martes, 22 de enero de 2013

Práctica No. 1 Equilibrio Entre Fases de Una Substancia Pura



 
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
 
 
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BASICAS
 
LABORATORIO DE teRMODINAMICA QUIMICA I
 
Practica 1
 
eQUILIBRIO ENTRE FASES PARA UNA SUSTANCIA PURA
 
nombre de la PROFesora:
ITZEL GUTIERREZ
 
 
Integrantes del equipo:
MORALES BLAS EDWIN WILLIAMS
 
 
GRUPO:
  
INDICE  
 
INDICE                                                                                      2
OBJETIVO S                                                                              3
CONSIDERACIONES TEORICAS                                              4
-         Conceptos
-         Definición
-         Relación entre la presión de vapor y la temperatura
-         Curva de presión de vapor
-         Representación matemática de la curva de presión de  vapor
-         Usos                                       
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA                                                6  
-         Procedimiento                                                                 
-         Tablas de resultados
CALCULOS                                                                                 7       
-         Grafica de datos experimentales y bibliográficos (
-         Grafica de datos experimentales ( )
-         Ajuste de datos experimentales
-         Calor latente de vaporización
CONCLUSION                                                                            
 
 
  I.      OBJETIVO GENERAL  
 
 
1.- Medir la presión de vapor de un líquido a diferentes temperaturas o medir la temperatura de ebullición de un líquido a diferentes presiones.
 
2.- Observar que los datos experimentales se ajustan a la ecuación de Clasius-Clapeyron
 
3.- Usando la ecuación de Clapeyron, determinar el calor latente de vaporización de la sustancia estudiada y compararlo con el valor bibliográfico
 
4.- Comparar en forma grafica los datos experimentales con los bibliográficos.
 
II.      CONSIDERACIONES TEORICAS
 
1.  CONCEPTOS
Todos sabemos que cuando dejamos un líquido en un recipiente destapado, después de un cierto tiempo, el líquido evapora.
Evaporación: La evaporación es el proceso físico por el cual una sustancia en estado líquido pasa al estado gaseoso, tras haber adquirido energía suficiente para vencer la tensión superficial. A diferencia de la ebullición, este proceso se produce a cualquier temperatura, siendo más rápido cuanto más elevada aquélla. Es necesario que toda la masa alcance el punto de ebullición.
Hay líquidos cuya evaporación a condiciones ambiente es instantánea como el oxigeno, nitrógeno, cloro, gas domestico y muchos otros que para conservarse líquidos se encuentran embotellados en cilindros metálicos a presión.
Otros líquidos tienen tiempos de evaporación variable como el agua, acetona, benceno, etc.
Finalmente hay otros líquidos cuyos tiempos de evaporación son muy grandes: como son los aceites.
Para que un liquido no se evapore, el recipiente que lo contiene debe estar herméticamente cerrado, en tal caso el llamado “espacio libre” del recipiente esta lleno de vapor del mismo liquido (y otros gases si el recipiente no fue evacuado previamente) que ejercen una presión sobre el y sobre las paredes del recipiente.
2.  DEFINICIÓN
La presión que ejercen los valores de un recipiente varia en forma proporcional a la temperatura y se llama su PRESION DE VAPOR.
También llamado presión de saturación es la presión, para una temperatura dada, en la que la fase líquida y el vapor se encuentran en equilibrio dinámico; su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas. Este fenómeno también lo presentan los sólidos; cuando un sólido pasa al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido (proceso denominado sublimación o el proceso inverso llamado deposicitación o sublimación inversa) también se produce una presión de vapor. En la situación de equilibrio, las fases reciben la denominación de líquido saturado y vapor saturado. Esta propiedad posee una relación inversamente 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 otra manifestación) para vencerlas y producir el cambio de estado.
Imaginemos una ampolla de cristal en la que se ha realizado el vacío y que se mantiene a una temperatura constante; si introducimos una cierta cantidad de líquido en su interior éste se evaporará rápidamente al principio hasta que se alcance el equilibrio entre ambas fases.
 
