UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS
TEMA:
PRIMER INFORME DE LABORATORIO
CURSO:
Fisicoquímica y Operaciones Unitarias
PROFESOR:
HERNAN JULIO PARRA OSORIO
ALUMNOS:
FECHA:
GUTARRA SOCUALAYA, BRYAN EDUARDO
JAQUE MARCATINCO, JAVIER
LEÓN APAZA, ROY MELVIN
MATIENZO BALLETO, GABRIEL VICTOR
MELCHOR NEYRA, RICHARD ARTURO
20/04/12
2012-I
FUNDAMENTO TEÓRICO GASES IDEALES Los primeros estudios fisicoquímicos realizados a partir del siglo 17 involucraron el estudio de los gases, debido a que éstos responden en forma más dramática a cambios en el ambiente que los líquidos y los sólidos. La mayoría de estos primeros estudios estuvieron focalizados en las variaciones de presión, temperaturas y volumen de una determinada porción de gas (relaciones p-V-T). La más simple es la Ley de BoyleMariotte:
PV = cte Análogamente, Gay-Lussac reportó la relación inversa entre el volumen y la temperatura:
V/T = cte y la Ley Combinada es:
PV/T = cte Necesitamos solamente determinar el valor de la constante de la ley anterior. Esto pude ser realizado midiendo el producto PV de “n” moles de un gas a muy baja presión y a una temperatura fija:
donde Ѳ= RT, y R es la “constante de los gases ideales” igual a 8.31441 *J/K/mol+. Ahora podemos enunciar la ecuación de estado para un gas ideal, también conocida como Ley de los Gases Ideales :
PV = nRT Y expresada “molarmente”, donde V-raya es el volumen molar:
PV = RT Gas Ideal Modelo o teoría de gases que considera: El volumen de las moléculas es despreciable frente al volumen total. Las interacciones entre moléculas de gas son despreciables.
Importante: los gases reales pueden considerarse como ideales a bajas presiones y altas temperaturas. De esta simple ley se deducen las isotermas de un gas ideal:
Ley de Dalton o de las Presiones Parciales: “la presión de una mezcla (o solución) de gas es igual a la suma de las presiones parciales de los gases que la componen”. PT = P1 + P2 + P3 + … + Pn =
(Pi)
Presión parcial es la presión que ejercería un gas si estuviese solo ocupando todo el volumen de la mezcla a la misma temperatura:
Pi = Xi PT Gases Reales El modelo de “gas ideal” permite definir un marco de referencia para estudiar el comportamiento de los gases. En algunas ocasiones, podremos modelar los gases geológicos utilizando Leyes Ideales; sin embargo, es de gran importancia tener una noción de las desviaciones que sufren éstos bajo determinadas condiciones de temperatura, presión y volumen. Los gases naturales o reales presentan las siguientes desviaciones del comportamiento ideal:
- para altas presiones: V real > Videal - para moderadas presiones: V real < Videal - para moderadas temperaturas: V real > Videal Esta desviaciones aparecen producto de la diferencia de volumen, por lo que definiremos el factor de compresibilidad (Z), que corresponde a una medida de la “noidealidad” en el comportamiento de un gas:
Z = PV/RT Z = Vreal / Vreal Para un Gas Ideal, el factor de compresibilidad es unitario, mientras que para Gases Reales es mayor o menor que 1. Ejemplos para el H2O, CO2 y O2 gaseosos:
PROCESO ISOTERMICO Proceso isotérmico o proceso isotermo al cambio reversible en un sistema termodinámico, siendo dicho cambio a temperatura constante en todo el sistema. La compresión o expansión de un gas ideal en contacto permanente con un termostato es un ejemplo de proceso isotermo, y puede llevarse a cabo colocando el gas en contacto térmico con otro sistema de capacidad calorífica muy grande y a la misma temperatura que el gas; este otro sistema se conoce como foco caliente. De esta manera, el calor se transfiere muy lentamente, permitiendo que el gas se expanda realizando trabajo. Como la energía interna de un gas ideal sólo depende de la temperatura y ésta
permanece constante en la expansión isoterma, el calor tomado del foco es igual al trabajo realizado por el gas: Q = W. Una curva isoterma es una línea que sobre un diagrama representa los valores sucesivos de las diversas variables de un sistema en un proceso isotermo. Las isotermas de un gas ideal en un diagrama P-V, llamado diagrama de Clapeyron, son hipérbolas equiláteras, cuya ecuación es P•V = constante.
