. La malla 1 esta conformada por el segmento EBAFE (recorrida en

sentido contrario a las manecillas del reloj) y la malla 2 por EBCDE (recorrida en el

sentido de las manecillas del reloj).

Dibujar los sentidos arbitrarios de las corrientes de las ramas existentes y un sentido de

corrido en cada malla también arbitraria.

Aplicar la primera ley de Kirchhoff en el nodo B, para obtener la siguiente

ecuación:

I1 = I2 + I3 (5.1)

Aplicando la segunda ley de Kirchhoff, la suma de los voltajes alrededor de la malla 1

(EBAFE) es:

I1R1 + I3R3 - E1 = 0 = I1 (3300 Ω) + I3 (2000 Ω) – 9 V (5.2)

La suma de los voltajes en la malla 2 (EBCDE) es:

I1R1 + I2R2 - E2 = 0 = I1 (3300 Ω) + I2 (1000 Ω) – 6 V (5.3)

Por lo tanto, tendremos en total tres ecuaciones simultáneas con tres incógnitas (I1, I2 e I3) para resolver.

De la ecuación 8.1 se despeja I3 y se sustituye su valor en la ecuación 8.2 y obtenemos

la siguiente expresión:

I1R1 + (I1- I2)R3 - E1 = 0 = I1 (3300 Ω) + (I1- I2) (2000 Ω) – 9V (5.4)

Simplificando:

(5300 Ω) I1 - (2000 Ω) I2 – 9V = 0 (5.5)

Dividiendo la ecuación 8.5 por dos:

(2650 Ω) I1 - (1000 Ω) I2 – 4.5V = 0 (5.6)

Sumando esta ecuación a la ecuación 8.3, obtenemos:

(2650 + 3300) I1 + (1000 - 1000) I2 – 4.5V - 6V= 0 (5.7)


42


Simplificando

(5950 Ω) I1 – 10.5V = 0 (5.8)

Despejando y resolviendo para I1

I1 = 10.5 V / 5950 Ω = 1.765 x10-3

A

Sustituyendo el valor de I1 en la ecuación 8.3 y resolviendo para I2

I2 = [6 V - 1.765 x10-3

(3300 Ω)]/1000 Ω = 1.755x x10-4

A

Finalmente:

I3 = I1 - I2 = 1.765 x10-3

A - 1.755x x10-4

A = 1.589x x10-3

A


- Multímetro digital.

- Fuente de voltaje de 6 y 9 V.

- Resistencias comerciales de 1 K Ω, 2 K Ω y 3.3 K Ω.

- Cables conectores con caimanes.

- Cable de cobre.

- Protoboard.

NOTA: El alumno se hará responsable de conseguir las resistencias eléctricas indicadas

(1 de cada una por equipo)

4.0 Técnica.

4.1 Demostración de la ley de los nodos

4.1.1 Montar el circuito mostrado en la fig. 5.1 empleando el protoboard.

4.1.2 Conectar el cable negro de prueba a la terminal “COM” del multímetro.


4.1.3. Poner el conmutador selector en la posición “ ” y seleccionar el rango de 200

mA.

4.1.4 Medir la corriente I1, conectando las terminales del multímetro en serie con la

resistencia R1 (conectar una punta del multímetro al nodo B y otra al extremo de la

resistencia). Registrar el valor en la tabla. 5.1.

4.1.5 Conectar una punta del multímetro al nodo B y otra al extremo de la resistencia R2

para medir la corriente I2 (el multímetro debe quedar conectado en serie con R2).

Registrar el valor en la tabla. 5.1.

4.1.6 Medir la corriente I3 de forma similar y registrar su valor en la tabla 5.1.

4.1.7 Verificar que se cumple la ley de los nodos y comparar la magnitud de corriente

medida con los valores calculados.

Nota: Recuerde que los valores nominales de las resistencias difieren del valor real, por


43


tanto para una mejor comparación se debe medir primero el valor real de las resistencias

y con estos valores realizar los cálculos teóricos.

4.2 Demostración de la ley de las mallas

4.2.1 Montar el circuito mostrado en la fig. 5.1 empleando el protoboard.

4.2.2 Conectar el cable negro de prueba a la terminal “COM” del multímetro.


4.2.3. Poner el conmutador selector en la posición “ ” y seleccionar el rango de 20 V.

4.2.4 Medir las tensiones en la malla 1, iniciando con R1.

4.2.4.1 Conectar cada una de las terminales del multímetro a los extremos de la

resistencia uno (punto B y E), sin desconectar la resistencia. En esta operación pueden

usarse los cables conectores con caimanes.

4.2.4.2 Conectar las terminales del multímetro con los extremos de R3 para medir la

tensión. En estas mediciones el multímetro siempre debe quedar conectado en paralelo

con la resistencia.

4.2.4.3 Medir la tensión de la fuente E1 conectando las terminales del multímetro en los

puntos A y F. Registrar todas las mediciones en la tabla 5.2 y verificar la ley de las

mallas.

4.2.5 Medir las tensiones en la malla 2, iniciando con R2 (la tensión en R1 es la misma

registrada en el procedimiento de la malla 1).

4.2.5.1 Conectar las terminales del multímetro con los extremos de R2 para medir su

tensión.

4.2.5.1 Medir la tensión de la fuente E2 conectando las terminales del multímetro en los

puntos C y D. Registrar todas las mediciones en la tabla 5.3 y verificar la ley de las

mallas.

Nota: El signo de la tensión medida varía con el punto de conexión de la terminal roja

(del multímetro) en el circuito. Por ejemplo si esta terminal se coloca siempre al polo

positivo del circuito, la medición de la tensión siempre será positiva. Por tanto lo

recomendable es tomar siempre el valor positivo de la medición y asignarle el signo de

a cuerdo a las convecciones de signo al recorrer la malla.


44


5.0 Resultados

Tabla 5.1. Medición de la corriente.

