Presin de vapor

UNMSM FACULTAD QUIMICA E ING. QUIMICAPresin de vapor

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICAE.A.P. DE QUIMICA E INGENIERIA QUIMICAE.A.P. DE QUIMICA

LABORATORIO N 4 PRESION DE VAPOR

Grupo: DTurno: 13.00 17:00 hrs. Fecha:REALIZACION: LUNES, 21 de ABRIL de 2015

ENTREGA: LUNES, 27 de ABRIL de 2015

PracticaN 3 : Presin de Vapor

IntegrantesAllcca Chullca Miguel

Profesor Quim. Claudia Berzoy

Ciudad Universitaria2015

TABLA DE CONTENIDO1. RESUMEN2

2. INTRODUCCION3

3. PRINCIPIOS TEORICOS4

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL9

5. TABULACION DE DATOS10

6. EJEMPLOS DE CALCULOS16

7. ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS20

8. CONCLUSIONES20

9. RECOMENDACIONES21

10. BIBLIOGRAFIA21

11. APENDICE22

1. Resumen

Un cuerpo necesita absorber o desprender una cantidad de energa determinada para pasar de un estado fsico a otro. Al calor necesario para pasar del estado lquido al gaseoso se le denomina calor latente de vaporizacin.

Ahora si tenemos en cuenta la termodinmica clsica, parece lgico pensar que cuanto menor sea la presin a la que se le est sometiendo al lquido, ms fcil le ser a ste cambiar a estado gaseoso. Esto puede sustentarse en que los cuerpos aborrecen el vaco y de manera natural tienden a repartirse en l. As pues, el objetivo principal de nuestra prctica sern el estudio de la variacin de la presin con la temperatura en el equilibrio de agua hirviendo y vapor; las condiciones ambientales en dicha prctica fueron las siguientes: presin atmosfrica de 756mmHg, temperatura de 23C y un porcentaje de humedad de 92%. Adems, determinaremos el calor de vaporizacin del agua a partir de la medida de su presin de vapor a distintas temperaturas, concretamente entre 80 y 100 C, y se compararn los resultados obtenidos con los valores tericos.Utilizamos la ecuacin de Clausius Clapeyron para expresar matemticamente la variacin de la presin del vapor con la temperatura, y as mismo se graficaron nuestros datos y obtuvimos un porcentaje de error de 4% con respecto al calor molar de vaporizacin en la primera experiencia y de 5% en la segunda.

2. Introduccin

El experimento realizado tiene como objetivo determinar la presin de vapor de los lquidos mediante el mtodo esttico, a temperaturas mayores que la ambiental y con ellas calcular el calor molar de vaporizacin.Esta informacin es muy importante para la industria ya que encuentra su aplicacin en diversos procesos uno de los cuales es la caldera; que desde pequeas instalaciones locales para la produccin de vapor para coccin de alimentos, planchado en serie de ropa, tratamientos spticos de instrumentales y labores similares, con vapor de relativa baja temperatura y presin, hasta enormes instalaciones industriales, utilizadas para la alimentacin de turbinas de generacin de electricidad, y otros procesos industriales donde se requiere vapor en grandes cantidades, a altsimas temperaturas y presiones. Un ejemplo muy comn de una caldera es la olla a presin.En esencia una caldera es un recipiente cerrado, lleno parcialmente de agua a la que se le aplica calor procedente de alguna fuente, para hacerla hervir y producir vapores. Como estos vapores estn confinados a un espacio cerrado, se incrementar la presin interior y con ello la temperatura de ebullicin del agua, pudindose alcanzar finalmente muy elevados valores de presin y temperatura. Estos vapores se concentran en la parte superior del recipiente inicialmente vaco, conocido como domo, de donde se extrae va conductos para ser utilizado en el proceso en cuestin.

