Practica 1 quimica industrial

Instituto Politécnico Nacional Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería, Ciencias Sociales y Administrativas Equipo 2 Nombre

Boleta

Álvarez López Areli

2013600019

Bastida Téllez José Raúl

2013602707

Carrillo Vences Óscar

2013602067

Flores Hernández Luis F.

2013600470

González Rivera Luis E.

2013601283

Firma

Unidad de aprendizaje: Química industrial (laboratorio) Secuencia: 2IM36 Profesora: María del Rocío Romero Sánchez Práctica No.1 Relación entre las capacidades caloríficas de un gas

OBJETIVOS 

Determinar el coeficiente de dilatación adiabática y el error comparándolo con un coeficiente de dilatación adiabática de 1.4.



Observar y realizar el proceso de expansión adiabática (cuando se abre el sistema) y la compresión isotérmica en el sistema (cuando ajustamos el sistema).

RESUMEN. La práctica que se muestra a continuación fue hecha tomando en cuenta las bases teóricas acerca del comportamiento de los gases sometidos a distintos procesos( isobárico, isotérmico, isométrico e adiabático), así como el método experimental de Clement y Desormes para determinar el valor de ϒ . Utilizando el material de la práctica, se construyó un sistema gaseoso aislado que podía ser alterado aumentando o disminuyendo la cantidad de gas en su interior, permitiéndonos experimentar y, con los datos obtenidos, calcular el valor de ϒ. Al calcular el valor medio de las ϒ obtenidas mediante la experimentación obtuvimos ̅ = 1.3475 y al comparar ̅ con el valor teórico de ϒ (1.4), los resultados de nuestra experimentación arrojaron que existe un error porcentual de ϒ igual a 3.75%

INTRODUCCION El coeficiente de dilatación adiabática es la razón entre la capacidad calorífica a presión constante (Cp) y la capacidad calorífica a volumen constante (Cv). A veces es conocida también como FACTOR DE EXPANSION ISOENTROPICA Y RAZON DE CALOR ESPECIFICO y se denota con la expresión ϒ (gamma) o incluso К (kappa).

ϒ= Donde el calor de C es la capacidad calorífica o capacidad calorífica especifica de un gas, los sufijos P y V se refieren a las condiciones de presión constante y de volumen constantes respectivamente.

Termodinámica Es fundamentalmente una ciencia fenomenológica, es decir, una ciencia macroscópica basada en leyes generales inferidas del experimento, independientemente de cualquier “modelo” microscópico de la materia. Su objetivo es, obtener relaciones entre propiedades macroscópicas de la materia, cuando esta se somete a toda una variedad de procesos.

Denominamos ESTADO DE QUILIBRIO de un sistema cuando las variables macroscópicas presión P, volumen V y temperatura T, no cambian. El estado de equilibrio es dinámico en el sentido de que los constituyentes del sistema se mueven continuamente. Se denomina ECUACION DE ESTADO a la relación que existe entre las variables P, V y T. La ecuación de estado más sencilla es la de un gas ideal PV= n RT, donde n representa el número de moles, y R la constante de los gases R=.082 atml/molk = 8.3143J/Kmol. Se denomina ENERGIA INTERNA del sistema a la suma de las energías de todas sus partículas. En un gas ideal las moléculas solamente tienen energía cinética, los choques entre las moléculas se suponen perfectamente elásticos, la ENERGIA INTERNA solamente depende de la temperatura.

Trabajo mecánico Consideremos, por ejemplo, un gas dentro de un cilindro. Las OLECULAS DEL GAS CHOCAN CONTRA LAS PAREDES cambiando la dirección de su velocidad, o de su momento lineal. El efecto de gran número de colisiones que tienen lugar en la unidad de tiempo, se puede representar por una fuerza F que actúa sobre la superficie de la pared. El trabajo total realizado cuando el sistema pasa del estado A cuyo volumen es VA al estado B cuyo volumen es VB.