Valor teórico

(mA)

Valor medido

(mA)

I1

I2

I3

Tabla 5.2. Medición de voltaje malla 1.

Tabla 5.3. Medición de voltaje en la malla 2.

Valor teórico

(V)

Valor medido

(V)

Voltaje en R1

Voltaje en R3

Sumatoria de

V1 y V3

1

Valor teórico

(V)

Valor medido

(V)

Voltaje en R1

Voltaje en R2

Sumatoria

V1 y V2

2

6. Conclusiones y comentarios.

7.0 Bibliografía

Número 1 y 5 de la sección de bibliografía de este manual.

8.0 Anexos

No aplica


45




46





Nombre de la práctica: Circuito aplicando las leyes de Kirchhoff



5.0 Resultados

5.1 Demostración de la ley de los nodos

Valor teórico

(mA)

Valor medido

(mA)

I1

I2

I3

5.2 Demostración de la ley de las mallas

Valor medido

(V)

Voltaje en R1

Voltaje en R3

Sumatoria

1

Valor medido

(V)

Voltaje en R1

Voltaje en R2

Sumatoria

2

6.0 Conclusiones y Comentarios



Firma Sello


47


3.0 Bibliografía

1.- E. Tippens Paúl; “FÍSICA conceptos y aplicaciones”; 7ma

edición; Editorial

McGraw-Hill; México D. F 2007.

2.- Antonio Máximo, Beatriz Alvarenga, “FÍSICA GENERAL con experimentos

sencillos”; 4ª. Edición; Editorial Oxford; México D. F. 1998.

3.- www.sc.ehu.es/sweb/física.

4.- www.amasci.com/emotor/chargdet.html.

5.- Francis W. Sears, Mark W. Zemansky, Hugo D. Young, Rogert A. Freedman, “Física

Universitaria”; Vol. 2, Undécima edición; Editorial Pearson Educación; Naucalpan Edo.

de México 2005.

6.- Agustín Contin S., Caupolicán Muñoz G., Salvador Álvarez B., Francisco Hernández

R., Isaac Schnadower B., “Electrónica Práctica”; Tomo I; McGraw-Hill; México DF,

1989.

7.- Braum Eliazer, “Electromagnetismo, de la ciencia a la tecnología”, Fondo de cultura

económica.

4.0 Anexos

4.1 Cuestionarios.

4.1.1. LabFísicaII-01

1.- Investigue el principio de funcionamiento del generador de Van de Graff.

2.- Explique detalladamente el fenómeno que se presenta cuando se acerca el bolígrafo

cargado al chorro de agua. ¿Qué pasa cuando se emplea vidrio?

3.- Si el bolígrafo queda con carga negativa al ser tallada con el cabello ¿Cómo quedará

cargado el cabello?

4.- A nivel atómico ¿Cómo se puede explicar el proceso de cargar cuerpos al frotarlos

entre sí?

5.- ¿Cuál es la conclusión general sobre el número de tipos de cargas eléctricas y el

modo como interactúan entre sí?

6.- Mencione la importancia de (aplicaciones en la vida) conocer los fenómenos

involucrados en cargas electrostáticas.


48


4.1.3 LabFísicaII-02

1.- ¿Cuáles son las partes básicas de un capacitor y por qué es un buen dispositivo para

almacenar carga? Responda en base al estudio realizado a la botella de Leyden.

2.- En general ¿Qué efecto tiene un material dieléctrico en el valor de la capacitancia de

un condensador?

3.- En un capacitor de placas paralelas ¿Cómo se puede aumentar su capacitancia?

4.- ¿Qué determina la diferencia de potencial que puede soportar un capacitor? ¿Tiene

qué ver el material dieléctrico que se encuentre entre sus placas?

5.- ¿Qué determina la cantidad de energía que puede almacenar un capacitor?


1.- Realice una investigación de los instrumentos de medición eléctrica existentes e

indique su uso.

2.- Defina los siguientes términos: Circuito eléctrico, circuito eléctrico en serie, circuito

eléctrico en paralelo, resistencia eléctrica, continuidad, corriente, voltaje.


1.- Representar gráficamente el comportamiento de la corriente en función de la

resistencia y de la corriente en función del voltaje, con los resultados obtenidos en el

punto 5.1. Describa como varia la corriente en función de esta variable.

2.- Explique las diferencias entre un circuito en serie y un circuito en paralelo.

3.- Explique el uso y funcionamiento del multímetro.

4.-Investigue el uso y el funcionamiento del puente de Wheatstone.

5.- ¿Cual es la importancia del conocimiento aportados por la ley de Ohm en la vida

humana?


1.- ¿Que impacto tiene en la actualidad la ley de Kirchhoff?

2.- Mencione los enunciados de las reglas (leyes) de Kirchhoff

3.- ¿Cuando se deben utilizar las reglas de Kirchhoff?

4.- Se conectaron en serie dos focos de 120 V, uno de 25W y otro de 200 W entre los

bordes de una línea de 240 V. En un principio esta parecía una buena idea, pero uno de

ellos se fundió casi instantáneamente. ¿Cuál se fundió y por que?


49


4.2 Códigos de colores de las Resistencias eléctricas

Las resistencias (resistores) son fabricados en una gran variedad de formas y tamaños.

En los más grandes, el valor de la resistencia se imprime directamente en el cuerpo de la

resistencia, pero en las más pequeñas se pintan bandas de colores sobre estas

resistencias. Cada color representa un número que se utiliza para obtener el valor final

de la resistencia. Las dos primeras bandas indican las dos primeras cifras del valor de la

resistencia, la tercera banda indica por cuanto hay que multiplicar el valor anterior para

obtener el valor final de la resistencia. La cuarta banda nos indica la tolerancia y si hay

quinta banda, ésta nos indica su confiabilidad.