PROCESO ISOCORO Un proceso isocórico, también llamado proceso isométrico o isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante; ΔV = 0. Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen, ya que éste se define como: ΔW = PΔV , donde P es la presión (el trabajo es positivo, ya que es ejercido por el sistema). Aplicando la primera ley de la termodinámica, podemos deducir que Q, el cambio de la energía interna del sistema es: Q = ΔU
para un proceso isocórico: es decir, todo el calor que transfiramos al sistema quedará a su energía interna, U. Si la cantidad de gas permanece constante, entonces el incremento de energía será proporcional al incremento de temperatura, Q = n*C*V*ΔT
donde CV es el calor específico molar a volumen constante. En un diagrama P-V, un proceso isocórico aparece como una línea vertical. Desde el punto de vista de la termodinámica, estas transformaciones deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro final; es decir, que las magnitudes que sufren una variación al pasar de un estado a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial y final. De esta forma los procesos termodinámicos pueden ser interpretados como el resultado de la interacción de un sistema con otro tras ser eliminada alguna ligadura entre ellos, de forma que finalmente los sistemas se encuentren en equilibrio (mecánico, térmico y/o material) entre si.
De una manera menos abstracta, un proceso termodinámico puede ser visto como los cambios de un sistema, desde unas condiciones iniciales hasta otras condiciones finales, debidos a la desestabilización del sistema.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: A) PROCESO ISOTERMICO: Montar el equipo dejando unos 30ml de aire (gas A) en la bureta de gases, cerrar con la pinza la manguera.
Verifique que no haya escape del gas A, para lo cual, cambie de posición la pera de nivel a una posición fija y después de variar el nivel de líquido manométrico en la bureta de gases, verifique que este nivel permanezca constante. Si varia es porque hay escape de gas y habrá que resolver esta situación. Luego regrese la pera de nivel a una posición tal, que los niveles de agua de la pera y de la bureta se encuentran enrasados con un error menor de 0.1ml.Para observar mejor, trate de acercar cuanto sea posible la bureta de gases a la pera de nivel. Haga la
lectura del volumen en la bureta de gases. Luego, levante la pera de nivel sucesivamente 20, 40, 60, 80, 100cm (puede elegir la posición que sea conveniente). Con la regla en vertical, mida exactamente la diferencia de niveles. Registre estas lecturas y la de los volúmenes del gas A. repita el paso anterior, pero bajamos la pera de nivel 20, 40, 60, 80, 100cm. Registre además la presión barométrica y la temperatura del agua de la pera (previa agitación). No mueva la pinza de la bureta de los gases. B) PROCESO ISOCORO: Con el balón completamente seco arme el equipo.
Antes de ajustar el tapón de la pera de nivel, vierta agua a esta, hasta el cuello y ajustar bien los tapones. En ningún momento el extremo del tubo capilar debe estar en contacto con el agua líquida. Luego vierta agua potable en el vaso, procurando que el balón quede sumergido hasta la altura del tapón. Agite el agua del vaso hasta que la temperatura del gas B, dentro del balón, permanezca constante. Ajuste los niveles de agua de la bureta de gases con el de la pera de nivel abriendo y cerrando la pinza del empalme de goma, pero manteniendo la posición vertical de la pinza en el empalme de la goma, hasta que ambos niveles sean iguales. Registre el volumen del gas A, con un error menor de 0.1ml, la temperatura del gas B y la presión barométrica. Coloque verticalmente una plancha aislante entre el mechero y la pera de nivel y encienda el mechero. Aquí es conveniente hacer notar que nuestro gas en consideración ahora es el aire que está por encima de la superficie de agua de la pera de nivel y el que ocupa el balón. Sea V B el volumen que ocupa el gas B; que lo mediremos al final de la experiencia ayudándonos con la probeta enrasándola con el agua, por lo que debemos marcar con un lápiz el extremo inferior de los tapones.