3. Marco Terico

Presin de Vapor:Las molculas en los lquidos no se encuentran en las posiciones rgidas de una red. Aun cuando carecen de la libertad total de las molculas gaseosas, ellas estn en constante movimiento. Debido a que los lquidos son ms densos que los gases, el promedio de colisiones entre las molculas es mucho mayor en la fase liquida que en la fase gaseosa. A cualquier temperatura dada, cierto nmero de molculas en un lquido tiene la suficiente energa cintica para escapar desde la superficie. A este proceso se llama evaporacin o vaporizacin.Cuando un lquido se evapora en un espacio de dimensiones limitadas, pronto las molculas del vapor se encuentran en todos los sitios del espacio libre. Pero, desde que la vaporizacin prosigue, aumentar el nmero de molculas en estado gaseoso, lo cual originar un aumento creciente en el vapor o sea mejor dicho en la presin ejercida por el vapor.A cada temperatura se alcanzar evidentemente una condicin de equilibrio cuando el nmero de molculas que abandonan el lquido para pasar al espacio sobre l es igual al nmero de las que vuelven en un tiempo dado. El espacio sobre el lquido estar saturado con el vapor y la presin ejercida ser la presin de vapor ser la presin del lquido a la temperatura dada.Se puede decir que esta presin debe ser independiente de la cantidad de lquido o del espacio ocupado por el vapor el nmero de molculas que abandonan el lquido a una temperatura dada ser proporcional al rea de la superficie proporcional a esta rea y a la presin de vapor, por lo tanto el equilibrio entre lquido y su vapor depende nicamente de la temperatura.Sabemos que en los lquidos y en los gases existen molculas energetizadas tan fuertemente que se mueven a velocidades bastante altas, cuando una de estas molculas llega a la superficie de un lquido (con la tendencia a alejarse del cuerpo principal del lquido), la molcula posee energa suficiente para deshacerse de las fuerzas que quieren retenerla en la superficie del lquido y como consecuencia se aleja de la superficie.Este fenmeno de desprendimiento de las molculas fuertemente energizadas tiene lugar en toda la superficie liquida. De aqu resulta que la materia de un lquido continuamente tiende a asumir el estado de gas o vapor, a esto llamamos evaporacin.Un lquido al evaporarse origina muchas molculas en estado gaseoso, esto produce un incremento en la presin, ejercida por el vapor. De aqu de deducimos que al aumentar la temperatura (el lquido empezara a evaporarse) la presin tambin es mayor, por lo tanto son directamente proporcionales.Pero a qu se debe exactamente la presin de vapor, se da por el choque continuo entre molculas contra la superficie de las paredes que limitan al vapor es as que cuando impactan contra la superficie del lquido estarn bajo la influencia de las fuerzas atractivas de numerosas molculas liquidas que la detendrn y la integraran nuevamente al lquido, este fenmeno se conoce como condensacin.

Punto de Ebullicin:Se define punto de ebullicin de un lquido como la temperatura a la cual la presin del vapor es igual a la presin externa. Cuando se aplica calor a un lquido, su presin de vapor aumenta hasta hacerse igual a la presin atmosfrica. El punto de ebullicin vara con la presin externa que existe por encima de la superficie del lquido. Al descender la presin, el punto de ebullicin disminuye; un aumento en la presin aumenta el punto de ebullicin.

Variacin de la Presin de Vapor con la Temperatura:La presin de vapor de un lquido puro es la presin a la cual el lquido est en equilibrio con su vapor. Este equilibrio es dinmico; as, el nmero de molculas de lquido que se evaporan es igual al nmero de molculas de vapor que se condensan.La presin de vapor aumenta cuando aumenta la temperatura hasta llegar a la temperatura crtica (Tcrit), temperatura a partir de la cual no existe lquido y slo existe la fase vapor. El punto de ebullicin normal de un lquido (Teb) es la temperatura a la cual el lquido tiene una presin de vapor igual a la presin atmosfrica.La ecuacin de Clapeyron relaciona la presin de vapor con la temperatura: (1)en donde representa el volumen molar del vapor y el volumen molar del lquido. Asimismo, y representan las entropas molares del vapor y el lquido, respectivamente. Debido a que el proceso de vaporizacin es reversible, podemos escribir para el cambio de entropa . (2)Donde es el calor molar de vaporizacin; por lo tanto: (3)Esta ecuacin (ecuacin de Clapleyron), es completamente general. En el caso particular de una transicin lquido-vapor en la que >> y, suponiendo que el vapor se comporta aproximadamente como un gas ideal:

Por lo que la ecuacin de Clapleyron, en este caso, se convierte en: (4)que es la ecuacin de Clausius-Clapeyron, que nos da la variacin de la presin de vapor con la temperatura.Reordenando se obtiene: (5)Y haciendo la aproximacin de que Hv es independiente de la temperatura, la ecuacin anterior se puede integrar, resultando: (6)donde P es la presin de vapor del lquido problema. Al representar grficamente frente a 1/T se debe obtener una lnea recta cuya pendiente es igual a:

Con lo que a partir de medidas de presin de vapor de un lquido a diferentes temperaturas se puede determinar su entalpa de vaporizacin.