Colores 1ª Cifra 2ª Cifra Multiplicador Tolerancia

Negro 0 x 1

Marrón 1 1 x 10 1%

Rojo 2 2 x 100 2%

Naranja 3 3 x 1000

Amarillo 4 4 x 10,000

Verde 5 5 x 100,000 0.5%

Azul 6 6 x 1,000,000

Violeta 7 7 x 10,000,000

Gris 8 8 x 100,000,000

Blanco 9 9 x 1000,000,000

Oro x 0.1 5%

Plata x 0.01 10%

Sin color 20%

Ejemplo:

Si los colores son: (Marrón - Negro - Rojo - Oro ) Las cifras correspondientes son:

1ª Cifra 2ª Cifra Multiplicador Tolerancia

1 0 100 5 %

Su valor en ohmios es: 10 x 100 = 1000 Ω = 1K Ω Tolerancia de 5%


50


Facultad de Ciencias Químico-Biológicas

Manual de prácticas

Fisicoquímica I

Semestre II

M. C. Juan Ramón López López

I. Q. Ignacio Calderón Ayala

I. Q. Ladislao Romero Bojórquez

Dra. Ana María López Beltrán

UUnniivveerrssiiddaadd AAuuttóónnoommaa ddee SSiinnaallooaa Culiacán, Sinaloa, Enero de 2012


51


C O N T E N I D O

Pág.

1.INTRODUCCIÓN……………………………………………………… ……..……52

2. PRÁCTICAS

2.1 LabFisicoquímicaI-01. Determinación del equivalente eléctrico del

calor………..……………………………………………………………………………53

2.2 LabFisicoquímicaI-02. Determinación del calor de reacción del ácido clorhídrico

con hidróxido de sodio…………………………………………...……………………..61

2.3 LabFisicoquímicaI-03 Determinación del cambio de energía libre de Gibbs de

una reacción química empleando una celda

electroquímica…………………………………………………………………………..66

2.4 LabFisicoquímicaI-04. Determinación de la entalpía de vaporización del agua

mediante el modelo de Clausius y Clapeyron

…………………………………………………………………………………………..72

3. BIBLIOGRAFIA ……………………….………………………… …................78

4. ANEXOS ………………………………………………………… …………....79

4.1 Cuestionarios ……………………………………………… …… ….. …….80


52


INTRODUCCIÓN

La elaboración de manuales de prácticas es un requisito primordial para un buen

funcionamiento del laboratorio, ya que su finalidad es que las prácticas se encuentren

impresas, ordenadas y sistematizadas acorde con los avances temáticos desarrollados en

el aula.

Este manual de prácticas está dirigido a los estudiantes de la asignatura de Fisicoquímica

I, segundo semestre, del tronco común en el nivel de licenciatura de nuestra facultad.

Fue escrito con el propósito de ofrecer prácticas modernas de fisicoquímica al

estudiante, a fin de ayudarle a entender mejor las posibilidades y limitaciones de esta

rama tan importante en la Química y permitirle verificar leyes fundamentales.

Durante la elaboración de este manual se prestó especial atención en seleccionar

experimentos que requieren aparatos sencillos y económicos, la mayoría de los cuales

pueden fabricarse en el mismo laboratorio, sin sacrificar el principio teórico. De tal

forma que la mayoría de lo experimentos requieren de equipo económico para su

realización, exceptuando los experimentos de calor de combustión y el ciclo de

refrigeración.

Los principales objetivos de este manual son:

1. Revisar leyes y conceptos referentes a la primera ley de la termodinámica.

2. Estudiar leyes sobre termoquímica (determinación del calor de reacción).

3. Revisar leyes y conceptos de la segunda ley de la termodinámica (estudio y

determinación del cambio de energía libre de Gibbs de una reacción química).

4. Introducción al equilibrio físico (determinación de la entalpía de vaporización

usando la Ecuación de Clausius y Clapeyron).

Con esto se pretende que el alumno adquiera habilidad y capacidad para aplicar estos

principios en asignaturas posteriores, actividades de investigación y a la solución de

problemas en su ámbito profesional.


53




1.0 Objetivos.

1.1 Verificar la ley de la conservación de la energía.

1.2 Verificar cuantitativamente la relación entre Joules y calorías (Equivalente

eléctrico del calor).

2.0 Introducción.

El principio de conservación de la energía nos dice que si una dada cantidad de energía

de algún tipo se transforma completamente en calor, la variación de la energía térmica

resultante debe ser equivalente a la cantidad de energía entregada. En este experimento

buscamos demostrar la equivalencia entre la energía entregada a un sistema y el calor en

que se convierte. Si la energía se mide en Joules y el calor en calorías, nos

propondremos también encontrar la equivalencia entre estas unidades. La relación

cuantitativa entre Joules y calorías se llama equivalente eléctrico (o mecánico) del calor

y la denominaremos Je.

El principio del experimento consiste en suministrar energía eléctrica a un conductor

(resistencia eléctrica) inmerso en agua dentro de un calorímetro, y medir el calor

proporcionado al agua.

En este experimento el trabajo eléctrico W realizado sobre el sistema en un tiempo t, es:

W = V.I.t (1.1)

donde:

W = Trabajo eléctrico en Joules (J)

V = Voltaje en volts (V)

I= Intensidad de corriente en Amper (A)

Esta energía eléctrica aplicada sobre el sistema se transforma en calor. La cantidad de

calor generado en el tiempo t, produce un incremento en la temperatura del agua,

LabFisicoquímicaI-01. Determinación del equivalente eléctrico del calor


54


paredes del recipiente y otros elementos del calorímetro. Si la temperatura inicial es T1 y

la final T2 entonces:

Q = Cp (m+ k )(T2 – T1) (1.2)

Donde Cp es el calor específico del agua (cal /g °C), m es la masa en gramos del agua y

k es el equivalente en agua del calorímetro, masa de agua capaz de absorber igual

cantidad de calor que el calorímetro para la misma elevación de temperatura.

