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5/9/2018 OBJETIVOS Y CONTENIDO - slidepdf.com

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LABORATORIO N°6: PRESIÓN DE VAPOR SATURADO UNI

OBJETIVOS

Analizar sistemáticamente el comportamiento que posee la tensión de

vapor de agua frente a la temperatura, a través del ascenso de mercurio

(Hg) en un tubo en U, el mismo que forma parte del montaje respectivo para

la experiencia.

A la vez se pretende corroborar la curva de equilibrio líquido-vapor.




C ONTENIDO DEL INFORME

I. REPRESENTAC IÓN ESQUEMÁTI C A DEL FENÓMENO EN EN- SAYO

El equipo para el montaje respectivo a esta experiencia incorpora los

siguientes materiales y/o instrumentos:

1. Una base Leybold grande

2. Una varilla de acero

3. Dos pinzas

4. Un mechero Bunsen

5. Un matraz con un tapón bihoradado

6. Un tubo en forma de U invertido

7. Un termómetro

8. Un tubo de ensayo9. 180 g de mercurio

Las imágenes muestran el montaje experimental.




II. FUNDAMENTAC IÓN TEÓRI C A DEL ENSAYO

La presión de vapor o más comúnmente presión de saturación es la presión

a la que a cada temperatura la fase líquida y vapor se encuentran en

equilibrio dinámico; su valor es independiente de las cantidades de líquido y

vapor presentes mientras existan ambas.

En la situación de equilibrio, las fases reciben la denominación del líquidosaturado y vapor saturado. Esta propiedad posee una relacióninversamente proporcional con las Fuerzas de Atracción Intermoleculares,debido a que cuanto mayor sea el módulo de las mismas, mayor deberá ser la cantidad de energía entregada (ya sea en forma de calor u otramanifestación) para vencerlas y producir el cambio de estado.

El factor más importante que determina el valor de la presión de saturaciónes la propia naturaleza del líquido, encontrándose que en general entrelíquidos de naturaleza similar, la presión de vapor a una temperatura dadaes tanto menor cuanto mayor es el peso molecular del líquido.

Se define como presión de vapor en equilibrio de un líquido en contacto consu vapor, o simplemente, presión de vapor a una temperatura determinada,a la presión que ejercen las moléculas que escapan de la fase líquida (enequilibrio con las que retornan de la fase vapor). Dicha presión de vapor aumenta al elevarse la temperatura, llegándose a un límite que es lapresión crítica, en el que la fase líquida desaparece. Cuando la presión devapor del líquido es igual a la presión externa que ejerce el gas en contacto

con el líquido, se observa la formación de burbujas en el seno del líquido yse dice que éste entra en ebullición. Así pues, el punto de ebullición de unlíquido se define como la temperatura a la cual su presión de vapor es iguala la presión externa. Si se produce una disminución de la presión externa,el punto de ebullición disminuye, mientras que un aumento de la presiónexterna provocará un aumento del punto de ebullición.

Las moléculas de un líquido se mueven debido a la temperatura a la que seencuentran, escapando algunas moléculas que poseen una velocidadsuperior a la media a través de la superficie libre y pasando a la fase

gaseosa. Asimismo, las moléculas de vapor al chocar con la superficie librese incorporan a la fase líquida. En las condiciones adecuadas se llegará aun equilibrio entre ambos movimientos. Se puede demostrar experimentalmente que la presión de vapor es independiente de la masadel líquido y del espacio ocupado por el vapor, y que sólo depende de lanaturaleza del líquido y de la temperatura a la que está sometido el líquido.




Características P rincipales:

1.- El valor de la presión de vapor es independiente de las cantidades dellíquido y vapor, mientras haya presente cualquier superficie libre dellíquido. Este valor depende en realidad de la cantidad de moléculasganadas o perdidas por el líquido.

2.- A mayor área expuesta al vapor, mayor será la cantidad de moléculasganadas por el líquido.

3.- La composición del líquido es determinante en el valor de la presión devapor durante el equilibrio.

4.- A mayor peso molecular menor valor en la presión de vapor.

