LABO 6 Fisica 2 Presion de Vapor Saturado

UNIVERSIDAD NACIONAL DEINGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA INFORME DE LABORATORIO Nº6: PRESIÓN DE VAPOR SATURADO INTEGRANTES: CUYA HUARAJO GERSON MICHAEL 20152119E ASTOQUILLCA AGUILAR PAUL FERMIN 20152030D MOGROVEJO-YSUHUAYLAS-AGUSTIN EUSEBIO 20150261I CURSO: FÍSICA II SECCION: F FECHA: 30/11/15 PROFESOR: EXPERIMENTO: DARIO VASQUEZ 23/11/15 0 INDICE  RESUMEN……………………………………………………………………………………2  ANTECEDENTE EXPERIMENTAL …………………………….…..……......................…4  FUNDAMENTO TEORICO………………………….............................................................8  PARTE EXPERIMENTAL ……………………………………………………………9  CALCULOS Y RESULTADOS …………………………………………………..…..…….12  CONCLUSIONES…………………………............................................................................16  RECOMENDACIONES……………………………………………….………..…………....17  BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………..……....17 1 RESUMEN En este laboratorio “presión de vapor” usaremos el mercurio como elemento básico para medir la presión de vapor de agua a diferentes temperaturas para ello el mercurio estará conectada en un tubo en forma de “U” y este en un matraz con un termómetro cerrado herméticamente y un mechero Bunsen en llama no luminosa calentara el agua en el matraz. Luego en el matraz habrá escape del aire y ese vacío será copado por el vapor de agua y es en estos instantes que se tomara medidas de la presión de vapor del agua. En estas mediciones se medirá el incremento de la altura del mercurio por cada 5 grados de variación (grados centígrados) , desde 100 hasta 70 grados centígrados. Al finalizar dicho experimento concluimos que la presión de vapor de una sustancia depende solamente de la temperatura Palabra clave: - PRESION - HERMETICAMENTE - VACIO 2 PRESION DE VAPOR SATURADO 1. ANTECEDENTE EXPERIMENTAL [1] 3 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Y MATERIAL  Una base de leybold grande  Una varilla de acero  Tres pinzas (para sujetar el matraz, el mechero, el tubo de ensayo con mercurio)  Un tubo de ensayo conteniendo mercurio  Un mechero bunsen  Un tubo en forma de “U”  Un manguera (permite el escape del aire)  Un matraz con agua con su tapón respectivo (ver imagen)  Un termómetro  una regla graduada  un fosforo PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL   El tubo de ensayo que contiene mercurio se desalojara el agua cuidadosamente Sujetar el brazo de agarre a una distancia prudente del tubo de ensayo. Para esto se hace una muestra previa de como iria el tubo de ensayo luego de colocarlo en la boca del tubo en forma de “U” 4     Echar agua en el matraz y debe estar a una distancia prudente del bulbo del termómetro Conectar la manguera de gas del mechero bunsen Encender el mechero bunsen cuidadosamente Cerrar el matraz con el tapón (en el laboratorio se entrega este tapón y esta adherido al termómetro  y a una manguera de escape de aire) El ver que el termómetro llego a una temperatura de 100 °C apagar el mechero y al instante colocar el tubo de ensayo con mercurio, también cerrar la manguera de escape de aire instantáneamente  Percatarse que no haya fuga de vapor de agua ni entrada de aire  Esperar que el mercurio ascienda y por cada 5°C de descenso de la temperatura medir el ascenso del mercurio con la regla graduada CALCULOS Y RESULTADOS Con los datos tomados se procederá a calcular las presiones de vapor para cada temperatura. Tomando como unidad de presión a mmHg. T (°C) mmHg 100 95 90 85 80 75 70 65 760 635 530 440 370 325 278 237 5 800 f(x) = 26.96 exp( 0.03 x ) R² = 1 700 600 500 400 300 200 100 0 60 65 70 75 80 85 90 Luego se procederá a calcular el α para cada valor de Temperatura. Con la formula P = P0e-α/T Despejando α de la ecuación anterior α = Tln(P0/P) α (°C) T (°C) 17.07 32.439 40.456 57.585 63.711 70.398 65.741 95 90 85 80 75 70 65 OBSERVACIONES 6 95 100 105   Al incrementar la temperatura del agua (hasta llegar a 100 °C) se liberan burbujas. El calor almacenado por el agua (hasta llegar a 100 °C) es transferido ininterrumpidamente hacia  los medios adyacentes (el mercurio se dilata). El aire escapa en la manguera que está conectada en el matraz luego el vapor de agua ocupa el    volumen dejado por el aire. El espacio libre de aire se satura de vapor de agua. Al descender la temperatura el agua empieza a condensarse. El agua condensada ocupa todo el recorrido