Universidad Nacional de Ingeniería“Ciencia y Tecnología al servicio del País” Facultad de Ingeniería Mecánica 6to Informe de Laboratorio de Física II EXPERIMENTO: Presión de Vapor Saturado Profesor Ing. José Pachas Salhuana Integrantes Concha Uriol, Álvaro Rodrigo 20112062B ______________ Gallardo Esteves, Juan Carlos 20114032C ______________ Sección C Fecha de entrega 29 09 2011 Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica PRÓLOGO En este laboratorio N°6 “Presión de Vapor Saturado” usaremos el mercurio como elemento básico para medir la presión de vapor de agua a diferentes temperaturas. Es en estos instantes que se tomara medidas de la presión de vapor del agua. Luego de estos ensayos calcularemos el “α” y compararemos el obtenido en Excel. En estas mediciones se tomará en cuenta el incremento de la altura del mercurio por cada 5 grados de variación (ºC). Luego en el matraz habrá escape del aire y ese vacío será copado por el vapor de agua. cerrado herméticamente. Los Autores 2 . Para ello el mercurio estará conectado en un tubo en forma de U y este en un matraz con un termómetro. desde 98 hasta 63 grados centígrados. También en este experimento consideremos las limitaciones que ofrecen este ensayo de laboratorio. y un mechero Bunsen en llama no luminosa calentara el agua en el matraz. La presión atmosférica a considerar será de 760 mmHg. Este ensayo tiene como objetivo “DETERMINAR LAS DIFERENTES TEMPERATURAS DE EBULLICION DEL AGUA PARA DIFERENTES PRESIONES”. Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica ÍNDICE 1) Prólogo 2) Índice 3) Objetivos 4) Esquema del Ensayo 5) Fundamentación Teórica 6) Hoja de Datos 7) Cálculos Operacionales 8) Observaciones 9) Conclusiones 10) 11) 12) Recomendaciones Bibliografía Apéndice 2 3 4 5 7 11 12 15 16 17 17 18 3 . 4 .Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica OBJETIVOS Determinar valores de presión de vapor del agua a distintas temperaturas. para representar y describir la relación que se presenta entre ambas variables por medio del ascenso de mercurio (Hg) en un tubo en U. Calcular la presión de vapor saturado del agua. Un termómetro Dos pinzas Regla milimetrada 5 .Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica ESQUEMA DEL ENSAYO Materiales Sistema conformado por: Un matraz con tapón bihoradado Un tubo en forma de U invertido Mechero Bunsen Una base Leybold grande con una varilla de acero Tubo de ensayo con 180g de mercurio Aprox. 4. A continuación introduzca el extremo libre del tubo en U en el interior del tubo de ensayo que contiene una determinada cantidad de mercurio. 6 . teniendo cuidado que el bulbo del termómetro esté bastante cerca del líquido pero sin tocarlo. 3. quitando al mismo tiempo la fuente de calor. Mediante el desnivel que existe entre la columna del mercurio en el tubo en U y la superficie libre del mercurio en el tubo de ensayo puede conocerse la tensión de vapor que corresponde a cada temperatura. Verifique que el extremo inferior del tubo en U llegue al fondo del tubo de ensayo. Llene con agua hasta la mitad del matraz y luego coloque el tapón con el tubo en forma de U invertida. A medida que disminuya la temperatura del vapor observe que el mercurio asciende por el tubo en U lo cual indica que la tensión del vapor está descendiendo. Mediante un calentador lleve el líquido al punto de ebullición y manténgalo en esas condiciones hasta desalojar todo el aire contenido en el matraz y en el tubo. 2.Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica Equipo Armado Tubo en forma de U invertido Termómetro Tapón bihoradado Matraz con agua Mechero Bunsen Varilla de Acero Tubo de ensayo con Mercurio Base Leybold Procedimiento 1. aunque su punto de ebullición es 100ºC. el líquido debe estar más frío. Por lo tanto absorbe energía de sus alrededores hasta que vuelve al equilibrio térmico. En este punto. Es necesario hablar en términos del promedio ya que hay una gama enorme de energías cinéticas para estas partículas. La temperatura de un sistema depende de la energía cinética media de sus partículas. el sistema se dice está en equilibrio. Figura: Energía cinética y presión de vapor A temperaturas muy por debajo del punto ebullición. en un envase abierto. la energía