5.- Este tipo de tratamiento permite además obtener los valores del calor y

de la entropía de vaporización del líquido

Existen varios métodos para medir la presión de vapor. El más conocido es:

El isoteniscopio, cuando la presión externa es igual a la presión de vapor el manómetro de comparación, sumergido en el baño, debe tener la mismaaltura en las dos ramas. es preciso, flexible y conveniente para la mediciónde las presiones de vapor de una sustancia en un intervalo amplio detemperaturas.

Disposición del isot eniscopio en la det erminación de va por de líqui d os




Dependencia de la P resión de V apor con respecto a la T emperatura

La presión de vapor de un líquido aumenta con el incremento de latemperatura. La magnitud del incremento de presión de vapor con latemperatura es característica del líquido particular. Las variaciones depresión de vapor con la temperatura de varios líquidos se muestran en la

imagen.

P unto de ebullición

El efecto de evaporación explicado hasta aquí; donde para cada valor detemperatura, se establece un equilibrio entre las moléculas que abandonanel líquido desde su superficie como gases y las que regresan a él para dar un valor presión, se cumple de igual modo aunque la naturaleza del gas

que está estableciendo la presión sea otro diferente a los vapores delpropio líquido.

Veamos: supongamos que tenemos un líquido confinado a un recipienteabierto como se muestra, en este caso sobre el líquido actúa el aire a lapresión de la atmósfera, si esta presión es mayor que la presión de vapor saturado del líquido a esa temperatura, la evaporación será muy lenta, y sedeberá básicamente, a que siempre en el incesante choque entre ellas,




alguna de manera esporádica, alcanzará la energía suficiente para pasar alestado gaseoso con la posibilidad de abandonar el recipiente,especialmente si hay alguna corriente de gases que la arrastre.

Si comenzamos a incrementar la temperatura del sistema, cada vez será

mayor la cantidad de moléculas que lo abandonen y se irá incrementandogradualmente la evaporación.

Cuando se alcance una temperatura tal, para la cual, el valor de la presión

de vapor saturado del líquido en cuestión, sea igual al valor de la presión

atmosférica, la evaporación se producirá en toda la masa del líquido, se

dice entonces que el líquido entra en ebullición (hierve). Si se ha

comprendido hasta aquí podemos ahora definir el punto de ebullición como

el valor de la temperatura para la cual la presión de vapor saturado de un

líquido cualquiera, alcanza la presión a que está sometido.

Se puede deducir fácilmente que el punto de ebullición de un líquido

dependerá de la presión a que esté sometido y será más bajo para bajas

presiones y más alto para el caso contrario.

Este fenómeno se aprovecha en la práctica para muchas aplicaciones,

algunas tan simples como la conocida olla a presión, y otras tan complejas

e importantes como las grandes calderas de vapor, las máquinas

refrigeradoras o la producción de aire líquido.




III. H OJA DE DATOS




IV. C ÁLC ULOS, GRÁFI C OS Y RESULTADOS

1. A partir de la temperatura de ebullición y cada 5° C determine la tensión de v apor q ue corresponde a diferentes temperaturas durante el enfriamiento.

Según la ecuación:

PvT = Patm ± PHg ± PH2O

Determinamos la presión de vapor para cada temperatura considerada en

la tabla de datos.

Sabemos que:

Patm = 1.01x105 Pa

PHg = HgghHg ; Hg = 13600 kg/m3

PH2O = H2OghH2O ; H2O = 1000 kg/m3

g = 9.81 m/s2

Luego, para cada temperatura:

T (K) h Hg ( m ) h H2O ( m ) Hg ( a ) H2O ( a ) v T ( a )358 0.205 0.053 27350.28 519.93 73129.79