Calor Latente de Vaporizacion:Para pasar de la fase lquida a la fase de vapor se necesita una absorcin de energa por parte de las molculas lquidas, ya que la energa total de stas es menor que la de las molculas gaseosas. En el caso contrario, en la condensacin, se produce un desprendimiento energtico en forma de calor. El calor absorbido por un lquido para pasar a vapor sin variar su temperatura se denomina calor de vaporizacin. Se suele denominar calor latente de vaporizacin cuando nos referimos a un mol. El calor molar de vaporizacin se podra referir a un proceso termodinmico a volumen constante o a presin constante, y los designaremos por (Hv)v y (Hv)p. En el primer proceso, el intercambio calrico que entra en juego se invierte en vencer la fuerza de atraccin del lquido y se suele denominar calor latente interno de vaporizacin molar. En el proceso a presin constante, que se realiza en la prctica frente a una presin exterior, prcticamente, invariable hay que agregar a la energa interna la necesaria para verificar el cambio de volumen, y viene dado por P(VV-VL) siendo P la presin del vapor y VV y VL, los volmenes molares del vapor y del lquido, respectivamente. As pues, el calor molar de vaporizacin a presin constante vendr dado por: (1)Como >> podemos considerar VL = 0 y (Hv)p = (Hv)v + PVV, pero como PVV = RT y considerando que se cumple la ley de los gases perfectos, nos queda: (2)Hasta ahora hemos considerado una nica presin sobre el lquido, la del vapor, pero si el lquido est sometido a una presin externa adicional la presin de vapor variar.

Entalpia:La mayora de los procesos fsicos y qumicos tienen lugar a presin constante y no a volumen constante. Esto es cierto, por ejemplo en el proceso de vaporizacin, la energa interna E se puede usar efectivamente en procesos a volumen constante, encontraremos muy conveniente en los cambios a presin constante emplear otra funcin termodinmica. Al igual que la energa interna no podemos establecer el valor absoluto de la entalpa para un cierto sistema aunque al igual que con E, es la magnitud delta, la diferencia de valores D H, la que es importante al igual que la energa interna, la entalpa de un sistema depende exclusivamente de su estado y no de su historia anterior.

Equilibrio Liquido-Vapor y Solido-Vapor:En estos dos casos el V molar del gas es mucho mayor que el del lquido o que el del slido por lo que puede hacerse la aproximacin:

Si adems se hace la suposicin de que el gas se comporta como gas ideal, la ecuacin de Clapeyron se transforma en:

Esta ecuacin se suele expresar como:

Llamada ecuacion de Clausius Clapeyron.Si el rango de temperatura analizado es pequeo, se puede suponer que H es constante a lo largo de la lnea de equilibrio, y por tanto:

Luego la ecuacion de Clausius integrada es:

4. Procedimiento Experimental

Mtodo Esttico

En primer lugar instalamos el equipo, revisamos y verificamos el equipo instalado.Luego llenamos el matraz con agua destilada 1/3 de su volumen total, manteniendo la llave abierta al ambiente y calentamos el agua hasta el punto de ebullicin (la temperatura no debe exceder de 100C).A partir de 99Canotamos las temperaturas y presiones manomtricas hasta llegar a 80C. Tomamos las lecturas con intervalos de 1C.

