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En esta práctica se estudió el comportamiento de una sustancia pura en este caso
el agua, mediante la colocación previa del equipo de manera adecuada, se buscó
generar un vacío en el sistema al hacer esto observamos la diferencia de nivel que
había entre las columnas, posteriorment...

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INDICE 1. INTRODUCCION 2. METODOLOGIA Y DESARROLLO EXPERIMENTAL. 2.1 MATERIALES Y EQUIPOS. 2.2 DIAGRAMA DE BLOQUES O ESQUEMA GENERAL DE TRABAJO. 2.3 METODOLOGIA 2.4 DISEÑO DE EXPERIMENTOS. 2.5 DATOS EXPERIMETALES 2.6 SECUENCIA DE CALCULOS. 3.- RESULTADOS 3.1 CALCULOS. 4.- CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES. 5.- REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS. 6.- CUESTIONARIO.

Practica no.1 “Equilibrio de fases para sustancias puras”

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Equilibrio de fases para sustancias puras RESUMEN

En esta práctica se estudió el comportamiento de una sustancia pura en este caso el agua, mediante la colocación previa del equipo de manera adecuada, se buscó generar un vacío en el sistema al hacer esto observamos la diferencia de nivel que había entre las columnas, posteriormente con la ayuda de la parrilla de calentamiento y un matraz se puso a calentar el agua a una temperatura de 250 C esperando a llegar al punto de ebullición del agua se tomarían las temperaturas y presiones haciendo uso del termómetro para la temperatura y el manómetro de mercurio para la presión dándonos mmHg, posteriormente con el uso de la válvula reguladora se cambiaría la presión del sistema ya que la válvula permitiría la entrada de aire al mismo, con esto esperaríamos nuevamente a que se llegara al punto de ebullición aunque con menos tiempo que la primera lectura este procedimiento de inyectar aire al sistema se repetiría 10 vez para permitir tomar 10 lecturas de datos.

OBJETIVOS • • • • •

Determinar las condiciones de equilibrio para sustancias puras. Calcular los calores de vaporización y sublimación de sustancias puras Estimar el punto Triple de una sustancia pura Verificar la validez de la coacción del que la ecuación de Claussius Clapeyron. Determinar la entalpía de vaporización del agua

1

Practica no.1 “Equilibrio de fases para sustancias puras”

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1.- INTRODUCCION

“EQUILIBRIO DE FASES PARA SUSTANCIAS PURAS.”

Comenzaremos por definir que es una sustancia pura es toda sustancia que tiene su composición química homogénea e invariante Ejemplo: el agua, el nitrógeno, el oxígeno, el amoníaco y muchos más. La sustancia pura puede presentarse en distintas fases: sólido, líquido y gaseosa. Dependiendo de los valores de presión y temperatura una sustancia puede estar como sólido, líquido o vapor o presentarse en dos o tres fases a la vez. Ahora definiremos un cambio de fase el cual se refiere a situaciones en la naturaleza en que dos fases de una sustancia pura coexisten en equilibrio. El agua existe como líquido y vapor este es un ejemplo de nuestro experimento ya que en el matraz donde se contenía el agua coexistía de esa manera1. El agua sólida o hielo a la temperatura y presión normales del ambiente comienza su proceso de condensación. A pesar de que todas las fases de las sustancias son importantes, solo se estudiarán las fases líquido y vapor y su mezcla. En el estudio de la sustancia pura se toma como ejemplo el agua por ser una sustancia muy familiar. Las sustancias puras más usuales en termodinámica H 2O, N2, CH4, C4H10, CF3CH2F, CO2. El agua, que en este caso fue la sustancia pura de trabajo es la única sustancia que se presenta en la naturaleza en los tres estados: sólido (hielo), líquido (agua) y gas (vapor)2. El agua, limpia (disuelve y arrastra la suciedad), y es limpia (pura, sin mezcla de otra cosa. Además de las múltiples aplicaciones técnicas, el agua es el medio en el que se desarrolla toda la materia viva.

1

Ingeniería Termodinámica, J. B. Jones y R. E. Dugan,2Prentice Hall, Primera Edición, 1997

2

Serie Schaum Termodinámica, McGraw-Hill, M. M. Abbott y H. C. van Ness.

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En un diagrama P vs T se muestran las condiciones de P y T donde las fases son estables y los puntos donde hay transición de fase (Fig. 1)

Fig.1 diagrama P vs T.