356 0.245 0.053 32686.92 519.93 67793.15

354 0.285 0.053 38023.56 519.93 62456.51

352 0.325 0.053 43360.2 519.93 57119.87

350 0.345 0.053 46028.52 519.93 54451.55

348 0.375 0.053 50031 519.93 50449.07

346 0.405 0.053 54033.48 519.93 46446.59

344 0.425 0.053 56701.8 519.93 43778.27

342 0.45 0.053 60037.2 519.93 40442.87

340 0.47 0.053 62705.52 519.93 37774.55

338 0.49 0.053 65373.84 519.93 35106.23

336 0.505 0.053 67375.08 519.93 33104.99

334 0.524 0.053 69909.984 519.93 30570.086

332 0.542 0.053 72311.472 519.93 28168.598

330 0.555 0.053 74045.88 519.93 26434.19

328 0.565 0.053 75380.04 519.93 25100.03




2 . Con los v alores obtenidos trace una cur v a en un sistema de coordenadas rectangulares representando la presión en el eje de coordenadas y la temperatura absoluta en el eje de las abscisas.

Pv T = 0.1971e0.0358T

R² = 0.9992

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

325 330 335 340 345 350 355 360

PvT (Pa)

T (K)

Pv T vs T

T ( T ( a

358 73129

79

356 67793 15

354 62456 51

352 57119 87

350 54451 55

348 50449 07

346 46446 59

344 43778 27

342 40442 87

340 37774

55

338 35106 23

336 33104 99

334 30570 086

332 28168 598

330 26434 19

328 25100 03




3. T eóricamente se sabe q ue la presión y la temperatura en la experiencia realizada están relacionadas por una ecuación de la forma:

P = P 0 e-/T

P ara los v alores de T cercanos de ebullición, esto es, entre 343

y 373 aproximadamente.

Con los v alores de P y T obtenidos experimentalmente,determinar el v alor de .

Tomando Ln en ambos miembros:

LnPvT = LnP0 ± (1/T) ; donde T es temperatura absoluta

¡ ¢ £ n ¡

358 73129.79 0.00279 11.2

356 67793.15 0.00281 11.124

354 62456.51 0.00282 11.042

352 57119.87 0.00284 10.953

350 54451.55 0.00286 10.905

348 50449.07 0.00287 10.829

346 46446.59 0.00289 10.746

344 43778.27 0.00291 10.687

342 40442.87 0.00292 10.608

340 37774.55 0.00294 10.539

338 35106.23 0.00296 10.466

336 33104.99 0.00298 10.407

334 30570.086 0.00299 10.328

332 28168.598 0.00301 10.246

330 26434.19 0.00303 10.182

328 25100.03 0.00305 10.131

Para la gráfica respectiva, debemos considerar el intervalo de valores para

la temperatura absoluta




Según la ecuación que describe la gráfica, podemos aseverar que es

4168.5

Además, el valor de LnP0 es 22.808; por lo que P0 es 8042453216.

y = -4168.5 x + 22 .808 R² = 0.9966

10.6

10.7

10.8

10.9

11

11.1

11.2

11.3

0.00278 0.0028 0.00282 0.00284 0.00286 0.00288 0.0029 0.00292

LnPvT

1/T (1/K)

LnPv T vs 1/T




C ON C LUSIONES

1. En base a la primera gráfica, afirmamos que entre la tensión de vapor

es directamente proporcional a la temperatura; existiendo una

relación exponencial entre ellas.

2. Hemos logrado reafirmar la Ecuación de Clausius-Clapeyron, ya que

hemos obtenido la curva de equilibrio líquido-vapor en la gráfica 1.




RE C OMENDAC IONES

1. Manipular los materiales y/o instrumentos del montaje con suma

cautela y precisión, pues de no ser así no solo se rompería alguno de

ellos sino que también se liberaría al mortal mercurio, el cual es

perjudicial para la vida.2. Para la optimización en la toma de datos, es necesario colocar de

inmediato el tubo en U dentro del tubo de ensayo que contiene al

mercurio y agua, solo cuando empiece a evaporar y se cierre el

circuito que libera el vapor.

3. Cuando se culmina con la experiencia se debe tener cuidado al retirar

el tubo en U del tubo de ensayo, pues podría derramar el metal

líquido.




BIBLIOGRAFÍA

1. Manual de Laboratorio de Física General

Universidad Nacional Ingeniería

Páginas: 108-111

2. Física Universitaria 1Sears-Zemansky

Páginas: 456-458 y 586

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