cinética media del líquido disminuye. El espacio sobre el líquido se satura con el vapor de agua. se evapora de un envase abierto en la temperatura ambiente (20ºC). algunas de las moléculas de agua logran tener nuevamente bastante energía para escaparse del líquido. algunas de las partículas se mueven tan rápidamente que pueden escaparse del líquido. Cuando sucede esto. Pero tan pronto como suceda esto. En un envase cerrado algunas de las moléculas se escapan de la superficie del líquido para formar un gas como se muestra en la figura. por ejemplo. este proceso continúa hasta que toda el agua se evapora. El agua. La tasa a la cual el líquido se evapora para formar un gas llega a ser eventualmente igual a la tasa a la cual el gas se condensa para formar líquido. y no se evapora 7 . Podemos explicar esto con el diagrama de la figura. Consecuentemente. Así.Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA Presión de vapor Un líquido no tiene que ser calentado a su punto de ebullición antes de que pueda convertirse en un gas. Como se puede ver en la figura la energía cinética contra el número de moléculas. Consecuentemente. En la situación de 8 . la presión del vapor de un líquido también aumenta con la temperatura. la fracción de las moléculas que tienen bastante energía para escaparse del líquido aumenta con la temperatura del líquido. Figura: La presión del vapor de un líquido es literalmente la presión del gas (o del vapor) que recoge sobre el líquido en un envase cerrado a una temperatura dada. La presión del vapor de agua en un envase cerrado en el equilibrio se llama la presión del vapor. su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas. La teoría molecular cinética sugiere que la presión del vapor de un líquido depende de su temperatura. Figura: Vapor de presión para el Agua La figura muestra que la relación entre la presión de vapor y la temperatura no es lineal. La presión de vapor o más comúnmente presión de saturación es la presión a la que a cada temperatura las fases líquida y vapor se encuentran en equilibrio. La presión del vapor del agua se incrementa más rápidamente que la temperatura del sistema.Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica más agua. se habrá alcanzado la presión máxima posible en la ampolla (presión de vapor o de saturación). en el interior de la ampolla se va incrementando también la velocidad de condensación. pero de poca profundidad. sin embargo. Imaginemos una ampolla de cristal en la que se ha realizado el vacío y que se mantiene a una temperatura constante. el equilibrio se alcanza en ambos casos para igual presión. que no podrá superarse salvo que se incremente la temperatura. las fases reciben la denominación de líquido saturado y vapor saturado. Llegado este punto. la presión de vapor a una temperatura dada es tanto menor cuanto mayor es el peso molecular del líquido.Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica equilibrio. pues así se favorece la evaporación del líquido. que contenga igual cantidad de agua. perderán energía y caerán al líquido (condensación). pero de mayor profundidad. a medida que la cantidad de vapor aumenta y por tanto la presión. hasta que. ambas velocidades se igualan. ya que no hay vapor. 9 . 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. del mismo modo que un charco de agua extensa. en general. entre líquidos de naturaleza similar. El factor más importante que determina el valor de la presión de saturación es la propia naturaleza del líquido. Las moléculas de la superficie del líquido que tengan una mayor energía escaparán de la superficie y pasarán a la fase vapor (evaporación) mientras que las moléculas del vapor chocarán con las paredes de la ampolla y entre sí. El equilibrio se alcanzará más rápidamente cuanta mayor sea la superficie de contacto entre el líquido y el vapor. Inicialmente sólo se produce la evaporación. de modo que. transcurrido un cierto tiempo. se seca más rápido que uno más pequeño. Sin embargo. Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica HOJA DE DATOS 10 . 