del tubo en forma de “U” y se condensa tanta en la   inferior del mercurio como en la parte superior del mercurio. En mercurio empieza a ascender hasta una altura máxima de 52.3cm en la temperatura de 65°C. El α tendrá distintos valores para cada temperatura. CONCLUSIONES  A medida que se incrementa la temperatura, las partículas de vapor de agua adquieren mayor    energía cinética y por ende aumentará la presión de vapor. Al aumentar la presión de vapor, disminuye la masa del líquido y aumenta la densidad de vapor. El α se incrementa a medida que la temperatura disminuye y la presión de vapor disminuye. A medida que disminuye la temperatura, las moléculas de vapor de agua se condensan generando un vacío, incrementándose la altura del Hg para compensar la presión exterior (Presión  atmosférica). En este laboratorio no se pudo analizar obtener los datos requeridos para hallar la presión de vapor de agua a diferentes temperaturas y el α, pues el aire ocupa nuevamente el volumen que había desalojado. RECOMENDACIONES   Se recomienda en este laboratorio un equipo de seguridad ( guantes). Tener en cuenta que la superficie libre del agua en el matraz debe estar a una distancia prudente del bulbo (termómetro) y tener cuidado al empezar a burbujear que no choque con el bulbo. 7  Al momento de colocar el tubo de ensayo con mercurio cerrar rápidamente la manguera para que   no escape el vapor de agua. Todo debe estar herméticamente cerrado para un mejor análisis. Para una mayor precisión del cálculo de α, se debe tomar en cuenta la presión que ejerce el agua al condensarse encima del mercurio. LIMITACIONES Y CONSIDERACIONES DEL ENSAYO DEL EXPERIMENTO DE LABORATORIO    El tapón del matraz no cerraba herméticamente y dejaba escapar vapor de agua. No se consideró la presión del líquido sobre el mercurio al momento de condensarse. Los datos obtenidos se recogieron de otros compañeros. BIBLIOGRAFIA  YUNUS A CENGEL. MICHAEL A. BOLES, termodinámica. MG Hill Sexta edición 2009 México  Manual de laboratorio de FISICA general, FACULTAD DE CIENCIAS Experimento N°20. Presión de vapor saturado. 1999.  HUGH P YOUNG, ROGER A FREDMAN, SEARS-SEMANSKY. Física Universitaria. Pearson Edición. México 2009  S BURBANO DE ERCILA, E BURBANO GARCIA, C GRACIA MUÑOZ. Física tomo 2. Vigésima séptima Edición. Alfaomega México. Septiembre 2005  PAUL HEWIT. Física conceptual. Tercera edición. Editorial Addison Wesley Longan. México 1999 2. FUNDAMENTO TEÓRICO [2] La presión de vapor es la presión de la fase gaseosa o vapor de un sólido o un líquido sobre la fase líquida, para una temperatura determinada, en la que la fase líquida y el vapor se encuentra en equilibrio dinámico; su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan 8 ambas. Este fenómeno también lo presentan los sólidos; cuando un sólido pasa al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido (proceso denominado sublimación o el proceso opuesto llamado sublimación inversa) también hablamos de presión de vapor. En la situación de equilibrio, las fases reciben la denominación de líquido saturado y vapor saturado. 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. Inicialmente sólo se produce la evaporación ya que no hay vapor; sin embargo a medida que la cantidad de vapor aumenta y por tanto la presión en el interior de la ampolla, se va incrementando también la velocidad de condensación, hasta que transcurrido un cierto tiempo ambas velocidades se igualan. Llegados a este punto se habrá alcanzado la presión máxima posible en la ampolla (presión de vapor o de saturación) que no podrá superarse salvo que se incremente la temperatura. 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. Por ejemplo, el aire al nivel del mar saturado con vapor de agua a 20º C, tiene una presión parcial de 23 mbar de agua y alrededor de 780 mbar de nitrógeno, 210 mbar de oxígeno y 9 mbar de argón. 9 Fig. . Gráfico de la presión del vapor de agua 3. PARTE EXPERIMENTAL: 1. Llene con agua hasta la mitad del matraz y luego colocar el tapón con el tubo en forma de U invertida, teniendo cuidado que el tubo del termómetro este bastante cerca del líquido pero sin tocarlo. 2. Mediante un calentador lleve el líquido al punto de ebullición y mantenerlo en estas condiciones hasta desalojar todo el aire contenido en el matraz y en el tubo. 3. A continuación introduzca el extremo libre del tubo en U en el interior del tubo de ensayo que continúe una determinada cantidad de mercurio, quitando al mismo tiempo la fuente de calor. Verifique que el extremo inferior del tubo en U llegue al fondo del tubo de ensayo. 