En esta práctica usamos la ecuación de clapeyron la cual nos permite calcular la pendiente de la línea de equilibrio dP/dT a cualquier valor de P, T. Es importante resaltar que la ecuación de Clausius-Clapeyron sólo es aplicable para obtener la presión de vapor de un sólido o un líquido a una cierta temperatura, conocido otro punto de equilibrio entre las fases. Esto es así porque para llegar a esta expresión desde la ec. de Clapeyron se hace la aproximación de despreciar el volumen molar del sólido o del líquido frente al del gas, que además se supone de comportamiento ideal3. Si se representa el logaritmo de la presión de vapor, lnp v en función del inverso de la temperatura absoluta, 1/T, los puntos experimentales se ajustan muy bien a una recta que fue lo que nosotros desarrollamos en la práctica cuando medimos la presión de vapor de un líquido en este caso agua a diferentes temperaturas, se midió la temperatura de ebullición de un líquido a diferentes presiones: al graficar los datos calculados p versus t, la gráfica resultante se llama curva de presión de vapor o curva de vaporización y es la curva que en el diagrama de fases de una sustancia pura corresponde a la línea que divide la región en la que la sustancia existe como vapor4.

3 4

3 Mc Graw Hill. 2009. Termodinámica. Y, A. Cengel, M, A. Boles. Sexta Edición. Termodinámica General, M. W. Zemansky y R. H. Dittman

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2.- METODOLOGIA Y DESARROLLO EXPERIMENTAL.

2.1 MATERIALES Y EQUIPOS. Por medio de este material instalado como se muestran en las siguientes imágenes (fig. 1 y fig.2). Tabla 1 Material y Equipo. 1.-Termometro de 0°C – 100°C 8.- Pinzas de tres dedos 2.-Hervidor (matraz de fondo plano)

9.- Regla de 60 cm

3.- Parrilla de calentamiento con agitación magnética

10.- Manómetro de mercurio

4.- Soporte universal

11.- Bomba de vacío

5.- Refrigerante

12.- Trampa de vacío

6.- Recirculación

13.- Mangueras de látex

7.- Tapones de hule

14.- Agua Destilada

7

4 10

8

9 11

12

Fig.2 material de equipo instalado

4

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6

1 13 2

14

3

Fig.3 material de equipo instalado

2.2 DIAGRAMA DE BLOQUES O ESQUEMA GENERAL DE TRABAJO.

Verificación de equipo instalado

Repetir los pasos 6, 7y8

Encender la bomba al vacío.

Cambiar de presión con válvula reguladora

5

Ebullicion del liquido

Tomar datos experimentales.

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2.3 METODOLOGIA

Verificación de equipo instalado: Tener colocado sobre la parrilla de calentamiento el matraz de fondo plano el cual deberá de estar conectado a un condensador el cual hace la recirculación del agua, en la trampa de vacío conectada a una llave de paso y otras tres mangueras donde conectaba a la bomba de vacio, al recirculado, al manómetro y al refrigerante. Encender bomba al vacío: Colocar la bomba de vacío a su máxima capacidad y observar la diferencia de los niveles en el manómetro. Ebullición del líquido: En el matraz de fondo plano colocar agua destilada la cual se comenzará a ebullición por medio de la parrilla de calentamiento, cuidando de que equipo no se caliente excesivamente por medio de una agitación esperar que la presión y temperatura sean constantes. Toma de datos experimentales: Realizar la anotación de los datos experimentales de presión y temperatura respectivamente. Cambio de presión (válvula reguladora): Por medio de la inyección aire y utilizando la válvula reguladora ir cambiando la presión del sistema. Repetir pasos 5, 6 y 7: Repetir los pasos para obtener los otros 9 valores experimentales a diferentes temperaturas y presiones.

6

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2.4 DISEÑO DE EXPERIMENTOS. A continuación, se muestra analizada en ebullición, a Temperatura y Presión constante. Tabla 2 DISEÑO DE EXPERIMENTOS.

MUESTRA

TEMPERATURA

AGUA EN EBULLICIÓN A TEMPERATURA Y PRESION CONSTANTE.

