Difusión 2018 I Final
August 16, 2022 | Author: Anonymous | Category: N/A
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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE QUÍMICA E INGENIERÍA QUÍMICA
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE OPERACIONES UNITARIAS
LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA II DIFUSIÓN DE PENTANO
‘‘
”
PROFESORA: ING. GLORIA LUZ CONTRERAS PEREZ
INTEGRANTES: ESPINOZA CHOCÑA, DIEGO ALONSO LÓPEZ AMÉSQUITA, GUSTAVO QUINTANA TORRES, KAREN RIOS SOMOZA, RICHARD
FECHA DE LA PRÁCTICA: 26 de abril FECHA DE ENTREGA: 2 de mayo TURNO: 14-20 horas GRUPO: A A
2018 20 18
Laboratorio De Ingeniería Química II
Difusión de pentano
TABLA DE CONTENIDO ............................... .................................. .................................. ................................. .................................. .................................. ................... .. 3 1. RESUMEN ............... ................................. ................................. ................................. .................................. .................................. ...................... ..... 4 2. NOMENCLATURA ................ 3. INTRODUCCIÓN ................. ................................. ................................. ................................. ................................. .................................. ......................... ........ 5
4. PRINCIPIOS TEÓRICOS ............... ............................... ................................. ................................. ................................. ............................... .............. 6 5. DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL ............... ................................ .................................. .................................. ................................. ................ 9 6. DATOS EXPERIMENTALES ............... ................................ ................................. .................................. .................................. ...................... ...... 11 7. RESULTADOS ................ ................................. .................................. .................................. ................................. ................................. .......................... ......... 12 8. DISCUSIÓN DE RESULTADOS ............... ............................... ................................. .................................. .................................. ................. 14 ................................ ................................. ................................. ................................. .................................. ....................... ...... 14 9. CONCLUSIONES ................ 10. 11.
............................... ................................. ................................. ................................. ............................. ............ 15 RECOMENDACIONES ............... ............................... ................................. ................................. ................................. .................................. ....................... ...... 15 BIBLIOGRAFÍA ...............
12.
................................. .................................. ................................. ................................. .................................. ............................. ........... 16 APÉNDICE ...............
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Difusión de pentano
LISTA DE TABLAS Tabla 1.Datos experimentales experimentales de la difusión de pentano a 25 °C ....................... ............. ................... ................. ........ 11 Tabla 2.Datos experimentales de la difusión de pentano a 25 °C para la determinación de la difusividad de pentano en aire ............................................................................................. 12 Tabla 3.Datos para el de la concentración de pentano a 25°C ......... ................... ................... .............. ....... 13 Tabla 4.Constantes decalculo la ecuación para hallar presión de vapor de pentano a 25°C ......... ........... 13 Tabla 5.Determinacion de las propiedades para el cálculo de la difusividad del pentano a 25°C experimental ............................................................................................................... 13 Tabla 6.Determinacion de las propiedades para el cálculo de la difusividad del pentano a 25°C teórica (Fuente de información: Perry) ........................................................................ 13 Tabla 7.Determinacion del Porcentaje de error de la difusividad pentano (A) en aire GU(B) 14
LISTA DE FIGURAS Figura 1. Difusión de A en estado estacionario a través de B inmóvil. ......................... ................ .................. ........... 6 Figura 2. Evaporació Evaporación n con cuasi-estado estaciona estacionario rio de difusión ........ ............Error! Bookmark not defined. Figura 3.Diferencia de nivel y nivel de referencia .......... ................... ........... Error! Bookmark not defined. Figura 4.Equipo de difusión utilizado utilizado en la experiencia .................. ......... ................... ................... .................. .................. ............ ... 9 Figura 5.Escala de medición de desplazamiento ................................................................... 9 Figura 6.: Descripción de los componentes del equipo equipo de difusión .......... ................... .................. .................. ........... 10 Figura 7. Difusión del pentano pentano en aire a 25°C.................. ......... ................... ................... .................. ................... ................... .............. ..... 2 20 0 Figura 8 Gráfico t/(Z-Z0) versus (Z-Z0) para los los tres observadores ......... .................. .................. .................. ........... 20
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1. RESUMEN
En esta experiencia se determina el coeficiente de difusión del pentano(A) por evaporación desde su superficie líquida en aire(B), para ello se utiliza el equipo DIFFUSION OF A GAS APPARATUS ARMFIELD ARMFIELD trabajando a una temperatu temperatura ra de 25°C. Se procede a tomar una altura de referencia, Lo, para un tiempo cero, to, cada 30 min se registró datos de tiempo y altura del pentano, contenido en un tubo capilar del aparato, el cual se va difundiendo hacia una corriente de aire. Se utiliza el método de Winklemann para determinar la difusividad experimental, obteniendo un valor de 0.085 cm2 /s como el coeficiente de difusión y este se compara con el valor de difusividad, D AB teórico que se calcula a partir de la ecuación de Fuller-Schettler-Giddings, obteniéndose una desviación de 0.03%. Por lo anterior se puede concluir que la ecuación Fuller- Schettler-Giddings da una buena estimación del coeficiente de difusividad para el pentano a la temperatura trabajada.