W =∫ Calor No es una nueva forma de energía, es el nombre dado a una transferencia de energía tipo especial en el que intervienen gran número de partículas. SE DENOMINA CALOR A LA ENERGIA INTERCAMBIADA ENTRE UN SISTEMA Y EL MEDIO QUE LO RODEA debido a los choques entre las partículas del sistema y el exterior al mismo. El calor se considera positivo cuando fluye hacia el sistema cuando incrementa su energía interna. El calor se considera negativo cuando fluye desde el sistema, por lo que disminuye su energía interna. Cuando una sustancia incrementa su temperatura de TA a TB, el calor absorbido obtiene multiplicando la masa (o el número de mol) por el calor especifico C y por la diferencia de temperatura TB – TA.

Q = nc (TB – TA) Cuando no hay intercambio de energía (en forma de calor) entre dos sistemas, decimos que están en EQUILIBRIO TERMICO.

Método. Clement Desormes. Para un gas ideal que evolucione adiabáticamente el producto PV ‘γ se mantiene constante, donde P es la presión, V el volumen, y γ es la relación entre el calor específico a presión constante y el calor específico a volumen constante. En el método de Clément y Desormes se produce una rápida compresión de un gas a baja presión y temperatura ambiente contenido en un recipiente, que puede entonces suponerse en principio adiabática. A continuación se deja que el gas vuelva a su temperatura inicial. Durante el proceso se registran las presiones manométricas del gas: la inicial, la resultante después de la compresión y la final, al volver el gas a la temperatura ambiente. Considerando al gas como ideal, se demuestra que γ es igual, aproximadamente, a la relación entre las diferencias de alturas manométricas; es decir la diferencia entre la altura inicial h0 y la obtenida al comprimir el gas h1, dividida por la diferencia entre la primera y la altura final del gas a temperatura ambiente h2, Alturas manométricas obtenidas durante el experimento. El gas ocupa inicialmente el volumen vo. La válvula B permite el ingreso de aire a presión atmosférica.

Expansión isotérmica La energía interna de un gas ideal sólo depende de su temperatura. Al ser un proceso isotérmico, ésta no cambia. Por tanto

ΔU = 0 Para calcular el trabajo realizado utilizamos la ecuación de estado para expresar la presión en función del volumen:

Hemos usado la ley de Boyle para expresar el resultado en función del cociente de presiones, y la ecuación del gas ideal para sustituir nRT por P1V1. El trabajo es negativo, pues al expandirse el gas realiza trabajo sobre el recipiente que le contiene.

Como la variación de energía interna es nula, el calor absorbido por el gas es:

Expansión adiabática En este caso el calor absorbido por el gas es cero:

Q=0 Podemos expresar la variación de energía interna en función de la diferencia de temperaturas entre los estados inicial y final:

ΔU = ncv(T2 − T1) Aquí, cv es el calor específico molar a volumen constante. Para un gas ideal monoatómico tenemos cv = 3R / 2. Nos falta encontrar la temperatura en el estado final. Para ello usamos la ecuación de Poisson:

Por tanto, la variación de energía interna es:

Hemos usado que en un gas monoatómico γ = 5 / 3. El trabajo que realiza el gas es

Comparación de los dos procesos

Podemos observar que el trabajo realizado por el gas en el proceso adiabático es menor que el que realiza en el proceso isotérmico. Esto puede comprobarse también en el diagrama PV de la figura. En un punto del diagrama, la pendiente de la adiabática es siempre mayor que la de la isoterma. Entonces, al hacer la expansión, la adiabática se queda a la derecha de la isotérmica, y por tanto, el área debajo de la adiabática es menor que debajo de la isotérmica.