El equivalente eléctrico del calor es:

Je = W/Q (1.3)

Para determinar el valor de k experimentalmente, mezclamos dos volúmenes de agua a

distintas temperaturas; una masa de agua fría (m1 a temperatura Ti) y otra masa de agua

caliente (m2 a temperatura Tc). Los colocamos en el calorímetro, junto a los componentes

del mismo. El sistema llega al equilibrio térmico a una temperatura Te. Por conservación

de la energía se tiene:

Qganado = - Qcedido

Cp (m1+ k )(Te – Ti) = -Cp m2 (Te – Tc) (1.4)

Despejando K:

12 mTT

TTmk

ie

ec

(1.5)


Equipo.

- Calorímetro (o recipiente aislado térmicamente)

- Termómetro.

- Cronómetro.

- Amperímetro.

- Balanza analítica.

- Resistencia eléctrica para calentamiento.

- Agitador magnético.

4.0 Técnica. 4.1 Determinación del equivalente en agua del calorímetro.

4.1.1 Agregar 500 g de agua a temperatura ambiente en el calorímetro. Medir y registrar

la temperatura Ti.

4.1.2 Pesar 500 g de agua y calentar hasta alcanzar una temperatura de 15° por encima

de Ti, registrar la temperatura Tc.


55


4.1.3 Adicionar los 500 g de agua a Tc al calorímetro (con cuidado de forma rápida para

evitar perdidas de calor considerables), que contiene los 500 g de agua a Ti, cerrar el

calorímetro, agitar ligeramente y esperar que se alcance la temperatura de equilibrio.

4.1.4 Una vez que se alcance el equilibrio térmico en la mezcla de las masas de agua,

registrar la temperatura de equilibrio Te.

4.1.5 Tirar el agua contenida en el calorímetro y enjuagar, con el fin de que este

preparado para el siguiente experimento.

4.1.5 Calcular el equivalente en agua del calorímetro (k) usando la ecuación (1.5).

NOTA: Durante esta actividad en ningún momento se requiere encender la resistencia

eléctrica.

4.2 Determinación del equivalente eléctrico del calor.

4.2.1 Agregar 1000 mL de agua (m3) a temperatura ambiente en el calorímetro.

4.2.2 Armar el dispositivo como se muestra en la Fig. 1.1 (Verificar que la resistencia

quede totalmente inmersa en el agua).

Fig. 1.1 Equipo experimental para calcular el equivalente eléctrico del calor

4.2.3 Esperar aproximadamente 2 min. y registrar la temperatura del agua dentro del

calorímetro (T0). No es necesario registrar el tiempo.

4.2.4 Conectar las terminales de la resistencia a la fuente de voltaje.

4.2.5 Inmediatamente de encender la resistencia, iniciar a medir el tiempo usando el

cronómetro.

4.2.6 Registrar el voltaje y la corriente cada 2 minutos. Si los valores de voltaje y/o

corriente varían mucho, sacar un promedio de estas mediciones y utilizar este valor en el

cálculo de W.

4.2.7 Después de transcurridos 30 s (t1) registrar la temperatura del calorímetro (T1).

4.2.8 Registrar la temperatura cada 30 s hasta obtener 14 valores de temperatura (T2, T3,

T4,...,T14) en función del tiempo (t1, t2, t3,..., t14).

4.2.9 Con los datos obtenidos y las ecuaciones correspondientes (1.1 a 1.3) calcular el

trabajo eléctrico, el calor y el equivalente eléctrico del calor.


56


5.0 Resultados.

5.1 Equivalente en agua del calorímetro.

Datos:

Masa Temperatura

m1 = Ti =

m2 = Tc =

Te =

Cálculos y resultados:

5.2 Equivalente eléctrico del calor.

Datos:

Tiempo (s) Temperatura (°C)

K = t0 = 0 T0 =

m3 = t1 = 30 T1 =

Voltaje (V) Amperaje (A) t2 = 60 T2=

t3 = 90 T3=

t4 = 120 T4=

t5= 150 T5=

t6= 180 T6=

t7= 210 T7=

t8= 240 T8=

t9= 270 T9=

t10= 300 T10=

t11=330 T11=

t12= 360 T12=

t13= 390 T13=

t14= 420 T14=

)()(

)()( k

K = ___________________


57


Cálculos y resultados:

Tiempo (s) T (°C) Trabajo eléctrico

We = VIt

Calor absorbido

Q =(m3 + K)T

Je

Je = W/Q

t1 = T1 = W1 = Q1 =

t2 = T2 = W2 = Q2 =

t3 = T3 = W3 = Q3 =

t4 = T4 = W4 = Q4 =

t5= T5 = W5 = Q5 =

t6= T6 = W6 = Q6 =

t7= T7 = W7 = Q7 =

t8= T8 = W8 = Q8 =

t9= T9 = W9 = Q9 =

t10= T10 = W10 = Q10 =

t11= T11 = W11 = Q11 =

t12= T12 = W12 = Q12 =

t13= T13 = W13 = Q13 =

t14= T14= W14 = Q14 =

Promedio (Je) =

Nota: Para calcular la Tn, se tomara en cuenta la lectura del termómetro en el tiempo

deseado a la cual se le restara T0. Por ejemplo: T3 = T3 - T0, T4 = T4 - T0 y asi

susecivamente.


7.0 Bibliografía.

Número 1, 2 y 3 que corresponden a la sección de bibliografía de este manual.


58




Nombre del alumno:______________________________Fecha:______________

Grupo:________Grado:________ Equipo:_______Carrera: _________________


59





5.1 Equivalente en agua del calorímetro.

K = ___________________

5.2 Equivalente eléctrico del calor.

Je = Je =

Je = Je =

Je = Je =

Je = Je =

Je = Je =

Je = Je =

Je = Je =

Promedio =

Equivalente eléctrico del calor obtenido gráficamente.