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NOMENCLATURA
: Conc: entracionmolar totalen en ⁄ :: , : ⁄ : ⁄
,,::: = /² , = /³ , :: /
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2. INTRODUCCIÓN En general, el proceso de difusión es descrito por las llamadas Ecuaciones de Fick de la Difusión, pero en medios porosos, tales ecuaciones deben ser modificadas para incluir los efectos de la geometría del medio sobre el movimiento de las partículas que sse e difunden. Ahora bien, la d difusión ifusión como mecanismo de transporte de materia tiene una extensa presencia en la naturaleza y una amplísima gama de aplicaciones. Entre las aplicaciones biológicas y médicas tenemos la liberación en el estómago de un medicamento, la penetración de un fármaco en parches a través de la piel, la migración de fotones de luz láser a través de la piel, la absorción de iones de nutrientes por la membrana celular a través de proteínas específicas. específicas. En geofísica, la difusión se ha utilizado extensamente en estudios de erosión de retroceso de laderas, erosión de acantilados, degradación de escarpes de fallas, retirada de la costa, incisión de canales aluviales, retirada de plataformas costeras y progradaci progradación ón de deltas, entre otras. En el campo industrial, destaca el endurecimiento superficial del acero modificando la composición química de la superficie mediante la difusión de algún elemento químico como carbono. En las ciencias de los materiales, tenemos el dopaje de semiconductores mediante la difusión de electrones, para aumentar su conductividad eléctrica. Como se ha visto entonces, la difusión es un proceso físico de mucha importancia en los diversos sistemas físicos, químicos y biológicos.
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3. PRINCIPIOS TEÓRICOS 3.1. DIFUSIÓN Y DIFUSIVIDAD
La difusióna es el movimiento, bajo La la influencia defrecuente un estímulo físico, de un individual través de una mezcla. causa más de la difusión escomponente un gradiente de concentración del componente que se difunde. Un gradiente de concentración tiende a mover el componente en una dirección tal que iguale las concentraciones y anule el gradiente. La difusión puede ser originada por: Gradiente de concentració concentración, n, Gradiente de presión (difusión de presión), Gradiente de temperatura t emperatura (difusión térmica), Debida a un campo externo (difusión forzada).
La difusividad es una característica de un compuesto y de su entorno (temperatura, presión, concentración), ya sea en una solución líquida, gaseosa o sólida y la naturaleza de los otros componentes.
3.2. DIFUSIÓN A TRAVÉS DE UN GAS ESTANCADO La celda de difusión Arnold, que se utiliza a menudo para medir la difusividad de masa experimentalmente, contiene un líquido puro A, que se vaporiza y se difunde en la columna estancada de B. el fluido que se difunde hacia arriba es llevado por una corriente de gas.
FIGURA 1. DIFUSIÓN DE A EN ESTADO ESTACIONARIO A TRAVÉS DE B INMÓVIL.