MATERIAL 

1 GARRAFON DE VIDRIO



1 PERILLA DE HULE



1 MANOMETRO DIFERECIAL



1 LLAVE DE PASO



1 TAPON TRIHORADADO



TUBERIA DE VIDRIO Y DE LATEX

SUSTANCIA AIRE

      

Propiedades físicas Es de menor peso que el agua. Es de menor densidad que el agua. Tiene Volumen indefinido. No existe en el vacío. Es incoloro, inodoro e insípido. Propiedades químicas Reacciona con la temperatura condensándose en hielo a bajas temperaturas y produce corrientes de aire. Esta compuesto por varios elementos entre ellos el oxigeno (O2) y el dióxido de carbono elementos básicos para la vida. COMPONENTES

DIAGRAMA DE VARIABLES

INSTALAR EL EQUIPO

REPETIR EL EXPERIMENTO

A 35 CM , 30 CM Y 25 CM DE DIFERENCIA DE ALTURA

UTILIZAR LA PERILLA PARA BOMBEAR MAS AIRE AL GARRAFON HASTA ALCANZAR UNA DIFERENCIA DE ALTURAS ENTRE LAS RAMAS DEL MANOMETRO DE 40 CM DE AGUA

REGISTRE NUEVAMENTE LA DIFERENCIA DE ALTURAS CUANDO SE ESTABILICEN LAS COLUMNAS DE AGUA EN EL MANOMETRO

CIERRE LA VÁLVULA Y REGISTRE LA DIFERENCIA DE ALTURAS EN EL MANOMETRO, CUANDO SE ESTABILICEN LAS ALTURAS

DESTAPE EL GARRAFON Y COLOQUE OTRA VEZ EL GARRAFON DE FORMA INMEDIATA

Datos Presiones manométricas antes de destapar el garrafón (iniciales)

h1 (cmH2O)

h2 (cmH2O)

15

54.5

17.1

52

19.7

49.5

19.7

49.5

22.3

47.0

22.3

47.0

22.3

47.0

Presiones manométricas después de destapar el garrafón (finales)

h1 (cmH2O)

h2 (cmH2O)

39.8

29.2

39.2

30.1

31.1

38.2

30.7

38.5

28.1

41.1

32.0

37.5

31.5

37.5

Cálculos Diferencia de presiones manométricas iniciales Δh = |h2 – h1| (cmH2O) 1.- Δh = |h2 – h1| = Δh = |54.5– 15| = 39.5 2.- Δh = |h2 – h1| = Δh = |52 – 17.1|= 34.9 3.- Δh = |h2 – h1| = Δh = |49.5 – 19.7| = 29.8 4.- Δh = |h2 – h1| = Δh = |49.5 – 19.7| = 29.8 5.- Δh = |h2 – h1| = Δh = |47.0 – 22.3| = 24.7 6.- Δh = |h2 – h1| = Δh = |47.0 – 22.3| = 24.7 7.- Δh = |h2 – h1| = Δh = |47.0 – 22.3| = 24.7

Diferencia de presiones manométricas inciales transformadas a cmHg. ΡHg = 13.6 g/cm3