Je = ___________________

Nombre de la práctica: Determinación del equivalente eléctrico del calor


60


6.0 Conclusiones y comentarios _______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

____

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

__


Comentarios:___________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

___

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

___

Nombre del instructor:

Firma: Sello:


61




1.0 Objetivo.

Determinar la variación de entalpía (H de reacción) cuando un ácido fuerte reacciona

con una base fuerte.

2.0 Introducción.

El calor de neutralización es definido como el calor producido cuando un equivalente

gramo de ácido es neutralizado por una base. El calor de neutralización tiene un valor

aproximadamente constante, en la neutralización de un ácido fuerte con una base fuerte,

ya que en esta reacción se obtiene como producto en todos los casos un mol de agua, que

es formada por la reacción:

H+ + OH

- H2O

ó

H3O+ + OH

- 2H2O

En cada una de las reacciones anteriores se generan 13.7 Kcal/mol.

Esta constancia en la entalpía de neutralización, se entiende fácilmente cuando se

recuerda que los ácidos fuertes, bases fuertes y las sales, están completamente disociados

en sus soluciones diluidas; y, en tal consecuencia el efecto químico común a todas estas

neutralizaciones, que es sustancialmente el único cambio responsable para el efecto

térmico observado, es la unión de los iones hidratados hidrógeno e hidroxilo para formar

agua no ionizada. O sea, si la ecuación anterior de neutralización la escribimos en forma

iónica, tenemos:

Na+ (aq) + OH

-(aq) + H

+(aq) + Cl

-(aq) Na

+ (aq) + Cl

-(aq) + H2O

y cancelando los iones comunes en ambos miembros de la igualdad:

OH-(aq) + H

+(aq) H2O

LabFisicoquímicaI-02. Determinación del calor de reacción del ácido clorhídrico con

hidróxido de sodio


62


Esta constancia en la entalpía de neutralización no se mantiene en la neutralización de

soluciones de ácidos débiles por bases fuertes, bases débiles por ácidos fuertes o de

ácidos débiles por bases débiles. En todos estos casos el valor de H es menor y mucho

menor en el siguiente caso:

HCN (aq) + NaOH (aq) NaCN (aq) + H2O

en donde se obtienen -2.9 Kcal/mol.

En estos últimos casos el H de neutralización difiere del valor constante citado, porque

la formación del agua a partir de sus iones no es el único proceso químico que acompaña

a la neutralización, ya que paralelamente a la combinación de los iones hidratados

hidrógeno e hidroxilo, va ocurriendo la ionización de los solutos débiles, siendo el efecto

térmico observado la suma de las entalpías de ionización y neutralización.


Material:

Una probeta de 250 mL.

Dos vasos de precipitados de 250 mL.

Placa para calentamiento.

150 mL de solución de HCl 0.5 M.

150 ml de solución de NaOH 0.5 M.

Agua destilada.

Equipo:

Un frasco Dewar.

Un termómetro de -10 a 60 °C Un termómetro de -10 a 101 °C

4.0 Técnica.

4.1 Obtener la capacidad calorífica del calorímetro, calibrándolo mediante el método de

las mezclas.

4.1.1 Colocar 200 mL (m1 200 g) de agua destilada fría en el frasco termo

(T1).

4.1.2 Agregar 100 mL (m2 100 g) de agua destilada caliente (T2), al

frasco termo. La temperatura del agua caliente debe ser 10 °C arriba de la temperatura

del agua fría en el termo (T2 =T1 + 10 °C).

4.1.3 Agitar rápidamente y anotar la temperatura alcanzada en el equilibrio

(T3).

4.1.4 Calcular la capacidad calorífica del calorímetro (Ccalorímetro), por la

siguiente ecuación:

agua

agua

ocalorimetrCpm

TT

TTCpmC

1

13

232

)(

)(


63


4.2 Medición del calor de reacción entre el hidróxido de sodio y el ácido clorhídrico.

4.2.1 Enjuagar el calorímetro con agua a temperatura ambiente.

4.2.2 Colocar 150 mL de NaOH 0.5 M, en el interior del calorímetro y medir

su temperatura.

4.2.3 Colocar 150 mL de HCl 0.5 M, en un vaso de precipitado y medir su

temperatura.

4.2.4 Cuando las temperaturas del NaOH y del HCl permanezcan constante e

iguales (T4), agregar los 150 mL de HCl 0.5 M en el calorímetro.

4.2.5 Agitar la disolución, con el termómetro, hasta que se estabilice la

temperatura. Anotar la temperatura más alta alcanzada (T5).

4.2.6 Suponer que la densidad de las disoluciones y su calor especifico es la

unidad, y calcular el calor liberado en la reacción con la siguiente ecuación: )()()( 454545 TTCpmTTCpmTTCq HClHClNaOHNaOHocalorimetrLiberado

)( 45 TTCpmCpmCq HClHClNaOHNaOHocalorimetrLiberado

5.0 Resultados.

5.1 Capacidad calorífica del calorímetro.

Datos:

Temperatura inicial del agua fría T1 =

Masa de agua fría m1 =

Temperatura inicial del agua caliente T2 =

Masa del agua caliente m2 =

Temperatura final (de equilibrio) T3=

Cálculos:

Ccalorímetro =____________________________ = _____________

5.2 Calor de reacción del hidróxido de sodio y el ácido clorhídrico

Datos:

Temperatura inicial del NaOH y el HCl T4 =

Masa de NaOH mNaOH =

Masa de HCl mHCl =

Capacidad calorífica del calorímetro Ccal =

Temperatura final (de equilibrio) T5 =


64


Cálculos:

HCl

Liberado

acciónmoles

qq Re


7.0 Bibliografía.

Número 4 y 5 que corresponden a la sección de bibliografia de este manual.