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3.3. METODO WINKLEMA W INKLEMANN NN La difusividad del vapor de un líquido volátil en el aire puede ser convenientemente determinada por el método de Winklemann en la que el líquido está contenido en un tubo vertical de diámetro estrecho, mantenido a una temperatura constante, y una corriente de aire se hace pasar sobre la parte superior del tubo para asegurar que la presión parcial del vapor se transfiere desde la superficie del líquido a la corriente de aire por difusión molecular.
FIGURA 2. DIFERENCIA DE NIVEL Y NIVEL DE REFERENCIA C C N D L C A
T
A
BM
Dónde: D:
Coeficiente de difusión (m2/s).
C A: Concentrac Concentración ión de saturació saturación n en la interface (Kmol/m3) L:
Distancia efectiva de transferencia de masa (mm)
CBM: Media logarítmica de concentración de vapor (Kmol/m 3) CT: Concentració Concentración n molar total =
+ = = = ( ) () (Kmol/m3)
Teniendo en cuenta la evaporación del líquido:
Donde es la densidad del líquido. Así
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Integrar y poner L=L0 en t=0
= (2 ) ()
Nota: L0 y L no pueden ser medidos con precisión, pero L=L0 se puede medir con precisión utilizando el vernier en el microscopio.
) () t LL0 L L0= +2 ( =(2)+( LL0 L L0 2 )
O
Dónde: M = peso molecular (Kg / mol) t = tiempo (s)
Si s es la pendiente del gráfico de
Dónde:
= = = ( ) ==
versus
− − = (2)
⇒
:
=L 2
(Kmol Volumen = 22.414 m3/Kmol)
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4. DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL 4.1. MATERIALES Y EQUIPOS
El equipo de trabajo es el DIFFUSION OF A GAS APPARATUS ARMFIELD, en el cual determinaremos el coeficiente de difusión de un gas por evaporación desde su superficie liquida. El equipo cuenta con las siguientes partes: Termómetro (rango de 10 a 200°C).
Tubo capilar en forma de “T” lleno con acetona.
Recipiente de vidrio con agua desmineralizada
Bomba de aire
Microscopio.
Vernier (con una lectura de hasta dos decimales).
Controlador de temperatura digital.
FIGURA 3.EQUIPO DE DIFUSIÓN UTILIZADO EN LA EXPERIENCIA FIGURA 4.ESCALA DE MEDICIÓN DE DESPLAZAMIENTO
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FIGURA 5.: DESCRIPCIÓN DE LOS COMPONENTES DEL EQUIPO DE DIFUSIÓN
4.2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Se vierte el pentano en el capilar, previamente previamente lav lavado. ado. Se enciende la bomba de aire (air pump) y el calentador (heater).
Fijar la temperatura de trabajo (para este caso 25°C) haciendo uso del controlador de temperatura.
Ajustar la altura del microscopio de modo que se visualic visualice e el menisco del líquido (pentano) que se encuentra dentro del capilar.
Ajustar la posición de de la lente para obtener una visión clara y definida del menisco.
Tener en cuenta que la imagen esta invertida en el microscopio. Medir la variación de altura del menisco, menisco, orig originada inada p por or la evaporación del p pentano entano en un intervalo de tiempo de 30 minutos y una hora.
Grafique t/(L-Lo) en función de (L-Lo) y de determine termine gráficamente gráficamente el valor de la pendiente “s”, para posteriormente calcular el coeficiente de difusión.