136 48628. obtendremos una tabla de presiones de vapor para distintas temperaturas.1 28055.5 33.455 44212.115 31924. T (K) 371 366 361 356 351 346 341 336 PV (Pa) 79559.5 Hallando la Presión de vapor saturado a cada temperatura: Sabemos que 76 cm de Hg <> 1ATM y 1034 cm de H2O <>1 ATM.2 48.3 54.05 35175.646 56184.5 10.5 9 10 10.2 hH20 (cm) 5 7 8 7.036 11 .3 39 42.Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica CÁLCULOS OPERACIONALES La siguiente tabla muestra los datos recolectados en el laboratorio: T (°C) 98 93 88 83 78 73 68 63 hHg (cm) 16 25. hallando las equivalencias con respecto a este dato.29 66688.9 51. 4681 10.0027 0.0027 0.9364 10.0029 0. de vapor saturado (PV) 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 330 335 340 345 350 355 360 365 370 375 Temperatura (T) Utilizamos la fórmula: Simplificando: Tomando la estructura de la ecuación anterior como una ecuación de recta: Y = b + aX Tal que: a=- .0030 12 . Y = Ln(Pv) y X = 1/T Entonces.2419 1/T 0.0029 0.0028 0. b = LnPO .Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica T Vs.6968 10. PV 90000 P.3711 10.0028 0. evaluando los datos “X” y “Y”: Ln(PV) 11.7920 10.0028 0.2843 11.1078 10. Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica Realizando la gráfica correspondiente: 1/T Vs.26986 % error 1.45462 44212.0027 0.27669 PV REAL (atm) 0.78464 0.8000 10. Ln(PV) 11.43603 0.03647 PV EXP.55411 0.0029 0.34140 13 . (Pa) 79559.31485 0.66538 0.34691 0.0028 0.11550 31924.31713 0.13560 48628.37095 0.47959 0.38395 1.0027 0.20232 0.11160 0.06491 0.21552 1.57842 0.9909 1/T Hallando los valores e interpolando la recta: T (K) 371 366 361 356 351 346 341 336 PV EXP.2000 10.4000 11.65770 0.4000 10.43198 0. (atm) 0.0030 0.11441 0.6000 10.0000 0.2000 11.04955 35175.212 R² = 0.28975 66688.0030 Ln(PV) = -3699(1/T) + 21.0028 0.10047 28055.0029 0.0000 Ln(PV) 10.64565 56184.50089 0.76241 0.20288 1. Observamos el efecto del equilibrio dinámico que se produce entre la fase liquida y de vapor. esto debido a una fuerza desconocida que empuja al mercurio dentro de tubo en u. de manera aproximada. Comprobamos las asombrosas propiedades que presenta el mercurio y comprendimos las consecuencias de su incorrecta manipulación. verificamos que la ecuación para determinar la presión de vapor saturado es más acertada a temperaturas cercanas a la de la ebullición. Se observa que este desnivel es casi constante en un determinado tiempo. Verificamos que a medida que disminuye la temperatura la presión de vapor saturado también disminuye. en el extremo final del tubo en forma de u invertida esto genera un desnivel en el tubo de ensayo.Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica OBSERVACIONES Se puede observar que al llegar a la temperatura de 98 grados centígrados. Se pudo observar que en el tubo de ensayo se nos dio se encontró agua junto con el mercurio. Comprobamos que el logaritmo neperiano de la presión de vapor saturado varía linealmente con la inversa de la temperatura. Comprobamos los fundamentos de la teoría cinética molecular con respecto al movimiento molecular (choques. Analizamos la influencia de un vapor que ha saturado un espacio. pero cambia cuando el termómetro registra un cambio de temperatura. ocurre la vaporización. Concluimos que a una temperatura muy alta y se origina una enorme presión de vapor saturado. lo que produce un ascenso de mercurio en el tubo en u. luego de colocar el tubo de ensayo con el mercurio. con la temperatura. pero al realizar las pruebas de medición se pudo notar que la altura de la columna de agua no cambiaba. CONCLUSIONES Comprendimos los principios de la experiencia de Torriccelli. 14 .presión) y la temperatura. Se ha observado que la altura de la columna del mercurio varía proporcionalmente conforme disminuye la temperatura. Según los cálculos. cosa que no ocurría con el mercurio que si tenía un cambio de altura con respecto a la anterior medida. al descender genera una diferencia de presiones que es equilibrada con al ascenso del mercurio y el agua del tubo de ensayo.todo esto sucede cuando la temperatura disminuye. porque si se 15 . En el marco teórico se afirmó que a medida que la temperatura aumenta esta aumenta la cantidad de energía cinética y el número de moléculas que efectúan presión dentro del tubo en U. Debido al poco mercurio proporcionado en el laboratorio se decidió tomar variaciones más pequeñas de temperatura.2% como