5. Tabulacin de datos y resultados experimentales

Tabla #1: Condiciones del laboratorio

PresinTemperaturaHumedad

756 mmHg23 C92 %

Tabla #2: Datos Experimentales

2.1 Primera experiencia.

T CT KT-1PatmPmanPvapor de aguaLn P

100373.150.002679975607566.6280417,398.04

99372.150.0026871756207366.60123012,589.97

98371.150.0026943756537036.5553579,080.31

97370.150.0027016756766806.5220939,342.17

96369.150.0027089756996576.4876848,772.32

95368.150.00271637561206366.4551998,145.77

94367.150.00272377561396176.42486911,952.52

93366.150.00273117561665906.3801239,628.12

92365.150.00273867561875696.3438808,493.20

91364.150.00274617562055516.3117358,234.72

90363.150.00275377562225346.2803968,960.42

89362.150.00276137562405166.24610711,323.33

88361.150.00276897562624946.20253610,136.42

87360.150.00277667562814756.1633158,247.15

86359.150.00278447562964606.13122611,361.29

85358.150.00279217563164406.0867758,218.48

84357.150.00279997563304266.0544397,221.76

83356.150.00280787563424146.02586610,538.15

82355.150.00281577563593975.9839369,625.75

81354.150.00282377563743825.9454219,955.01

80353.150.00283177563893675.90536211,014.94

2.2 Segunda experiencia:

T CT KT-1PatmPmanPvapor de aguaLn P

100373.150.002679975607566.6280417,023.39

99372.150.0026871756197376.60258812,572.49

98371.150.0026943756527046.5567789,468.34

97370.150.0027016756766806.5220937,694.18

96369.150.0027089756956616.4937549,140.63

95368.150.00271637561176396.4599048,106.94

94367.150.00272377561366206.42971910,993.99

93366.150.00273117561615956.38856111,870.00

92365.150.00273867561875696.3438808,973.15

91364.150.00274617562065506.3099186,285.34

90363.150.00275377562195376.2859989,413.49

89362.150.00276137562385186.24997511,278.64

88361.150.00276897562604966.2065769,553.49

87360.150.00277667562784786.1696119,865.30

86359.150.00278447562964606.13122610,202.16

85358.150.00279217563144426.0913108,180.69

84357.150.00279997563284286.0591237,187.53

83356.150.00280787563404166.03068510,486.41

82355.150.00281577563573995.98896110,881.62

81354.150.00282377563743825.9454217,261.11

80353.150.00283177563853715.91620211,590.58

Tabla #3: Datos Tericos

T CT KT-1Pvapor de aguaLn P

100373.150.00267997606.6333189,890.82

99372.150.0026871733.246.5974739,896.87

98371.150.0026943707.276.5614129,903.64

97370.150.0027016682.076.5251329,911.31

96369.150.0027089657.626.4886279,920.14

95368.150.0027163633.96.4518919,925.99

94367.150.0027237610.96.4149339,933.11

93366.150.0027311588.66.3777479,937.10

92365.150.0027386566.996.3403429,942.52

91364.150.0027461546.056.3027119,949.71

90363.150.0027537525.766.2648459,959.05

89362.150.0027613506.16.2267349,944.29

88361.150.0027689487.16.1884699,951.84

87360.150.0027766468.76.1499639,950.90

86359.150.0027844450.96.1112469,987.57

85358.150.0027921433.626.07216910,055.24

84357.150.0027999416.86.03260610,019.56

83356.150.0028078400.65.99296310,048.10

82355.150.0028157384.95.95298410,069.61

81354.150.0028237369.75.91269210,006.08

80353.150.0028317355.115.87242810,018.98

Promedio9962.97

Constante universal (R)1.987 cal/Kmol

Tabla #4: Clculos y resultados

4.1 Determinacin de los promedios

Promedio de

Promedio de

9,535.23

9,429.97

4.2 Grficos (en el apndice) de la primera experiencia 4.2.1 Grafico en Excel

Del grafico en Excel obtenemos la ecuacin:

y = -4767.6x + 19.405

Determinacin de segn el grafico en Excel:

Tenemos:

Donde:m es la pendienteR es la constante universal

Usamos los siguientes datos:

Reemplazando:

9,473.22

4.3 Grficos de la segunda experiencia4.3.1 Grafico en Excel

Del grafico en Excel obtenemos la ecuacin:

y = -4739.4x + 19.331

Determinacin de segn el grafico en Excel:

Tenemos:

Donde:m es la pendienteR es la constante universal

Usamos los siguientes datos:

Reemplazando:

Tabla #5: Errores porcentuales5.1 Primera ExperienciaExperimentalTericoError Porcentual

Promedio9,535.23

9962.974.29 %

Grafico Excel9,473.229962.974.92 %

Grafico a mano9962.97

5.2 Segunda ExperienciaExperimentalTericoError Porcentual

Promedio9,429.97

9962.975.35 %

Grafico Excel 9962.975.48 %

Grafico a mano9962.97

6. Clculos

1 Con los datos de presin de vapor y temperatura, construya una grafica de 1/t vs Log P.

Experiencia #1:

Experiencia #2:

2 Calcule el calor molar de vaporizacin de la muestra, empleando la Ec. de Clausius-Claperyon y los datos de la grafica.

Primera Ecuacin de Clausius-Clapeyron:

Integrando se tiene:

Segunda ecuacin de Clausius-Clapeyron:

Con lo cual tenemos: (1)

Usamos la ecuacin (1) para hallar el de la experiencia 1 con los datos del grafico:

7,398.04

As sucesivamente con los datos del grafico, luego obtenemos el :