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5. DATOS EXPERIMENTALES
TABLA 1.DATOS EXPERIMENTALES DE LA DIFUSIÓN DE PENTANO A 25 °C Corrida
hora
z(mm)
T(°C)
09:36:00
20.4
25
1
09:36:56 09:43:30
20.4 21
25.3 25.2
2
10:03:57 10:07:09 10:09:58
22.3 22.5 22.7
25.4 25.4 25.1
3
10:30:02 10:31:07 10:32:34
24 24.1 24.2
25.1 25.3 25.3
4
10:44:59 10:45:55 10:47:32
25 25.1 25.1
25.3 25.1 25.3
11:02:12
25.9
25.1
5
11:03:11 11:05:25
26.1 26.1
25.4 25.2
6
11:15:20 11:16:00 11:18:05
26.7 26.8 27
25.2 25.6 25.1
7
11:29:50 11:30:33 11:32:15
27.5 27.7 27.8
25.3 25.2 25.2
8
12:03:50 12:05:00 12:06:02
29.5 29.5 29.7
25.1 25.1 25.1
12:30:05 12:31:31 12:32:34
31 31.1 31.2
25.7 25.3 25.5
10
13:03:55 13:05:40 13:06:51
32.8 32.9 33
25.2 25.1 25.4
11
14:18:00 14:18:43 14:19:43
36.5 36.7 36.7
25.1 25.2 25.1
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6. RESULTADOS TABLA 2.DATOS EXPERIMENTALES DE LA DIFUSIÓN DE PENTANO A 25 °C PARA LA DETERMINACIÓN DE LA DIFUSIVIDAD DE PENTANO EN AIRE Corrida z-z0(mm) t
1 2 3 4 5 6 7 8 9
t(s)
t/(z-z0)
0 00:00:00
0
0.00
0 00:00:00
0
0.00
0 00:00:00
0
0.00
1.9 00:27:57
1677
882.63
2.1 00:30:13
1813
863.33
1.7 00:26:28
1588
934.12
3.6 00:54:02
3242
900.56
3.7 00:54:11
3251
878.65
3.2 00:49:04
2944
920.00
4.6 01:08:59
4139
899.78
4.7 01:08:59
4139
880.64
4.1 01:04:02
3842
937.07
5.5 01:26:12
5172
940.36
5.7 01:26:15
5175
907.89
5.1 01:21:55
4915
963.73
6.3 01:39:20
5960
946.03
6.4 01:39:04
5944
928.75
6 01:34:35
5675
945.83
7.1 01:53:50
6830
961.97
7.3 01:53:37
6817
933.84
6.8 01:48:45
6525
959.56
9.1 02:27:50
8870
974.73
9.1 02:28:04
8884
976.26
8.7 02:22:32
8552
982.99
10.6 02:54:05 10445
985.38
10.7 02:54:35 10475
978.97
10.2 02:49:04 10144
994.51
10
12.4 03:27:55 12475 1006.05 12.5 03:28:44 12524 1001.92 12 03:23:21 12201 1016.75
11
16.1 04:42:00 16920 1050.93 16.3 04:41:47 16907 1037.24 15.7 04:36:13 16573 1055.61
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TABLA 3.DATOS PARA EL CÁLCULO DE LA CONCENTRACIÓN DE PENTANO A 25°C Kmol.Vol(m3/kmol)
22.4
Tabs(K) Ta(K) Ct(Kmol/m³)
273 298.15 0.0409
TABLA 4.CONSTANTES DE LA ECUACIÓN PARA HALLAR PRESIÓN DE VAPOR DE PENTANO A 25°C C1 C2 C3 C4 C5
78.741 -5420.3 -8.8283 9.62E-06 2
TABLA 5.DETERMINACION DE LAS PROPIEDADES PARA EL CÁLCULO DE LA DIFUSIVIDAD DEL PENTANO A 25°C EXPERIMENTAL Propiedades del Pentano a 25°C ρa(kg/m³) ρa(kg/m³) Cbm(kmol/m³) Ma(kg/kmol) Ca(kmol/m³) Ct(kmol/m³) S(s/mm²) Dab(cm²/s)
626 0.0249 72.146 0.0271 0.0409 11.486 0.0848
TABLA 6.DETERMINACION DE LAS PROPIEDADES PARA EL CÁLCULO DE LA DIFUSIVIDAD DEL PENTANO A 25°C TEÓRICA (FUENTE DE INFORMACIÓN: PERRY) Propiedades del Pentano a 25°C T(k) P(atm) Ma(kg/kmol) Mb(kg/kmol) Va Vb Dab(cm²/s)
298.15 1 72.146 28.84 106.26 20.1 0.0848
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TABLA 7.DETERMINACION DEL PORCENTAJE DE ERROR DE LA DIFUSIVIDAD PENTANO (A) EN AIRE (B) Difusividad (cm²/s) Dab (teo) Dab (exp) %desviacion
0.08479 0.08481 -0.03