máximo). El mercurio asciende por el tubo de u debido a que la presión de la atmosfera supera a medida que pasa el tiempo y disminuye la temperatura. Asimismo podemos concluir que si hubiera otros líquidos encima del mercurio que tuvieran menores densidades estas subirían en el análisis pero no influiría en el cambio de las propiedades y características deducidas en este experimento. El agua que se encontraba encima del mercurio antes de ser colocado en el tubo en un solo ayudaba a compensar la diferencia de presiones. dentro del tubo en la temperatura empieza a disminuir lo que ocasiona que la presión de vapor desciende. de modo que si hay más temperatura hay más presión y si hay menos temperatura habrá menos presión. que la presión varia proporcionalmente de acuerdo a la temperatura. a la presión de vapor que se encuentra en el interior del tubo en u. reflejándose y comprobándose en el porcentaje de error. se puede comprobar y concluir que esto es cierto.Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica Esta fuerza que empuja al mercurio es la presión que ejerce la atmósfera hacia el mercurio que tiene contacto con él. Esta variación de la altura del mercurio se basa en el principio de los vasos comunicantes . así podemos afirmar que a mayor altura de mercurio dentro del tubo en u. puesto que al tomar los datos esta altura era constante y se pudo comprobar que era solo un factor de ayuda. asimismo esto revela lo mencionado en el marco teórico. así concluimos que la fuerza desconocida es el resultado de las diferencias de presiones. variando en un porcentaje muy pequeño que científicamente es muy aceptable(1. La temperatura modifica la presión de vapor del agua esto debido a que guardan una relación proporcional. Así. Se concluye que la ecuación presentada en el marco teórico refleja muy aproximadamente la realidad y el comportamiento de la presión de vapor del agua. es porque la presión de vapor ha disminuido por lo que la atmosfera genera mayor presión lo que aumenta la altura del mercurio . comprobándose lo antes mencionado en el marco teórico. La llama del mechero debe ser de color azul y no amarilla ya que. 100 C0). Tratar de que el tubo de ensayo en forma de U toque el fondo de tubo de ensayo ya que si no. 16 . saltaran gotas que nos pueden hacer un daño en la piel. Verificar que el matraz este bien tapado al momento de calentar porque si no. podemos concluir que la presión varia exponencialmente . en cambio. el de llama azul no.Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica tomaba mayores valores el mercurio podría subir por el tubo en u. se evaporara (esto es mortífero si lo inhalas) y además.tubo de ensayo. en el segundo caso hace que se forme hollín en el matraz. se obtendrían unas mediciones erróneas con la altura del agua y del mercurio por la entrada del aire en el matraz. y también exponencialmente en la gráfica “Pv vs T” RECOMENDACIONES Tener cuidado con el mercurio ya que es un líquido de con alta densidad y resulta muy toxico para el hombre. según lo comprobado en los cálculos realizados. En líneas generales al analizar la diferencia de presiones en el sistema tubo en u. Se debe calentar el agua de matraz una temperatura aproximada al de la vaporización (aprox. comenzara a calentar el mercurio entonces. además se establece una relación directamente proporcional según las gráficas halladas de “ln (P) vs 1/T”. Ser cauteloso al momento de conectar el tubo en forma de U con el tubo de ensayo que contiene el mercurio. dificultando y echando a perder todo el experimento. Young. Mc Graw Hill Interamericana de España S.Volumen I. 1997. Sears. 17 . Mc Graw Hill Interamericana de México S. Serway. onceava edición. I. Addison Wesley Longman de México S. de C. España. Física. Sexta edición. Facultad de Ciencias 2004. de C. Tomo I. 3) Raymond A. Freedman.V. Manual de Laboratorio de Física General. Roger A. Mark W.A. 1998. Física Universitaria . Textos de consulta: 1) Ferdinand P. Hugh D.Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica BIBLIOGRAFÍA Facultad de Ciencias – UNI. E.A. México.V. Russell Johnston Jr. Madrid. Beer. Cap. tercera edición. 2) Francis W. México.A. Mecánica Vectorial para Ingenieros: Dinámica (Tomo II).. Zemansky.