ESPACIO PARA ANOTACIONES


Nombre del alumno: _________________________________ Fecha: _______________

Grupo: ________ Grado: _________ Equipo: _______ Carrera: __________________

Nombre de la práctica: Determinación del calor de neutralización del ácido

clorhídrico con hidróxido de sodio


65



_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

________


Comentarios:___________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

______

5.0 Resultados

5.1 Capacidad calorífica del calorímetro.

Ccalorímetro =__________________

5.2 Calor de reacción del hidróxido de sodio y el ácido clorhídrico.

qreacción = __________________________


Firma: Sello:


66


WeS istem a



1.0 Objetivo

Determinar el cambio de energía libre de Gibbs de una reacción química empleando una

celda electroquímica

2.0 Introducción.

Las celdas electroquímicas son dispositivos que se utilizan para transformar energía

química en eléctrica, o para producir sustancias. Las celdas empleadas para producir

energía eléctrica a partir de una reacción se llaman celdas galvanicas o pilas.

Figura 5.1 Celda electroquímica galvanica.

LabFisicoquímicaI-03. Determinación del cambio de energía libre de Gibbs de una

reacción química empleando una celda electroquímica.


67


Consideremos la pila mostrada en la figura 5.1 y realicemos un análisis termodinámico

del sistema, de la primera ley de la termodinámica tendremos:

U = Q + W (5.1)

el trabajo realizado por el sistema es:

W = - P V + We (5.2)

Combinando la ecuación 5.1 con la ecuación 5.2, la primera ley queda expresada por:

U = Q - P V + We (5.3)

De la segunda ley de la termodinámica podemos obtener el cambio de energía libre de

Gibbs (a temperatura y presión constante), expresado por la siguiente ecuación:

G = U + P V -T S (5.4)

Combinando la primera ley (ecuación 5.3) con la segunda ley de la termodinámica

(ecuación 5.4)

G = Q - P V + We + P V -T S (5.5)

Asumiendo que la celda opera reversiblemente

Q rev = T S (5.6)

La ecuación para el cambio de energía libre de Gibbs queda:

G = We (5.7)

El trabajo eléctrico realizado por la celda es:

We = - q E = -nFE (5.8)

Donde:

n = Numero de electrones transferidos en la reacción

F = Constante de Faraday (96500 C/mol e)

E = Diferencia de potencial entre los electrodos de la celda


68


Para que puedan aplicarse al mismo los conceptos de la Termodinámica clásica se debe

lograr que las pilas sean capaces de actuar en forma reversible, para lo cual es

indispensable que el proceso sea infinitamente lento. Lo que se hace es medir la

diferencia de potencial entre los electrodos de la celda electroquímica por el método

potenciométrico (voltímetro). Éste permite reducir la corriente que circula por la celda

electroquímica hasta un nivel para el cual se logre una aproximación adecuada al

comportamiento reversible (concepto de reversibilidad termodinámica). En estas

condiciones, la celda electroquímica se denomina pila.

Como se indica en la figura 5.1, la celda a estudiar consta de un electrodo de cinc

sumergido en una disolución de ZnSO4 y otro de cobre sumergido en una disolución de

CuSO4. Cuando los dos electrodos se unen (eléctricamente), una corriente eléctrica

circula de uno a otro, como puede observarse intercalando un amperímetro debido a que

existe una diferencia de potencial entre los dos electrodos. La reacción que da lugar a

esta fuerza electromotriz es:

Zn(s) + Cu+2

(ac) Zn

+2(ac) + Cu(s) G° = -212.6 KJ/mol

Dicha reacción se puede descomponer en dos partes, una que tiene lugar sobre el

electrodo de zinc: Zn(s) Zn+2

(ac) + 2 e; y otra que se presenta sobre el electrodo de

cobre: Cu+2

(ac) + 2 e Cu(s).


Material.

4 Vasos de precipitado de 100 mL.

50 ml de CuSO4 0.1M.

50 mL de ZnSO4 0.1M.

Barra de Zn.

Barra de Cu.

Papel filtro.

Disolución de NaCl saturada.

Equipo.

Voltímetro.

4.0 Técnica.

4.1 Preparación de las semiceldas.

4.1.1 Semicelda Cu+2

/Cu.

4.1.1.1Introducir una barra u hoja de cobre limpio (previamente lijado), en unos 30 mL

de CuSO4 0.1M contenidos en un vaso de precipitado de 100 mL.

4.1.2 Semicelda Zn+2

/Zn.

4.1.2.1 Introducir una barra de Zn limpio (previamente lijado) en unos 30 ml de ZnSO4

0.1M contenidos en un vaso de precipitado


69


4.2 Montaje de la celda electroquímica y determinación del cambio de energía libre de

Gibbs.

4.2.1 Acondicionar un puente salino, humedeciendo una tira de papel filtro con una

disolución de NaCl saturada.

4.2.2 Preparar la celda uniendo el par de semiceldas con el puente salino (introducir cada

extremo en una de las semiceldas).

4.2.3 Medir la diferencia de potencial, con el voltímetro, entre los electrodos de las

semiceldas y anotar el resultado (colocar la terminal positiva del voltímetro al electrodo

de Cu y la terminal negativa al electrodo de zinc).

4.2.4 Estimar el cambio de energía libre de Gibbs de la reacción usando la ecuación 5.8.

5.0 Resultados.

Datos:

n = _______________

E = ________________

Cálculos:

G = - nFE = _____________________


7.0 Bibliografía.

Número 5, 9, 10 y 11que corresponden a la sección de bibliografía de este manual.


70




Nombre del alumno: _________________________________ Fecha: _______________

Grupo: ________ Grado: _________ Equipo: _______ Carrera: __________________

Nombre de la práctica: Determinación del cambio de energía libre de Gibbs de una

reacción química empleando una celda electroquímica.