7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS De la figura N°8 de t/(L-Lo) vs L-Lo, en el cual se tuvo una pendiente de 9.45, 11.84, 13.16 con coeficientes de correlación R 2=0.946, 0.966 y 0.967, respectivamente. A partir de la pendiente se calculó el coeficiente de difusión de la mezcla binaria pentanoaire a 25°C y 1atm, dando como resultado D=0.0848 cm2/s frente al valor teórico de 0.0848cm2/s. Se puede apreciar entonces que se cuenta con una buena recopilación de datos experimentales a partir de los cuales se obtiene una baja desviación (0.03%) frente fr ente a los valores teóricos obtenidos. Se usó una correlación de Fuller, que es una de las más usadas y exactas para mezclas binarias no polares, y se tuvo un valor en el coeficiente de difusión de 0.0848cm2/s con una desviación de 0.03% del valor encontrado 0.0848 cm 2/s en la experiencia. No se puede mencionar la exactitud de ambos resultados debido a que no se tiene el valor del coeficiente de difusión verdadero a estas condiciones. La Grafica N° 7 se aprecia la relación de descenso de altura en el capilar versus el tiempo de tal manera que al transcurrir el tiempo el nivel en el tubo capilar que contiene la muestra va descendiendo, debido a que ocurre una transferencia de masa, gradiente de concentración; de la muestra de pentano hacia el aire, el cual arrastra los vapores producidos por el baño termostático a 25 °C.
8. CONCLUSIONES La
ecuación de Fuller-Schettler-Giddings presentó una muy buena estimación para el coeficiente de difusividad del pentano a 25°C, con un error de 0.03% respecto al valor experimental obtenido por el método de Winklemann.
La difusión se da de una zona zona de alta concen concentración tración (vapor del pentano líquid líquido oa la temperatura del líquido) a otra de baja concentración (aire)
El coeficiente de difusión es una una constante a temperatura y presión cons constante tante del medio donde ocurre el fenómeno.
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9. RECOMENDACIONES Trabajar a diferente diferentess temperatur temperaturas as para observar con mayor claridad las variaciones que presenta el sistema Realizar la practica con otras sustancias mas o menos volátiles para determinar el
comportamiento de cadaento unadel de equipo, estas sustancias. No alterar el funcionami funcionamiento asi como evitar movimientos cerca de el con el objeto de mejorar una toma de medidas precisa. Realizar 3 a mas medidas por cada toma de medición para un análisis de sensibilidad sensibili dad de los datos experimental experimentales. es.
10. BIBLIOGRAFÍA W.Green. H.Perry, Perry’s Chemical Engineers’Handbook, 8th Ed, Mc Graw Hill
J. M. Smith; H H.C. .C. Van Ness; M.M. Abb Abbott; ott; Introducción a la termodinámica en Ingeniería Química; Séptima edición, Mc Graw Hill.
https://steemit.com/spanish/@hugobohor/difusion-un-mundo-de-aplicacionesdifusion-en-medios-porosos
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11. APÉNDICE 11.1. EJEMPLO DE CÁLCULOS
= (1.) . = = = = 22.4 =273.15 , = 29298.8.1515
a) Cálculo de la concentración molar total
:
Dónde:
Se tiene:
Reemplazando:
= 22.41 273.298.155⟹⟹ =0.0409 409
b) Cálculo de la presión de vapor del pentano: Se utilizará la siguiente ecuación:
Dónde:
lnPPvv =1+2+3l nT +C4
=3ó , 3=8. 8283,4=9. 6210− , 5=2 1=78.741 , 2=5420.
