Informe PRESIÓN DE VAPOR

PRESIÓN DE VAPOR VAPOR PRESSURE 1

1

1

Wendy Montero Ovalle, Alejandra Usaquén Tolosa, Diego Humberto Cubillos 1

2

1,2 1

Miguel Delgado Gómez

Universidad Distrital Francisco José de Caldas 2 Estudiantes Termodinámica I – 01, Profesor

RESUMEN Por medio de la práctica se observan los diferentes factores que intervienen en la presión de vapor. Se realiza un montaje con vaso de precipitado lleno de agua, una probeta invertida llena hasta un punto y se calienta hasta cierta temperatura, observando los cambios ocurridos tanto en su calentamiento como en su enfriamiento. PALABRAS CLAVE Temperatura, presión de vapor, volumen, sustancia, presión total. ABSTRACT Through practice can observe the different factors involved in the steam pressure. Mounting is performed beaker filled with water, a test tube filled inverted to a point and heated to a certain temperature, noting the changes in both its heating and on cooling. KEY WORDS Temperature, vapor pressure, volume, substance, total pressure. INTRODUCCIÓN La presión de vapor es la presión de un sistema cuando el sólido o liquido se hallan en equilibrio con su vapor. Los vapores y los gases, tienden a ocupar el mayor volumen posible y ejercen así sobre las paredes de los recintos que los contienen, una presión también llamada, fuerza elástica o tensión. Para determinar un valor sobre esta presión se divide la fuerza total por la superficie en contacto. A medida que las moléculas pasan al estado de vapor, la presión dentro del espacio cerrado sobre el líquido aumenta, este aumento no es indefinido, y hay un valor de

presión para el cual por cada molécula que logra escapar del líquido necesariamente regresa una de las gaseosas a él, por lo que se establece un equilibrio y la presión no sigue subiendo. La presión de vapor depende de dos factores, la naturaleza del líquido y la temperatura. 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.

El equilibrio dinámico se alcanzará más rápidamente cuanto mayor sea la superficie de contacto entre el líquido y el vapor, pues así se favorece la evaporación del líquido; del mismo modo que un charco de agua extenso pero de poca profundidad se seca más rápido que uno más pequeño pero de mayor profundidad que contenga igual cantidad de agua. Sin embargo, el equilibrio se alcanza en ambos casos para igual presión. El factor más importante que determina el valor de la presión de saturación es la propia naturaleza del líquido, encontrándose que en general entre líquidos de naturaleza similar, la presión de vapor a una temperatura dada es tanto menor cuanto mayor es el peso molecular del líquido. Como una tendencia general, la presión de vapor de los líquidos a presión atmosférica se incrementa con respecto al decrecimiento en la temperatura de ebullición. El valor de la presión de vapor de un líquido, da una idea clara de su volatilidad, los líquidos más volátiles tienen una presión de vapor más alta por lo que este tipo de líquidos confinados en un recipiente cerrado mantendrán a la misma temperatura, una presión de vapor mayor a la de otros menos volátiles. La presión de vapor en los líquidos también crece rápidamente al aumentar la temperatura. La relación entre la temperatura y la presión de vapor de las sustancias no es una línea recta, pero si se cumplirá siempre que para cada valor de temperatura habrá un valor fijo de presión de vapor, esto se explica con el aumento de energía que existe entre las moléculas al calentar la sustancia. En la gráfica 1 se observan presiones de vapor de tres sustancias diferentes, unas más volátiles que las otras, lo que

demuestra la influencia de la volatilidad de las sustancias en la presión de vapor.

Gráfica 1: Presión de vapor en función de la temperatura de éter, alcohol y agua.

MATERIALES Y MÉTODOS Materiales        

Probeta 10mL (1) Vaso de precipitados 1L (1) Vaso precipitado 150mL (1) Trípode (1) Malla de asbesto (1) Termómetro (1) Mechero (1) Agitador de vidrio (1)

Métodos Llenar la probeta con agua e introdúzcala invertida en el vaso de precipitados de 1 L que contiene agua, permitiendo que una muestra de aire de 2.2mL quede atrapada dentro de la probeta. Añada suficiente agua al vaso de precipitados de 1 L de tal forma que el nivel en él cubra completamente a la probeta. Calentar el sistema hasta que el agua contenida en el vaso de precipitados alcance una temperatura aproximada de 80°C, pero no permita que la burbuja de

aire atrapada en la probeta salga de su escala. Suspenda el calentamiento e inicie las lecturas de temperatura cada vez que el volumen disminuya 0.2 ml, agitando el agua del vaso de precipitados frecuentemente para evitar el gradiente térmico. Realice las lecturas que considere necesarias para evaluar la presión de vapor.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la tabla se muestran los resultados obtenidos del enfriamiento en el procedimiento anterior, anotando la disminución de la temperatura hasta 50°C y el aumento del volumen en la probeta.

52 50 48 44 41 39 36 33 30

5.2 5.0 4.8 4.6 4.4 4.2 4.0 3.8 3.6

Tabla 1: Resultados de temperatura y volumen obtenidos.

Utilizamos la temperatura obtenida experimentalmente para hallar la presión del sistema, con ayuda de la ecuación de Antonie.