71



_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

________

_______________________________________________________________________

__


Comentarios:___________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

______

_______________________________________________________________________

__

5.0 Resultados.

G = - nFE = _____________________ = ______________


Firma: Sello:


72




1.0 Objetivo

1.1 Estimar la entalpía de vaporización de un líquido mediante el modelo de Clausius y

Clapeyron.

2.0 Introducción.

La presión de vapor de un líquido puro es la presión a la cual el líquido está en equilibrio

con su vapor. Este equilibrio es dinámico; así el número de moléculas de líquido que se

evaporan es igual al número de moléculas de vapor que se condensan. La presión de

vapor del agua, es la presión ejercida por el vapor de agua contenido en un volumen de

aire saturado a la temperatura del aire contenido es ese volumen.

La presión de vapor de un líquido, es constante a una temperatura dada, pero aumenta si

lo hace la temperatura hasta llegar a la temperatura crítica (el punto crítico del líquido),

temperatura a la cual no existe líquido. El punto de ebullición normal de un líquido (Teb)

es la temperatura a la cual el líquido tiene una presión de vapor igual a 1atm.

La ecuación de Clausius y Clapeyron relaciona la presión de vapor con la temperatura:

lv

lv

VV

SS

dV

dS

dT

dP

(6.1)

Aquí Vv representa el volumen molar de l vapor y Vl el volumen del líquido. Debido a

que el cambio de entropía (S -S) de vaporización es un proceso reversible:

T

HSS

v

lv

(6.2)

Por lo tanto,

lg

v

VVT

H

dT

dP

(6.3)

LabFisicoquímicaI-04. Determinación de la entalpía de vaporización mediante el

modelo de Clausius y Clapeyron.


73


Donde Hv es el calor molar de vaporización y T la temperatura de ebullición. A

temperatura no muy próxima a la critica Vl es muy pequeña comparada con Vg y puede

despreciarse. Además si suponemos que el vapor se comporta esencialmente como un

gas ideal, entonces Vg viene dada por Vg = RT/ P y la ecuación anterior se transforma

en:

2RT

PH

dT

dPv

(6.4)

De donde

2RT

dTH

P

dPv

(6.5)

Considerando que Hv es independiente de la temperatura:

bTR

HP

v

1ln

(6.6)

Esta ecuación se conoce como la ecuación de Clausius-Clapeyron integrada. La cual

corresponde a la ecuación de una línea recta, donde la pendiente esR

Hv

y b la

intersección. P y T son la presión absoluta y temperatura absoluta respectivamente, R es

la constante de los gases y Hv es la entalpía molar de evaporación.


- Vaso de precipitado de 1000 mL.

- Plato caliente.

- Termómetro de 0 °C -100 °C.

- Probeta de 25 mL.

- Barómetro.

- Recipiente de 2-4 L

- Hielo


74


4.0 Técnica.

4.1 Determinación de la entalpía de vaporización del agua.

4.1.1. Llenar con agua una probeta de 25 mL con agua destilada hasta 80 % de su

capacidad total. Cubrir la parte superior de la probeta con la mano, invertirla e

introducirla lentamente dentro de un vaso de precipitados (1 L) lleno de agua. Dentro de

la probeta debe quedar atrapado un volumen de aire de aproximadamente 15 mL (Ver

Fig. 6.1).

4.1.2. Agregar al baño suficiente agua para asegurar que el volumen de aire dentro de la

probeta quede completamente rodeado de agua. Si es necesario utilizar un contrapeso,

pinzas y soporte o algún tipo de cinta adhesiva para mantener la probeta sumergida

durante todo el experimento.

4.1.3. Calentar el sistema con un mechero o un plato caliente hasta llegar a una

temperatura de 75 ºC. Observar lo que sucede dentro de la probeta.

4.1.4. En el momento que la temperatura del agua sea 75, registrar esta temperatura y el

volumen de aire dentro de la probeta. Suspender el calentamiento (apagar el mechero o

el plato caliente) para que el sistema se enfrié.

4.1.5. Dejar que se enfrié lentamente y registre los volúmenes de aire correspondientes

conforme vaya bajando la temperatura. Obtener lecturas para variaciones de volumen de

1 mL. Registrar los valores de temperatura y volumen en la tabla 6.1.

4.1.6. Continuar con las mediciones hasta llegar a 30 °C.

4.1.7. Agregar poco a poco hielo al agua para que la temperatura vaya disminuyendo

gradualmente, hasta llegar a una temperatura cercana a 0 °C.

4.1.8. Registrar el volumen del aire y la temperatura en este punto.

4.1.9. Anotar el valor de la presión atmosférica del lugar de trabajo.

4.1.10. Lavar el material y entregarlo.

4.1.11. Realizar los cálculos correspondientes.

4.2.1. Graficar ln P contra 1/T y estimar la pendiente.

4.2.2. A partir del valor de la pendiente obtenida calcule el valor de Hv

Fig. 6.1. Equipo experimental para determinar la entalpía de vaporización de un líquido.


75


SUGERENCIAS:

- Utilizar la ecuación del gas ideal y con los datos de volumen y presión obtenidos a la

temperatura cercana a 0 °C, calculé el número de moles de aire presentes en el sistema.

- Con el número de moles de aire y la presión total del sistema, calcular a cada una de

las temperaturas registradas, el volumen que ocupa el aire dentro de la probeta. Registre

sus resultados en la cuarta columna de la Tabla 5.1.

- La fracción mol del aire (Yaire) en la mezcla se puede calcular por la división entre el

volumen de aire calculado y del volumen experimental medido del gas

- Con los valores de fracción molar del aire en la mezcla se puede calcular la presión

parcial del aire (Paire).

- Calcular la presión parcial del vapor de agua (Pvapor) por diferencia entre la Paire y la

presión total del sistema.

5.0 Resultados.

Tabla 5.1. Datos experimentales y cálculos

Resultados

Experimentales

Cálculos

Temp.