Los val valores ores de la las cons ta tant ntes es (C 1, C2, C 2, C3, C 3, C4, C 4, C C5) 5) s e obtiene obtienen n de la la ta tabl bla a 2. 2. Del D el P erry´s C hemica hemicall Eng E nginee ineer´s r´s Ha Handb ndbook, ook, 8th 8th E dition dition Reemplazando en la ecuación a 25°C:
lnPvPv =78.7415420.3+8.=8.86724 28367240.0.ln3298.298.15 +9.6210−298.298.15
= 6724 67240.0.3 ((1013251)) ⇒ = 0.6636366
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c) Cálculo de la concentración molar del aire en la corriente de aire
= ⟹ =0.0409
:
d) Cálculo de la concentración molar del aire en la superficie del líquido
:
= ( ) = ó éé , =ó
Dónde:
Reemplazando:
= (10.16636)(0.0409 409 ) ⟹ =0.01375 1375 = ln 0.0409 0.01375 1375409 409 ⟹ =0.0249 = ln0.01375 = ()
:
e) Cálculo de la concentración media logarítmica del vapor de pentano
Reemplazando:
f) Cálculo de la concentr concentración ación de saturación del hexano en la interfase
:
Reemplazando:
271 = (0.61636 )(0.0409409 ) ⟹ =0.0271
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g) Cálculo del coeficiente de difusividad experimental del pentano
:
Se empleará el método de Winkelmann para lo cual es necesario graficar:
=11.486 +866.793 = 2
A partir de los datos de la tabla 1, se realiza dicha gráfica obteniéndose la siguiente recta:
De acuerdo con el método la pendiente de la recta anterior es:
Despejando la difusividad:
= 2 = , = =626 , =72.146
Donde:
E s to toss valo valores res s e obt obtiene ienen n del Perr Perry´s y´s C hem hemical ical Eng inee ineer´s r´s Handb Handbook, ook, 8t 8th h E dition dition
Reemplazando estos datos y los valores anteriormente calculados se obtiene:
= 2(72.146 )0.)0.0271 (626 (626 0.0409)0.0249 249 11. 486 10001 10 1 =0.0848
h) Cálculo del coeficiente de difusividad teórico del pentano: Se utilizará para este cálculo la ecua ecuaci ción ón de F uller-S uller-Schet chettl tler-G er-Gidding idding s :
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. 0. 0 01 = ∑ + ∑ 1 + 1
E s ta ecua ecuaci ción ón fue tom tomad ada a de Perry Perry´s ´s C hem hemical ical Eng ineer´s Handb Handbook, ook, 8th Edi Edition tion (tabl (ta blee 5-1 5-10: 0: C orrel orrela ations of diffusivi ties ties for g as es)
Donde:
= , , =ó = ó ℎ ℎ , = ó ó = ó ℎ ℎ = ó ó = ó =106. 26ó =20.1
Para
el pentano (A):
Para
el aire (B):
Datos Dat os obt obtenid enidos os de dell Perry´s Perry ´s C hemical hemical Eng ineer´s ineer´s Handb Handbook, ook, 8th 8th E dition dition Reemplazando esto en la ecuación de Fuller-Schettler-Giddings:
848 = 110.00101[√ √ 122.12298.22.98.71655+√ √ ..20.20.1] 72.1461 + 28.841 ⟹ =0.0848
i)
Cálculo del porcentaje de desviación:
%ó=| óó ó |×100% %ó=00..08480.0848 8480.0848 ×100%⟹%ó=0.03%
De la tesis:
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11.2. GRÁFICOS 32
30
28 y = 86.959x 86.959x - 14.12 R² = 0.998
m m26 , z
24
22
20 9:36:00
10:04:48
10:33:36
11:02:24
11:31:12
12:00:00
12:28:48
12:57:36
Hora
FIGURA 6. DIFUSIÓN DEL PENTANO EN AIRE A 25°C 1100
1050 y = 9.4498x + 901.56 R² = 0.9459
1000
Observador 1
m
Observador 2 Observador 3
/ m s , 950 ) 0 Z Z ( / t
y = 11.844x + 863.41 R² = 0.9662
900
y = 13.164x + 835.41 R² = 0.9666 850
800 0
5
10
15
20
Z-Z0, mm
FIGURA 7 GRÁFICO T /(Z-Z0) VERSUS (Z-Z0) PARA LOS TRES OBSERVADORES
Universidad Nacional Mayor De San Marcos
20
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