Como el gas en el tubo capilar experimenta un enfriamiento, el contenido es despreciable. Seguidamente, caliente el agua del vaso hasta que la temperatura del gas B, se haya incrementado unos 10°C. Retire el mechero y agite el agua del vaso, hasta que la temperatura del gas B se estabilice. Baje la bureta de gases con el objeto de enrasar los niveles de agua contenida en el, con la pera de nivel. Lea a la vez, el volumen del gas A y la temperatura del gas B. repita esta operación cada 10°C aproximadamente, hasta que el agua del vaso llegue a su temperatura de ebullición. Al final mida el volumen muerto de la bureta de gases (sector no graduado). Haga lo mismo para medir el volumen
del
gas
B,
considerando
el
termómetro
dentro
de
él.
CUESTIONARIO 1. Convierta las presiones manométricas de columna de agua a columna de mercurio (Torr).
El volumen muerto es 5.9ml. Nos encontramos con la siguiente situación: Se sabe que:
( ) La diferencia de niveles la hemos medido:
Diferencia de Alturas
Presión Manonétrica ( torr)
60 cm 40 cm 20 cm 0 cm
39.804 25.089 10.374 -4.341
Cuando se mide hacia abajo utilizamos una ecuación diferente:
( ) ( )
Diferencia de Alturas(cm)
Presión Manonétrica ( torr)
-20 cm -40 cm -60 cm
-10.374 -25.089 -39.804
2. Exprese las presiones en presiones absolutas (Torr).
A las presiones manométricas anteriormente halladas la sumamos cada una con 752.95 Torr. Cuando la pera de nivel se encuentra encima del punto inicial.
Diferencia de Alturas
Presión Absoluta( torr)
60 cm 40 cm 20 cm 0 cm
792.754 778.039 763.324 748.609
Cuando la pera de nivel se encuentra por debajo del punto inicial.
Diferencia de Alturas(cm)
Presión Absoluta( torr)
-20 cm -40 cm -60 cm
742.576 727.861 713.146
3. Exprese las presiones del gas seco (Torr), calculada, restando de la anterior la presión de vapor de agua. Indicar la fuente de información.
El agua en el laboratorio se encontraba a 21 , su valor es 18.663 Torr.
Presión Absoluta( torr)
Presión gas seco (torr)
792.751 778.039
774.088 759.376
763.324 748.609
744.661 729.946
Presión Absoluta( torr)
Presión gas seco (torr)
742.576 727.861 713.146
723.913 709.198 694.483
4. Exprese el volumen del gas seco que es igual a la del gas húmedo.
Cuando la pera de nivel se encuentra encima del punto inicial.
Presión Absoluta( torr)
Volumen (mL)
792.751 778.039 763.324 748.609
30.6 31 31.5 31.9
Cuando la pera de nivel se encuentra por debajo del punto inicial.
Presión Absoluta( torr)
Volumen ( mL)
742.576 727.861 713.146
32.8 33.7 34.5
5. Calcule los valores del producto PV para el gas seco y las desviaciones porcentuales respecto a la media.
Presión (atm)
Volumen (mL)
1.043 1.023 1.004 0.9850 0.9771
30.6 31 31.5 31.9 32.8
( ) 31.9158 31.7130 31.6260 31.4215 32.0489
2
0.9577 0.9383
33.7 34.5
32.2745 32.3714
P VS V 35 34 33 32 P VS V
31 30 29 28 1.043
1.023
1.004
0.985
0.9771
0.9577
0.9383
( )
Desviación Porcentual (%)
31.9158
-0.017% -0.618% -0.890% -1.531% -0.435% -1.142% -1.445%
31.7130 31.6260 31.4215 32.0489 32.2745
32.3714
10. Haga un comentario acerca del comportamiento del gas utilizado para esta experiencia.
Al realizar este experimento, se puede concluir que el aire puede ser considerado como un gas ideal. Podría decirse que cumple la ley de Boyle (aproximadamente), su curva P vs V es bastante parecida a la obtenida para los gases ideales, y además su Z (factor de compresibilidad) oscila en valores alrededor de uno.