= 9,535.23

Usamos la ecuacin (1) para hallar el de la experiencia 2 con los datos del grafico:

7,023.39

As sucesivamente con los datos del grafico, luego obtenemos el :

= 9,429.97

3 Establezca una expresin matemtica de variacin de la presin de vapor con la temperatura.Compararemos la Ec. de Clausius-Claperyon con una ecuacin lineal:

Donde:

Ahora reemplazando datos para la experiencia 1:

Usamos el primer dato de la grafica:

- 0.5126

Sucesivamente calculamos con los dems datos del grafico para hallar el : - 0.4704Con lo cual obtenemos la expresin matemtica:

A continuacin hacemos lo mismo para la experiencia 2:

Usamos el primer dato de la grafica:

- 0.51261

Sucesivamente calculamos con los dems datos del grafico para hallar el : 0.47068Con lo cual obtenemos la expresin matemtica:

7. Anlisis y discusin de resultadosEn este laboratorio se obtuvo un error del 4% con respecto al calor molar de vaporizacin para la experiencia 1 y del 5% para la experiencia 2. Esto se debe a los siguientes factores: Para este laboratorio el error con el que posiblemente nos hayamos topado sera que al momento de medir las distancias estas no hayan sido precisas ya que conforme vaya bajando la temperatura se debe de inmediatamente apuntar la medida en la que se encuentra. Otro error es que posiblemente no se haya equilibrado rigurosamente antes de comenzar a dictar las alturas ya que ambas columnas deben de comenzar en el mismo punto. Es as que para mejores resultados se debe de tener ms precisin en todas las mediciones que se haga ya que cada una es importante para cada paso que a continuacin se haga. De no ser as se podra llegar a un porcentaje de error muy grande el cual ya no sera aceptable.

8. ConclusionesEl objetivo principal de esta prctica ha consistido en estudiar la variacin de la temperatura de ebullicin del agua con la presin a la cual se est sometiendo el lquido. Inicialmente hemos calentado el agua hasta que se ha puesto a hervir. Para que se pusiera a hervir hemos necesitado que el dispositivo alcanzara la temperatura de 100 C. A continuacin hemos abierto una llave para que entrara cierta cantidad de vapor y aumentar de este modo la presin manomtrica. Luego de hacer los clculos se puede comprobar que conforme iba disminuyendo la temperatura a la cual se somete el lquido, ms aumentaba presin manomtrica pero disminua la presin del vapor. La temperatura que debe alcanzar el lquido y la presin del sistema guardan entre s una relacin que se puede linealizar para comprobar la proporcionalidad.

9. Recomendaciones Tenemos que tener en cuenta que al momento de marcar las alturas en el papel milimetrado al variar el manmetro debemos hacerlo de la manera ms rpida posible ya que la temperatura sigue bajando. Con respecto al termmetro debemos considerar que no puede estar calibrado por lo tanto no podemos guiarnos de que el punto de ebullicin se alcanzara a los 100 C por lo que debemos examinar el agua y percatarnos exactamente cuando comienza a evaporarse. Adems al momento de retirar el papel milimetrado y comenzar a medir las diferencias de alturas debemos hacerlo con una regla milimetrada ya que el papel podra no estar calibrado. Por ltimo para disminuir nuestro rango de error debemos repetir la experiencia varias veces.

10. Bibliografa

Chang, Raymond. Qumica 6ta edicin, pp. 204-213

CASTELLAN, Gilbert W. Fisicoqumica, segunda edicin. Mxico: Fondo Educativo Interamericano S.A., 1974. Pg. 785.

DILLARD, Clyde y GOLDBERG, David. Qumica: reacciones, estructuras, propiedades. Mxico: Fondo Educativo InteramericanoS.A., 1977. Pg. 414-415.

http://academic.uprm.edu/ccsde/QuimicaFisica/Presion%20de%20vapor%20de%20un%20liquido%20puro.pdf

http://slbn.files.wordpress.com/2008/09/tabla_presion-de-vapor.pdf

http://mural.uv.es/ferhue/2o/labter/Curva_equilibrio_liquido-vapor_FHG.pdf

B. GrficosExperiencia #1:Grafico 4.2.1:

El promedio es la lnea secante a la grafica que contiene los diferentes valores experimentales del calor de vaporizacin.

Experiencia #2:Grafico 4.3.1:

El promedio es la lnea secante a la grafica que contiene los diferentes valores experimentales del calor de vaporizacin.

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