P1man = 1.- P1man =

= P1man =

= 2.9 cmHg

2.- P1man =

= P1man =

= 2.57 cmHg

3.- P1man =

= P1man =

= 2.19 cmHg

4.- P1man =

= P1man =

= 2.19 cmHg

5.- P1man =

= P1man =

= 1.82 cmHg

6.- P1man =

= P1man =

= 1.82 cmHg

7.- P1man =

= P1man =

= 1.82 cmHg

Presión absoluta inicial; P1abs = P1man + Patm (cmHg) 1.- P1abs = P1man + Patm = 2.9 cmHg + 5.85 cmHg = 8.75 cmHg 2.- P1abs = P1man + Patm = 2.57 cmHg + 5.85 cmHg = 8.42 cmHg 3.- P1abs = P1man + Patm = 2.19 cmHg + 5.85 cmHg = 8.04 cmHg 4.- P1abs = P1man + Patm = 2.19 cmHg + 5.85 cmHg = 8.04 cmHg 5.- P1abs = P1man + Patm = 1.82 cmHg + 5.85 cmHg = 7.67 cmHg 6.- P1abs = P1man + Patm = 1.82 cmHg + 5.85 cmHg = 7.67 cmHg 7.- P1abs = P1man + Patm = 1.82 cmHg + 5.85 cmHg = 7.67 cmHg Diferencia de presiones manométricas finales Δh = |h2 – h1| (cmH2O) 1.- Δh = |h2 – h1| = Δh = |29.2– 39.8| = 10.6 2.- Δh = |h2 – h1| = Δh = |30.1 – 39.2|= 9.1 3.- Δh = |h2 – h1| = Δh = |38.2 – 31.1| = 7.1 4.- Δh = |h2 – h1| = Δh = |38.5 – 30.7| = 7.8 5.- Δh = |h2 – h1| = Δh = |41.1 – 28.1| = 13 6.- Δh = |h2 – h1| = Δh = |37.5 – 32.0| = 5.5 7.- Δh = |h2 – h1| = Δh = |37.5 – 31.5| = 6.0 Diferencia de presiones manométricas finales transformadas a cmHg. ΡHg = 13.6 g/cm3

P2man = 1.- P2man =

= P2man =

= 0.78 cmHg

2.- P2man =

= P2man =

= 0.67 cmHg

3.- P2man =

= P2man =

= 0.52 cmHg

4.- P2man =

= P2man =

=0.57 cmHg

5.- P2man =

= P2man =

= 0.96 cmHg

6.- P2man =

= P2man =

= 0.40 cmHg

7.- P2man =

= P2man =

= 0.44 cmHg

Presión absoluta final; P2abs = P2man + Patm (cmHg) 1.- P2abs = P2man + Patm = 0.78 cmHg + 5.85 cmHg = 6.63 cmHg 2.- P2abs = P2man + Patm = 0.67 cmHg + 5.85 cmHg = 6.52 cmHg 3.- P2abs = P2man + Patm = 0.52 cmHg + 5.85 cmHg = 6.37 cmHg 4.- P2abs = P2man + Patm = 0.57 cmHg + 5.85 cmHg = 6.42 cmHg 5.- P2abs = P2man + Patm = 0.96 cmHg + 5.85 cmHg = 6.81 cmHg 6.- P2abs = P2man + Patm = 0.40 cmHg + 5.85 cmHg = 6.25 cmHg 7.- P2abs = P2man + Patm = 0.44 cmHg + 5.85 cmHg = 6.29 cmHg Cálculo de gama ϒ =|

|

1.- ϒ =|

| =|

| = 1.37

2.- ϒ =|

| =|

| = 1.35

3.- ϒ =|

| =|

| = 1.31

4.- ϒ =|

| =|

| = 1.35

5.- ϒ =|

| =|

| = 2.11

6.- ϒ =|

| =|

| = 1.28

7.- ϒ =|

| =|

| = 1.32

Cálculo de porcentaje de error experimental %error = |

| *100

1.- |

| *100 = 2.14%

2.- |

| *100 = 3.57%

3.- |

| *100 = 6.43%

4.- |

| *100 = 3.57%

5.- |

| *100 = 11.43%

6.- |

| *100 = 8.57%

7.- |

| *100 = 5.7%

Cálculo de gama promedio (sólo considerando las que generaron menos error experimental) ̅=

= 1.3475

Porcentaje de error experimental en gama promedio %error = |

| *100 = |

| *100 = 3.75%

Resultados Datos iniciales h1 (cmH2O)

h2 (cmH2O)

Δh (cmH2O)

P1man

P1abs

(cmHg)

(cmHg)

1

15

54.5

39.5

2.9

8.75

2

17.1

52

34.9

2.57

8.42

3

19.7

49.5

29.8

2.19

8.04

4

19.7

49.5

29.8

2.19

8.04

5

22.3

47.0

24.7

1.82

7.67

6

22.3

47.0

24.7

1.82

7.67

7

22.3

47.0

24.7

1.82

7.67

Datos finales h1 (cmH2O)

h2 (cmH2O)