4. 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 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. 5. Finalizada la experiencia, recupere el mercurio abriendo lentamente la válvula que hay en el tapón del matraz 10 Fig. . Diferencia de altura del agua a 95ºC Fig. . Diferencia de altura del agua a 90ºC Fig. . Diferencia de altura del agua a 85ºC 11 Fig. . Diferencia de altura del agua a 80ºC Fig. . Diferencia de altura del agua a 75ºC 12 Fig. . Diferencia de altura del agua a 70ºC 4. CALCULOS Y RESULTADOS 1. A partir de la temperatura de ebullición y cada 5®C determine la tensión de vapor que corresponde a diferentes temperaturas durante el enfriamiento. T˚ C T˚ K h ( Hg) cm h (H2O) cm 90 363,15 13 11,5 85 358,15 28 22 80 353,15 35,7 23,6 75 348,15 43,6 23,8 70 343,15 49,2 24 65 338,15 53,2 24,2 60 333,15 58 24,3 13 PRESION 82527.77 Pa 61485.32 Pa 51055.32 Pa 40495.84 Pa 33004.92 Pa 27648.66Pa 21234.89Pa 2. Con los valores obtenidos trace una curva en un sistema de coordenadas rectangulares representado la presión en el eje de coordenadas y la temperatura absoluta en el eje de abscisas. P vs T 90 80 70 60 P vs T 50 40 30 20 10 0 330 335 340 345 350 355 360 365 3. Teóricamente se sabe que la presión y la temperatura en la experiencia realizada están relacionadas por la ecuación 14 P= Po ℮-α/T Para los valores de T cercanos a la ebullición entre 343˚ K y 373˚K aproximadamente. Con los valores de P y T obtenidos experimentalmente determine el valor de α. Patm = P(vapor) + P(cond) + P(Hg) Patm= 1.01x105 Pa Pcond= ρ(H2O)xgxh(H2O) P Hg= ρ(Hg)xgxh(Hg) P( vapor) = 1.01x105 – 103x9.81x h(H2O) – 9.81x(13.6x103)x h(Hg) Entonces: P vapor (363.15˚K)= 82527.77 Pa P vapor (358.15˚K) = 61485.32 Pa P vapor (353.15˚K) = 51055.32 Pa P vapor (348.15˚K) = 40495.84 Pa P vapor (343.15˚K) = 33004.92 Pa Además: α= T. ln(PO/P) 15 α (358.15˚K) = 105.41 α (353.15˚K) = 65.64 α (348.15˚K) = 80.67 α (343.15˚K) = 70.188 Entonces el “α” promedio es: Α = α1+ α2 + α3+ α4/4 = 80.477 6. CONCLUSIONES:  Se establece un equilibrio dinámico, cuando el número de moléculas que se escapan del líquido sea igual (en valor medio) al número de moléculas que se incorporan al mismo. Decimos entonces, que tenemos vapor saturado a la temperatura T y la presión parcial que ejercen las moléculas de vapor a esta temperatura se denomina presión de vapor Pv.  La presión de vapor de una sustancia depende solamente de la temperatura (existiendo una relación exponencial) y no del volumen; esto es, un recipiente que contiene líquido y vapor en equilibrio a una temperatura fija, la presión es independiente de las cantidades relativas de líquido y de vapor presentes.  Para que los datos de la gráfica cumplan la ecuación de Clasius-Clapeyron, es necesario que de cómo resultado al graficar Ln Pv vs 1/T una recta de pendiente negativa. 5. RECOMENDACIONES:  Para obtener datos sin errores considerables es necesario la manguera que está conectada a un tubo del matraz esta cerrada totalmente. 16  Si se continúa calentando el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión de la materia en estado líquido al estado gaseoso.  El tapón de matraz no cerraba herméticamente y dejaba escapar vapor de agua  Al apagar el mechero, la tensión de vapor saturado disminuía y como la presión externa era mayor, succionaba mercurio del tubo de ensayo y conforme el agua iba disminuyendo su temperatura, se incrementaba la columna de mercurio dentro del tubo en U invertido.  Al subir cierto volumen de mercurio por el tubo en U, el volumen del tubo de ensayo fue disminuyendo por lo que se debe tener cuidado al acabarse pues el mercurio sube súbitamente hasta llegar al matraz. Por lo que se debe de estar preparado para abrir la válvula en vez de intentar retirar el tubo de ensayo. 7.- BIBLIOGRAFIA: [1]. https://es.scribd.com/doc/246703634/Presion-de-Vapor-Saturado [2] https://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n_de_vapor [3]YUNUS A CENGEL. MICHAEL A. BOLES, termodinámica. MG Hill Sexta edición 2009 México [4]Manual de laboratorio de FISICA general, FACULTAD DE CIENCIAS .Experimento N°20. Presión de vapor saturado. 1999.-(Se usó para realizar el experimento.) 17