 
3.  RELACIÓN ENTRE LA PRESIÓN DE VAPOR Y LA TEMPERATURA
A una misma temperatura, líquidos diferentes tienen presiones de vapor diferentes. Los líquidos con presiones de vapor grandes tienden a evaporarse más rápidamente y se dice que son líquidos muy volátiles o ligeros. Los líquidos con presiones de vapor pequeñas se evaporan lentamente y por lo tanto son líquidos poco volátiles o pesados.
Como la presión de vapor de un líquido aumenta con la temperatura a una presión fija dada los líquidos muy volátiles tienen temperaturas de ebullición altas.
Un líquido hierve cuando su presión de  vapor iguala a la presión externa.
4.  CURVA DE PRESIÓN DE VAPOR
Cuando se mide la presión de vapor de un liquido ( ) a diferentes temperaturas ( t o T ) o dicho de otra forma equivalente, cuando se mide la temperatura de ebullición de un liquido  a diferentes presiones: al graficar los datos   versus t, la grafica resultante se llama curva de presión de vapor o curva de vaporización y es la curva que en el diagrama de fases de una sustancia pura corresponde a la línea  que divide la región en la que la sustancia existe como vapor.
La curva completa de presión de vapor de un líquido empieza en el punto triple y termina en el punto crítico.
5.  REPRESENTACIÓN MATEMÁTICA DE LA CURVA DE PRESIÓN DE VAPOR
Con objeto de facilitar el uso práctico de la curva de presión de vapor, se ha tratado de representarla por medio de ecuaciones matemáticas. La ecuación mas sencilla que se emplea para representar la curva de presión de vapor es la de Clausius-Clapeyron ( C.C ) seguida por la de Antoine, entre las mas complicadas pero mas exacta esta la de Wagner.
           Clausisus-Clapeyron
En termoquímica, la relación de Clausius-Clapeyron es una manera de caracterizar la transición de fase entre dos estados de la materia, como el líquido y el sólido. En un diagrama P-T (presión-temperatura), la línea que separa ambos estados se conoce como curva de coexistencia. La relación de Clausius-Clapeyron da la pendiente de dicha curva. Matemáticamente se puede expresar como:
donde es la pendiente de dicha curva, ΔH es el calor latente o entalpía del cambio de fase y ΔV es el volumen.      
            Antoine
La ecuación de Antoine sirve para calcular las presiones de vapor, la ecuación es Log P = A - (B/(T+C)), donde P, es la presión de vapor:; A,B y C son constantes especificas para cada gas, y T es la temperatura del sistema.
           Wagner
El modelo de Wagner es un modelo reológico, desarrollado para la predicción de las propiedades visco-elásticas de polímeros. Puede ser considerado como una forma práctica, simplificada del modelo de Bernstein-Kearsley-Zapas. El modelo fue desarrollado por el doctor en ingeniería química Manfred Wagner.
Para las condiciones isotérmicas, el modelo puede ser escrito como
Donde:
  • es el tensor de Estrés en función del tiempo t,
  • p es la presión
  • es un tensor unitario
  • M es la función de memoria, usualmente expresada como una suma de términos exponenciales 12) rgb(120, 1 modo de relajación, donde para cada modo de relajación, gi es el módulo de relajación y θi es el tiempo de relajación;
  • h(I1,I2) es el damping elongacional, función que depende del primer y segundo tensor invariante del Finger tensor .
La función de elongación es usualmente escrita como:
Para la función de endurecimiento elongacional igual a uno, la deformación e spequeña y tiende a cero, para deformaciones largas.
La ecuación de Wagner puede ser aplicada en casos no isotérmicos por medio de la corrección del factor desplazamiento de tiempo-temperatura.
 6.  USOS
El conocimiento de la curva de presión de vapor de los líquidos es muy útil en algunos casos:
a).- Para la determinación de la temperatura de ebullición de los mismos
b).- Para conocer los niveles de concentración de vapores de mezclas gaseosas explosivas
c).- Determinar los niveles permisibles de exposición a vapores venenosos o peligrosos
d).- Para la solución de problemas de equilibrio entre fases
e).- Para la determinación de calores latentes de vaporización.
f).-Para la determinación de la presión critica de los líquidos de estudio
g).-Determinar las coordenadas P-T donde cambian de fase la mezcla
h).-Para la determinación de los puntos de equilibrio de una mezcla entre líquido y vapor
i).-Para conocer el comportamiento de la mezcla cuando esta cambia de fase
j).-Para conocer el incremento de la presión al aumentar la temperatura y con esto determinar los puntos de ebullición  y fusión en dichas presiones.

III.      DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
El método que se utiliza para medir la presión de vapor del liquido es un método dinámico y el equipo es el que se muestra a continuación.
 