Δh (cmH2O)

P2man

P2abs

(cmHg)

(cmHg)

ϒ

%error

1

39.8

29.2

10.6

0.78

6.63

1.37

2.14

2

39.2

30.1

9.1

0.67

6.52

1.35

3.57

3

31.1

38.2

7.1

0.52

6.37

1.31

6.43

4

30.7

38.5

7.8

0.57

6.42

1.35

3.57

5

28.1

41.1

13

0.96

6.81

2.11

11.43

6

32.0

37.5

5.5

0.40

6.25

1.28

8.57

7

31.5

37.5

6.0

0.44

6.29

1.32

5.7

̅ = 1.3475 %error de ̅ = 3.75%

Cuestionario 1.- ¿En qué momento del experimento se llevan a cabo los procesos: a) adiabático y b) isométrico? Explique brevemente. a) El proceso adiabático ocurre cuando el sistema pasa del estado 1 al 2, que es cuando se destapa y tapa rápidamente el garrafón, ocasionando un cambio de presión muy rápido en el sistema sin permitir alguna transferencia de calor. b) El proceso isométrico se lleva a cabo cuando el sistema va del estado 2 al 3 ya que tapando de nuevo el garrafón se devuelve un poco de presión al sistema y así mismo aumenta un poco su temperatura, pero manteniendo un volumen constante. 2.- ¿Por qué no se lleva a cabo de manera física el proceso isotérmico? R = Porque al ser el bombeo de aire rápido no hay fricción generada por la presión y por lo tanto la temperatura se mantiene constante. 3.- En una expansión adiabática un gas se enfría. ¿Cómo explica esto si Q = 0? R = En los procesos adiabáticos, al no existir transferencia de calor, en la expansión de un gas hay una reducción de la energía interna, debido al trabajo realizado y como consecuencia, existe una disminución de la temperatura, generando un enfriamiento de los gases. 4.- Calcule el porcentaje de desviación entre el valor obtenido para ϒ (promedio) en comparación con el valor teóricamente esperado. Cálculo de gama promedio (sólo considerando las que generaron menos error experimental) ̅=

= 1.3475

Porcentaje de error experimental en gama promedio %error = |

| *100 = |

| *100 = 3.75%

5.- Calcule los volúmenes y las temperaturas para dos procesos de expansión de 1 mol de aire que inicialmente está a CNPT, uno isotérmico y otro adiabático. Proceso isotérmico. n= 1 mol de aire, T = 273K, PV = cte, P1V1 = P2V2 Presión (atm)

1

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

Volumen (L)

22.4

24.89

28

32

37.33

44.8

56

74.67

112

Proceso adiabático. n = 1 mol de aire, PVϒ = cte, P1V1ϒ = P2V2ϒ

Presión (atm)

1

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

Volumen (L)

22.4

24.15

26.27

28.9

32.26

36.75

43.1

52.93

70.71

Temperatura K

273

264.95

256.24

246.71

236.15

224.24

210.48

193.98

172.9

Aire (mezcla de gases diatómicos) n= 1 mol Composición del aire 79%mol N2 21%mol O2 R = 0.082 atmL/molK = 1.987 cal/molk Cp = 7 cal/molK Cv = 5 cal/molK P1 = 1 atm T1 = 273K Proceso isotérmico V1 =