CUESTIONARIO 7. Explique cómo se alteraría el valor del cero absoluto si la temperatura del agua de la bureta de gases aumentara gradualmente.
Básicamente hay dos factores que generan ello o se puede explicar de dos formas: 1. En el proceso Isócoro (v cte.) de acuerdo a la teoría de Gay-Lussac, tenemos: Para gases ideales: P.V=R.T.n Dado que V es constante, además de R: Cte = P / T . n Como el sistema es cerrado, el número de moles se mantendrá constante, al no poder intercambiarse masa con el exterior, por tanto: Cte = P / T En dos momentos distintos, 1 y 2, será: Cte = P 1 / T1 = P2 / T2 Con ello vemos que conforme aumenta la temperatura (T) y el calor que la provoca se propaga por el sistema, aumentará la presión (P), de esta forma, la presión del gas (en el tubo neumático) será ejercida sobre el líquido, a su vez el nivel del agua en el tubo neumático disminuirá.
Vapor de agua
Q
PE1 PE2
T2 >T1
PEn: Punto de Equilibrio en el momento n 2. Otro factor determinante para disminuir el nivel del agua, es el aumento del volumen del gas en la parte superior del tubo neumático. Dado que el calor se propaga y aumenta la temperatura en todo el sistema, el líquido del tubo se va evaporando progresivamente, con ello aumenta el vapor y disminuye el fluido, en otras palabras disminuye el nivel del agua.
Q
Vapor de agua
PE1 PE2 T2 >T1
Experimentalmente esto se demuestra con los datos obtenidos en el proceso:
Temperatura (°C)
Altura o volumen
28°C
20,2 mL
38°C
20,1 mL
48°C
20,0 mL
58°C
19,8 mL
68°C
19,75 mL
78°C
19,6 mL
88°C
19,4 mL
20.3 20.2 20.1 n 20 e m u19.9 l o v 19.8 o a r 19.7 u t l A19.6
19.5 19.4 19.3 0
20
40
60
80
100
Temperatura (°C)
De esta forma se demuestra que el punto de equilibrio (cero absoluto) varía conforme varía la temperatura. En este caso si aumenta la temperatura, la altura o volumen será cada vez, debido a que se evaporará cada vez más agua, con ello el vapor de agua aumentará en la parte superior del tubo neumático, disminuyendo a su vez la altura de la misma o alterando el cero absoluto.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En el proceso isocoro la presión del gas varía conjuntamente con la temperatura, cuando la temperatura aumentaba cada 10ºc la presi ón iba aumentando. A temperatura ambiente (300k ) el aire es un gas húmedo, es decir es una mezcla con vapor de agua, por lo cual debemos trabajar con presión de v apor del agua. Para el aire húmedo se necesita modificar la ley de los gases ideales teniendo en cuenta la humedad específica y la proporción de mezcla del vapor de agua. En el proceso isotérmico observamos que el volumen del gas aumenta cuando ejercemos menos presión (bajamos la pera ) y disminuye cuando levantamos la pera, ósea presentan relación de proporcionalidad inversa. La ecuación de estado para un gas ideal, prescinde de la variable “z” ya que esta para un gas ideal, vale uno. Y para un gas real, ya que esta variable tiene que ser diferente de uno, así que la formula queda de esta forma: p.V = z.n.R.T. Para la mayoría de las situaciones se puede asumir que el aire se comporta como un gas ideal y por tanto obedece la ley de los gases ideales. Acercar lo más posible la bureta con la pera para que las mediciones de altura sean más exactas. Si fuera posible tratar de repetir el experimento para minimizar el margen de error. Asegurar bien el tapón de la bureta para que no pueda existir alteraciones en los resultados de las mediciones de presión. En el proceso isócoro, al calentar el vaso de pre cipitado con el balón de 125ml adentro, es necesario separar esta parte de la bureta con un material aislante para no calentar la bureta y el líquido vertido en ella y el calor no altere nuestros resultados del volumen del gas A, nosotros hicimos uso de un trozo de tecknopor. Traer fósforos para este laboratorio.