1.  PROCEDIMIENTO
a)      Ponga en el recipiente Del líquido de estudio.
 
 
b)      Cierre el sistema del exterior por medio de la válvula V1 de conexione al exterior y coloque el porta termómetro T.
  
c)       Encendida la bomba de vacío B observando por medio del manómetro diferencial M que la presión dentro del recipiente disminuye.
 
d)       Apague la bomba de vacío, cierre la válvula V2 y asegúrese que no haya fugas de vacío.
 
e)      Encienda la bomba de vacío, abra V2 y cuando se alcance una presión absoluta entre 20-25mm de Hg abra ligeramente V1 de tal manera que la presión se mantenga constante. 
 
 
f)       Encienda la parrilla de calentamiento y agitación magnética P, ajuste la velocidad de agitación y el calor de tal forma que el líquido hierva en forma suave.
 
g)      Observe continuamente la lectura del termómetro, cuide que el líquido se mantenga en ebullición lenta, cuando la temperatura alcance un valor constante, tome su lectura y simultáneamente la de la presión: éste es el primer par de datos.
 
h)      Abra ligeramente la válvula V1, observará que la presión aumenta y que el líquido deja de hervir; espere a que hierva nuevamente y que la temperatura se mantenga constante para tomar el segundo par de datos. Si fuera necesario de más calor. 
 
i)        Abra otro poco la válvula y proceda así sucesivamente, tome varios pares de datos hasta lograr la temperatura de ebullición del líquido a presión ambiente.
 
                     
2.  TABLAS DE RESULTADOS
EXPERIMENTO
TEMPERATURA
PRESION
 
Ln P
 
1/T
T (c)
T (k)
Manométrica
(∆H)mmHg
Absoluta (P)=Patm∆H
1
71
301.15
365
220
5.39
2.90 x10-3
2
74
347.15
335
250
5.52
2.88 x10-3
3
76
349.15
320
265
5.57
2.86 x10-3
4
78
351.15
300
275
5.65
2.89 x10-3
5
79
352.15
270
315
5.75
2.83 x10-3
6
80
353.15
257
328
5.79
2.83 x10-3
7
81
354.15
238
347
5.85
2.82 x10-3
8
82
355.15
220
365
5.89
2.81 x10-3
9
83
356.15
205
380
5.81
2.80 x10-3
10
84.5
357.15
185
400
5.99
2.79 x10-3
11
85
358.15
180
405
6.00
2.79 x10-3
 
IV.      CALCULOS
1. GRAFICA DE DATOS EXPERIMENTALES   DONDE SE OBTIENE LA CURVA DE PRESIÓN DE VAPOR EXPERIMENTAL.
 
Presión absoluta (mmHg)
Temperatura (ºC)
220
71
250
74
265
76
285
78
315
79
328
80
347
81
365
82
380
83
400
84.5
405
85
 
 
 
 
 
 
 
 
 
-          Grafica de datos bibliográficos
 
 
 
 
 
 
2.  GRAFICA CON DATOS EXPERIMENTALES DE PRESIÓN DE VAPOR Y TEMPERATURA EN LA FORMA:
  , observándose que los datos se alinean a una recta.
 
 
 
Ln Presión absoluta
1/Temperatura
5.39
0.0029
5.52
0.00288
5.57
0.00286
5.65
0.00284
5.75
0.00283
5.79
0.00283
5.85
0.00282
5.89
0.00281
5.94
0.0028
5.99
0.00279
6
0.00279
 
 
 
 
 
 
3.  AJUSTE DE LOS DATOS EXPERIMENTALES A LA ECUACIÓN DE UNA RECTA:
Mediante la aplicación de dos ecuaciones fundamentales que son ordenada al origen y pendiente podremos ajustar nuestras curvas de manera que nos queden en forma de una recta así mostrando a continuación el como es que nos ha quedado las graficas ajustadas
                     y=mx+b              
a)      Ordenada al origen (b)
b)      Pendiente (m)
c)      Por lo que la ecuación de la curva de vaporización es:
 
 
Y=lnP
X=1/t
m
b
5.39
0.00290571
-5177.10581
15.0430
5.52
0.0028806
-3030.18556
14.2487
5.57
0.0028641
-4904.1609
19.6160
5.65
0.00284779
-12365.7473
40.8650
5.75
0.0028397
-4974.4709
19.8760
5.79
0.00283166
-7504.08435
27.0390
5.85
0.00282366
-5031.0549
20.0559
5.89
0.00281571
-6324.33363
23.6974
5.94
0.00280781
-4245.90158
17.8616
5.99
0.00279603
17.8796922
5.9400
6.00
0.00279603
3.57870397
5.9899
 
 
Ecuación de Clausius - Clapeyron
Basándonos en la ecuación de la energía libre de Gibbs podémoslos llegar a obtener una ecuación con respecto a el calor de vaporización.
G = H – TS = E + PV – TS   (1)
 
Donde H = entalpía, S = entropía y E = energía interna. Nos referiremos a 1 mol de sustancia a no ser que se diga lo contrario, por lo que las respectivas magnitudes  serán las magnitudes molares o parciales molares según sea el caso.
Si diferenciamos la Ecuación (1) se tiene que:
 
dG = dE + PdV + VdP – TdS – SdT   (2)
 
 
Pero :        
 
dE + PdV = dQ – dW(n m)   (3)
 