=

V2 =

=

= 24.89L; V3 =

=

= 28 L; V4 =

=

V5 =

=

= 37.33L; V6 =

=

= 44.8L; V7 =

=

V8 =

=

= 74.67L; V9 =

=

= 112L

Proceso adiabático

= 22.4 L = 32L = 56L

V2 = ((P1V1ϒ)/P2))^1/ϒ = ((1atm*22.4L1.4)/0.9atm))^(1/1.4) = 24.15L V3 = ((0.9atm*24.15L1.4)/0.8atm))^(1/1.4) = 26.27L V4 =((0.8atm*26.27L1.4)/0.7atm))^(1/1.4) = 28.9L V5 = ((0.7atm*28.9L1.4)/0.6atm))^(1/1.4) = 32.26L V6 = ((0.6atm*32.26L1.4)/0.5atm))^(1/1.4) = 36.75L V7 = ((0.5atm*36.75L1.4)/0.4atm))^(1/1.4) = 43.1L V8 = ((0.4atm*43.1L1.4)/0.3atm))^(1/1.4) = 52.93L V9 = ((0.3atm*52.93L1.4)/0.2atm))^(1/1.4) = 70.71L T2 = (T1) (

)

= (273K) (

)

= 264.95K

T3 = (264.95K) (

)

= 256.24K

T4 = (256.24K) (

)

= 246.71K

T5 = (246.71K) (

)

= 236.15K

T6 = (236.15K) (

)

= 224.24K

T7 = (224.24K) (

)

= 210.48K

T8 = (210.48K) (

)

= 193.98K

T9 = (193.98K) (

)

= 172.9K

6.- Trace los datos de las dos tablas anteriores en un diagrama P vs V, correspondientes a las curvas de los procesos isotérmico y adiabático. Interprete los resultados obtenidos.

Presión vs Volumen de proceso isotérmico 1.2

Presión (atm)

1

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5

0.8 0.6 0.4

Presión (atm)

0.4 0.3

0.2

0.2

0 0

20

40

60 Volumen (L)

80

100

120

Presión vs Volumen. Proceso adiabático 1.2

Presión (atm)

1

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5

0.8 0.6 0.4

Presión (atm)

0.4 0.3

0.2

0.2

0 0

20

40

60

80

Volumen (L)

7.¿Qué condiciones permiten que un proceso sea adiabático? Fundamente su respuesta en términos de: a) rapidez de la realización del proceso b) aislamiento del sistema c) Términos de la ecuación de la primera ley de la termodinámica R= a) y b): Para que un proceso sea adiabático, el sistema se debe aislar de manera que no permita intercambio de calor con los alrededores, es decir que no haya grietas o fugas; además de que esto se debe hacer de manera rápida para evitar dicha transferencia. c) La primera ley de la termodinámica no establece restricción alguna sobre la conversión entre las diferentes formas de energía, sino que únicamente indica que la cantidad total de energía debe ser constante. 8.- En un proceso adiabático, ¿para qué se utiliza ϒ? R= Se utiliza para conocer los valores de Cp y Cv o viceversa, y con éstos se pueden conocer los valores del cambio de temperatura, presión y volumen en un proceso adiabático. 9.- Describa brevemente el ciclo de refrigeración, ilustrando su figura con un esquema

CONCLUSION Primero que nada ay que dar énfasis en que en nuestro equipo por el desempeño, el compañerismo y claro la organización se pudo realizar el proceso siete veces, lo cual propicio que todos los integrantes tuvimos la oportunidad de realizar el experimento y así poder realizar la “compresión adiabática y la expansión isotérmica” (utilizando el manómetro y dejando entrar aire al sistema descontrolando así el equilibrio en el mismo) y esto propiciara una modificación no solo en la P sino también en el V y la T. Esto claro con el motivo de encontrar a la gama, que teóricamente era 1.40, el error más bajo que se tuvo en la práctica fue de 6 % con 1.34 esto nos ayudó a comprender que o nuestro “tapado y destapado” no fue el adecuado lo que propicio el error. Algo que fue explicado detallada y precisamente por el ingeniero fue que la temperatura es constante y ocurre al abrir y quitar la compresión adiabática-ocurre una expansión isotérmica , eso fue explicado puntualmente y hasta de manera gráfica claro confines prácticos.