(ºC)

Vol.

(mL)

Temp.

(K)

Vol.

(mL)

calculado

Yaire

Paire

Pvap(H2O)

(mmHg)

1/T

(1/K)

ln (P)


7.0 Bibliografía.

Número 4, 5, 12 y 13que corresponden a la sección de bibliografía de este manual.


76




Nombre del alumno: _________________________________Fecha:_______________

Grupo: ________ Grado: _________Equipo: _______Carrera: __________________

Nombre de la práctica: Determinación de la entalpía de vaporización mediante el

modelo de Clausius y Clapeyron.


77



_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

________

_______________________________________________________________________

__


Comentarios:___________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

________

5.0 Resultados.

Resultados obtenidos.

ln P (mm Hg) 1/T (K) ln P (mm Hg) 1/T (K)

Entalpía de vaporización del agua Hv (H2O) = ________________J/mol


Firma: Sello:


78


3.0. Bibliografía

1.- J.E. Fernández y E. Galioni, “Trabajos prácticos de física”, Editorial Nigar, Buenos

Aires (1968).

2.- B.L. Worsnop y H.T. Flint, “Curso superior de física práctica”, Editorial EUDEBA,

Buenos Aires (1964); original inglesa de ed. Fethuen Co., Ltd. London (1957).

3.- S. Gil y E. Rodríguez, “Física recreativa”, Editorial Prentice Hall, Buenos Aires

(2001).

4.- Urquiza Manuel; “Experimentos de fisicoquímica”; 1ra. Reimpresión Monterrey, N.

L.; Ed. Limusa, SA; 1974.

5.- Gilbert W. Castellan, “Fisicoquímica”, Segunda edición, Editorial Addison-Wesley

Iberoamericana, Wilmington, Delaware, E. U. (1987)

6.- Raymon Chang, Química, , Editorial Mc Graw Hill, Sexta edición 1999.

7.- David P. Shoemaker Et al., Experiments in Physical Chemistry, Editorial Mc Graw

Hill, tercer edición 1974.

8.- Brown Lemay Bursten, “Química la Ciencia Central”, Editorial Prentice Hall,

séptima edición 1998.

9.- J. M. Smith, H. C. Van Ness, “Introducción a la Termodinámica en Ingeniería

Química”, Segunda edición, Editorial McGraw-Hill, México (1991).

10. - Allen J. Bard “Electrochemical Methods”, 2nd edition, John Wiley & Sons, E. U.

(2001).

11.- Carl H. Hamann, Andrew hamnett, Wolf Vielstich, “Electrochemistry”, 2nd edition,

WILEY-VCH, Weinheim (1998)

12.- Samuel H. Maron, Carl F. Prutton, “Fundamentos de fisicoquímica”, Ed. Limusa

Noriega, México DF. (1990)

13.- http://www.elprisma.com/quimica-general/presionliqu-%=

http://www.elprisma.com/quimica-general/presionliqu-%25=


79


4.0 Anexoss

4.1. Cuestionarios.

4.1.1. LabFisicoquímicaI-01.

1.- Realizar una gráfica del trabajo realizado (We) contra calor absorbido (Q).

2.- ¿Cuál es el valor de la pendiente de la recta que se obtiene?

3.- A esta pendiente se le conoce como equivalencia calor-trabajo, si el valor teórico es

de 4.184 J/cal ¿Que porcentaje de error se obtiene en su determinación?

4.- Define con tus propias palabras la primera ley de la termodinámica basándote en la

equivalencia calor-trabajo.

4.12. LabFisicoquímicaI-02.

1.- Defina los siguientes conceptos: a) Calor de reacción, b) Calor de formación, c)

Calor de disolución, d) Reacción exotérmica, e) Reacción endotérmica

2.- Explique la utilidad e importancia de conocer el calor desprendido o absorbido en

una reacción química.

3.- Utilizando el calor de reacción obtenido es esta práctica, calcule el calor desprendido

al neutralizar 2 L de HCl 1.2 M.

4.- Realice el cálculo teórico, para determinar el calor de reacción (neutralización)

desprendido cuando el H2SO4 se neutraliza con NaOH.

5.- Investigar la dependencia del calor de reacción con la temperatura.

4.1.5. LabFisicoquímicaI-03

1.- ¿Que significado tiene el cambio de energía libre de Gibbs de un sistema?

2.- ¿Cual es la utilidad de estimar el cambio de energía libre de Gibbs de una reacción

química?

3.- Compare el valor de Gobtenido experimentalmente con el valor reportado en

bibliografía.


80


4.- Investigue la expresión que permite estimar constantes de equilibrio en reacciones

químicas utilizando el cambio de energía libre de Gibbs.

4.1.6. LabFisicoquímicaI-04

1.- Realizar una gráfica de Pvapor (mmHg) contra temperatura absoluta (K). También la

gráfica de ln Pvapor contra 1/T.

2.- Evaluar la pendiente de la recta mediante la regresión lineal practicada

a los valores de la gráfica ln Pvapor contra 1/T. Calcular el valor de la entalpía de

vaporización.

3.- Comparar los valores de Pvapor (H2O) obtenidos experimentalmente contra los

reportados en las tablas de vapor y en datos de propiedades físicas y químicas en

bibliografías.

4.- ¿Qué gases se encuentran confinados en la parte superior de la probeta a lo largo del

experimento?

5.- ¿Cuál es el gas dentro de la probeta cuando la temperatura es de 0 °C? Justifique su

respuesta refiriéndose a la utilidad de determinar el volumen a 0 °C.

6.- ¿Cuál es la presión total de los gases que se encuentran en la parte superior de la

probeta durante el experimento?.

7.- ¿Mediante la ecuación de Clausius y Clapeyron también se puede calcular la entalpía

específica de sublimación?

8.- ¿Qué unidades tiene la pendiente de la ecuación de Clausius y Clapeyron?

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