PRÁCTICA DE VISUALIZACIÓN DEL PUNTO CRÍTICO DE UNA SUSTANCIA PURA

Información recopilada y/o elaborada por: Prof. Rubén Arévalo

1. Contenido Teórico¿Qué es el Punto Crítico?Conforme aumenta la presión y la temperatura de una sustancia pura, el volumen específico del líquido saturado aumenta y el del vapor saturado disminuye, hasta que se hacen iguales. Este punto es conocido como estado o punto crítico de una sustancia y en él las fases líquida y gaseosa tienen el mismo volumen específico y se hacen indistinguibles entre sí (ver figura 1). Las propiedades de una sustancia en este estado son conocidas como propiedades críticas: temperatura crítica (Tc), presión crítica (Pc) y volumen específico crítico (vc). Es muy importante saber que por encima del punto crítico las fases líquida y gaseosa no pueden coexistir en equilibrio.

Figura 1. Ubicación del Punto Crítico de una Sustancia Pura

Debido a que la mayoría de las veces el volumen específico de la fase líquida y la fase gaseosa de una mezcla son bastante distintas, es difícil visualizar condiciones bajo las cuales ambas fases se hacen indistinguibles entre sí. Con frecuencia, es útil considerar el siguiente experimento. Si se llena un recipiente transparente y rígido con una mezcla de líquido y vapor de una sustancia en un estado como el representado con el punto “a” en la figura 2, todo el líquido se asentará en el fondo y podrá verse un menisco que separa las dos fases. Si la mezcla se calienta, entonces aumentarán la presión y la temperatura. Una inspección de la figura 2 muestra que la fracción del líquido, así como el volumen específico del líquido, aumentarán, causando que el menisco se eleve hasta que llegue al tope del recipiente en el punto “b”. Durante un calentamiento posterior hasta el punto “m”, el recipiente contendrá únicamente líquido. Si en cambio el

vc

Tc

Volumen específico

Línea de líquido saturado

Línea de vapor saturado

Tem

pera

tura

PcPunto Crítico

recipiente se llenó originalmente con una mezcla representada por el punto “d”, el calentamiento causaría la evaporación del líquido y el menisco bajaría hasta que la última traza de líquido en el fondo se vaporice al llegar al punto “e” Un posterior calentamiento hasta el punto “o” sobrecalentaría el vapor.

Para un caso más interesante, considere que el recipiente se llena inicialmente con una mezcla en el estado “h”, de tal manera que el volumen específico de la mezcla es igual al volumen específico crítico. Conforme se calienta la mezcla, el líquido se hace cada vez menos denso y el vapor más denso, hasta llegar al punto crítico. Al llegar al punto crítico, el menisco desaparece porque ya no hay dos fases presentes. La fase única que queda puede considerarse como líquido o como vapor, y hay tantas razones para designarlo de un modo como del otro. En realidad, los experimentos demuestran que el menisco desaparece no sólo en el estado crítico, sino en toda una región a su alrededor, donde las densidades de las dos fases son casi iguales. Esto significa que la desaparición del menisco puede mostrarse sin hacer que la sustancia pase exactamente por su estado crítico.

Figura 2. Experimentos Cerca del Estado Crítico

2. ObjetivoObservar el comportamiento de una sustancia pura en el punto crítico.

3. Procedimientoa) El montaje previo del equipo debe ser realizado por el personal técnico del

laboratorio.b) Identifique los componentes y accesorios del equipo: cámara presurizada

con hexafloruro de azufre (SF6), lámpara, prisma orientable, transformador, termopar, medidor digital de temperatura, generador de vapor, mangueras, vasos de precipitado, mordaza múltiple de Leybold.

Volumen específico

Tem

pera

tura

a h d

b

ce

m o

c) Conecte la lámpara que permitirá proyectar la sustancia para una mejor observación del fenómeno.

d) Ajuste el dispositivo de proyección para que la cámara que contiene la sustancia esté completamente alineado con la trayectoria de la luz de la lámpara y que el menisco que separa las fases se vea nítidamente.

e) Conecte la plancha del generador de vapor y verifique que esté comunicado el generador de vapor con la cámara de SF6 a través de una manguera.

f) Desconecte la plancha del generador de vapor cuando la temperatura indicada esté alrededor de 40°C; así, el aumento posterior de temperatura, debido a la inercia térmica, será muy lento y podrá observarse mucho mejor el fenómeno.

g) Una vez que se halla observado el paso a través del punto crítico, desconecte la entrada de vapor a la cámara de SF6 y haga pasar por la misma un flujo de agua fría. Así, se enfriará la sustancia y se volverá a pasar a través del punto crítico pero con el proceso inverso.

4. Actividades a Realizara) Describa el fenómeno observado, apoyándose en una representación del

proceso sobre los diagramas termodinámicos P-v, T-v y P-T.b) ¿En qué fase se encuentra una sustancia pura en el punto crítico?c) Explique de qué manera las propiedades críticas ayudan a diferenciar un

gas de un vapor.d) Explique en qué forma las propiedades críticas ayudan en el análisis del

comportamiento de los gases reales.