 
Combinando (2) y (3) se tiene que:
 
dG = dQ – dW(n m) + VdP –TdS – SdT   (4)
 
 
Por otra parte se tiene que
 
 dQ = TdS – TdSi   (5)
 
Sustituyendo (5) en (4) tenemos que:
 
dG = VdP - SdT– dW(n m)  – TdSi   (6)
 
 
Que es la ecuación que buscamos, pues relaciona el diferencial de energía libre con los diferenciales de presión, temperatura, trabajo no mecánico y creación de entropía dSi.
Así en un proceso reversible TdSi = 0 que se realiza manteniendo la temperatura y la presión constantes dT = 0  y dP = 0 y en el cual no se realiza trabajo no mecánico se tiene que :
 
dG = 0   (7)
 
Que es la condición de equilibrio termodinámico.
Estudiemos ahora el sistema constituido por un líquido en equilibrio con su vapor (ej agua líquida en equilibrio con agua vapor.
Este sistema se puede representar como:
 
H2O(l) = H2O(v)
 
Si el sistema esta en equilibrio termodinámico a T y P constantes y no es posible realizar trabajo de tipo no mecánico, entonces rige la ecuación (7).
También puede expresarse la condición de equilibrio según :
 
G(l) = G(v)   (8)
 
Donde nos estamos refiriendo a un mol de sustancia.
Diferenciando se tiene que:
 
dG(l) = dG(v)   (9)
 
Y  teniendo en cuenta la ecuación (6) se puede escribir :
 
V(l)dP - S(l)dT = V(v)dP - S(v)dT (10)
 
Despejando se tiene que:
 
dP/dT =  (S(v) - S(l) )/ (V(v)  - V(l))   (11)
 
Teniendo en cuenta que:
 
 (S(v) - S(l)) = DH / T (12)
 
Se obtiene la ecuación:
  
   dP/dT = DH /T (V(v)  - V(l))   (13)
 
Si se supone que el volumen del líquido es despreciable frente al del vapor y que el vapor presenta comportamiento ideal, entonces se tiene que:
 
       dP/dT = DH /T V(v)   (14)
 
Y:
      dP/dT = PDH /RT2   (15)
 
O:
dP/dT P = DH /RT2   (16)
 
O:
dlnP/dT = DH /RT2   (17)
 
Esta ecuación se conoce como ecuación de Clausius-Clapeyron (C.C)
 
           
 
4.-Calor latente de vaporización
 
a)      Ecuación de Clapeyron:
 
b)      De donde se obtiene el calor latente:
 
 
c)      La derivada respecto a la temperatura de la ecuación de C.C
 
AGUA
 
d)      Haciendo las sustituciones algebraicas y numéricas pertinentes, se obtiene:
 
 
Comparación Calor Latente de Vaporización
 
Bibliografica                             Experimental
                   
                            
 
ΔH bibliografica
lnP
1/t
M
b
ΔH calculdada
%E
42319.5175
5.39
0.00290571
5177.10581
15.0430
43042.4577
1.98320402
42204.6314
5.52
0.0028806
3030.18556
14.2487
25192.9628
2.67525478
42129.392
5.57
0.0028641
-4904.1609
19.6160
40773.1937
2.03326201
42055.2073
5.65
0.00284779
12365.7473
40.8650
102808.823
1.40906224
42018.5036
5.75
0.0028397
-4974.4709
19.8760
41357.7511
2.01597651
41982.0553
5.79
0.00283166
7504.08435
27.0390
62388.9573
1.67290843
41945.8599
5.85
0.00282366
-5031.0549
20.0559
41828.1904
2.00281316
41909.9147
5.89
0.00281571
6324.33363
23.6974
52580.5098
1.79706178
41874.2172
5.94
0.00280781
4245.90158
17.8616
35300.4258
2.18622414
41821.1297
5.99
0.00279603
17.8796922
5.9400
148.651761
280.336255
 
CONCLUSION                                                                           
Con base en el desarrollo de la practica y con conocimientos previos acerca del tema de equilibrio entre fases  para una sustancia pura pudimos comprender de una mejor forma cómo es que se mantiene el equilibrio entre fases, es decir, para que exista un equilibrio entre fase depende directamente de dos propiedades que son la temperatura y la presión ya que estas son directamente proporcionales como ejemplo podría sr la ebullición puesto que para que se lleve a cabo la ebullición depende de la temperatura y la presión, si aumenta la presión también lo deberá hacer la temperatura ya que a nivel molecular cuando hay más presión las moléculas están más juntas y para ebullir requiere de mayor energía cinética y esta energía está dada por la temperatura por eso es que estas son proporcionales, así mismo si la presión disminuye requiere de menos temperatura y por consiguiente el  será menor para llegar a alcanzar el equilibrio liquido-vapor.
 

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