Ecuación 1

T, °C 80 79 78 77.5 77 76,4 76 75.6 74.5 74 73.5 72 71 70 69 66 64 62 60 58 56 54

Volumen (mL) 9.6 9.4 9.2 9.0 8.8 8.6 8.4 8.2 8.0 7.8 7.6 7.4 7.2 7.0 6.8 6.6 6.4 6.3 6.0 5.8 5.6 5.4

Donde A, B y C son coeficientes de Antonie. Coeficientes A 8,07131 B 1730,63 C 233,426 Tabla 2: Coeficientes de Antonie

Se reemplaza cada temperatura obtenida experimentalmente en la ecuación 1 y se obtiene así la presión para cada una de ellas. T, °C 80 79 78 77.5 77 76,4 76 75.6 74.5 74 73.5

P (mmHg) 354,5322655 340,3943064 326,7347363 321,5771034 313,5405617 305,8421359 300,7990412 295,8263697 282,5082286 276,6242422 270,8442319

72 71 70 69 66 64 62 60 58 56 54 52 50 48 44 41 39 36 33 30

temperatura progresivamente.

254,1133586 243,4526419 233,1732906 223,2642609 195,6521392 178,9035524 163,3906107 149,0384192 135,7754738 123,5335748 112,2477396 101,856115 92,29988808 83,52319734 68,09919592 58,20320503 52,3177543 44,4542814 37,63440968 31,74016727

Para hallar el ∆Hvap del agua, calculamos el LnP y utilizamos la ecuación de Clausius-Clapegran.

[

Donde P1 y P2 son presiones del sistema en mmHg, T1 y T2 son temperaturas del sistema en K y R=1.987cal/mol*K

400

Presión

300 200 100 0 50

] Ecuación 2

Tabla 3: Resultados de temperatura y presión.

0

disminuyen

100

Temperatura Gráfica 2: Presión versus temperatura de los datos obtenidos.

Se observa entonces en la gráfica 2 de manera más apropiada, como la presión aumenta de forma exponencial a medida que aumenta la temperatura, en el caso de la práctica es inverso, se llega a una temperatura determinada de 80°C y su presión de claramente aumenta, pero a medida que procede el enfriamiento del sistema tanto la presión como la

LnP

1/T

2,549655766 2,531982287 2,514195308 2,507285119 2,496293732 2,485497318 2,478276448 2,471036884 2,451031102 2,441890237 2,432719591 2,405027496 2,386414492 2,367678802 2,348819209 2,291484601 2,252618964 2,213227096 2,173298236 2,132821327 2,091785009 2,050177604 2,007987107 1,965201174

0,00283286 0,00284091 0,002849 0,00285307 0,00285714 0,00286205 0,00286533 0,00286862 0,0028777 0,00288184 0,002886 0,00289855 0,00290698 0,00291545 0,00292398 0,00294985 0,00296736 0,00298507 0,003003 0,00302115 0,00303951 0,0030581 0,00307692 0,00309598

1,921807111 1,833141984 1,7649469 1,718649094 1,647913594 1,575585108 1,501609211

0,00311526 0,00315457 0,00318471 0,00320513 0,00323625 0,00326797 0,00330033

Tabla 4: Resultados obtenidos de LnP vs 1/T.

8

LnP

6 y = -5152.4x + 20.472 R² = 1

4 2 0 0.0028

0.003

0.0032

0.0034

1/T Gráfica 3: LnP versus 1/T de datos obtenidos.

Se halla la presión de vapor según la ecuación 2 y se obtiene:

[

]

El ΔHvap experimental es 10469.57cal/mol y el ΔHvap teórico del agua es de 539 kcal/Kg, al hacer la conversión de este último valor a cal/mol, nos da 9702cal/mol para el valor teórico, se halla entonces el porcentaje de error de la práctica con la siguiente ecuación:

Ecuación 3

A lo cual, comparando los resultados se obtuvo el porcentaje de error de la práctica.

El porcentaje de error de la práctica fue del 7.9%, un valor no tan alto, sin embargo, esta fracción de error pudo deberse a condiciones externas (algunas impurezas), instrumentales o de manipulación de los elementos. Durante la práctica se evidencia como se puede establecer una relación entre la temperatura y la presión de vapor de una sustancia, en nuestro caso el agua, mediante el experimento realizado se observó como la disminución de temperatura en el sistema hace que la presión disminuya a su vez, comprobando que la presión de vapor de un líquido puro es función única de la temperatura de saturación, siendo esta una de las propiedades intensivas con la cual se relaciona de forma directa.

CONCLUSIONES 1. La cantidad de vapor de agua que puede absorber el aire depende de su temperatura. El aire caliente admite más vapor de agua que el frio, el vapor de agua tiene una densidad menor que el aire luego el aire húmedo es menos denso que el aire seco. Además las sustancias al

calentarse se dilatan, luego, tienen menor densidad. 2. La relación entre presión de vapor de un líquido como el agua y temperatura es exponencial, tanto en calentamiento como en enfriamiento de un sistema, evidenciando la proporcionalidad entre estas dos variables, para el caso de la práctica, a medida que la temperatura disminuye, disminuye su presión de vapor. 3. Siempre se cumplirá dentro del sistema que para cada valor de temperatura habrá un valor fijo de presión de vapor para cada líquido como se evidencian en las gráficas propuestas anteriormente. BIBLIOGRAFÍA 1. Wayne E. Wentworth,S. Jules Ladner, Fundamentos de química fisica, Editoríal reverté S.A, Barcelona, 1975, pag. 103-108. 2. Wesley L., Fisicoquímica, Segunda edición, Mexico, 1987, pag. 289-295