1

°C

59 61 62 70 75 78 81 82 83 86

2.5 DATOS EXPERIMETALES En la siguiente tabla se registran los datos obtenidos para cada una de las temperaturas. Tabla 3 DATOS EXPERIMENTALES. N°

TEMPERATURA °C

PRESION MANOMETRICA mmHg

TEMPERETURA K

PRESION ABSOLUTA mmHg

Ln P

1/T (X103)

1

54

485

327.15

101

4.6151

3.0567x10-3

2

59

438

332.15

148

4.9972

3.0106x10-3

3

62

385

335.15

200

5.2983

2.9837x10-3

4

70

343

343.15

242

5. 4889

2.9141x10-3

5

75

298

348.15

287

5.6594

2.8723x10-3

6

78

254

351.15

331

5.8021

2.8477x10-3

7

81

219

354.15

336

5.8171

2.8236x10-3

8

82

212

355.15

373

5.9215

2.8157x10-3

9

83

171

356.15

414

6.0258

2.8078x10-3

10

86

12.5

359.15

460

6.1312

2.7843x10-3

11

92

0

365.15

585

6.3716

2.7386x10-3

7

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Para realizar los cálculos necesarios en esta práctica también fueron de utilidad datos teóricos ya establecidos que son los siguientes. Datos necesarios para cálculos (teóricos). -Se muestran a continuación. •

Presión en el punto triple: PPT= 611.73 Pa = 4.5884 mmHg

•

Temperatura en el punto triple del agua: TPT= 273.15 k

•

Constante de los gases ideales. R= 8.314 J/mol K

2.6 SECUENCIA DE CALCULOS. 1. Con los datos de presión y temperatura obtenidos experimentalmente calcular la temperatura en K y la presión absoluta. 𝑇(𝐾) = 𝑇(°𝐶 ) + 273 .15 𝑃𝑎𝑏𝑠 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 − 𝑃𝑚𝑎𝑛 2. Con la presión absoluta y la temperatura en K calcular el “ln(P)” y 1/T 3. Con estos nuevos datos y mediante una regresión lineal obtener la ecuación de la recta, la regresión lineal se realiza con la calculadora con el siguiente procedimiento. Mode ➔ stat ➔2 ➔ ➔ 5 ➔

(Reg) ➔1

(A+Bx)➔colocar datos ➔pr AC ar

(A) =

shift

5➔

shift ➔

(R 2 ➔

1

=B)

4. Comparamos las ecuaciones de La recta con la de Clausius-Clapeyron y obtenemos lo siguiente. 𝑌 = 𝑚 𝑥 + 𝑏 −∆𝐻𝑣𝑎𝑝 1 ln(𝑃) = ∗ +𝐶 𝑅 𝑇 8

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5. Al hacer la regresión obtenemos los valores de m y b, si igualamos “m” con equivalencia en la ecuación de Clausius-Clapeyron, y calculamos la ∆Hvap experimental. −∆𝐻 𝑣𝑎𝑝 𝑚= 𝑅 ∆𝐻𝑣𝑎𝑝 = −(𝑚 ∗ 𝑅) 6. Graficamos la zona de vaporación 7. Con los valores teóricos de ∆Hfusión , ∆Hsub , PPT y TpT calculamos la “C” para la zona de fusión despejando de la ecuación de Clausius-Clapeyron. ∆𝐻 𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛 𝐶 = ln(𝑃) + 𝑅𝑇

8. Una vez obtenida la “C” calculamos las presiones en la zona de fusión aumentando para cada calculo 10° la temperatura del punto triple P = 𝐸𝑥𝑝 (

−∆𝐻𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛 + 𝐶) 𝑅𝑇

9. Graficamos la zona de fusión 10. De la misma manera para la zona de sublimación calculamos “C” y las presiones, pero ahora disminuyendo la temperatura 10° por debajo del punto triple. 11. Graficamos la zona de sublimación

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3.- RESULTADOS 3.1 CALCULOS. Realizando la regresión lineal de los datos experimentales se obtuvo: Regresión lineal b= 20.1097; m= -5025.35 𝑦 = −5025.35x + 20.1097

Grafica No. 1 Ln(P) vs 1/T

ln(P)

6.5 6.4 6.3 6.2 6.1 6 5.9 5.8 5.7 5.6 0.00272 0.00274 0.00276 0.00278 0.0028 0.00282 0.00284 0.00286 0.00288 1/T

De la comparación de la ecuación de Clausius-Clapeyron con la ecuación de la recta.

𝑅 = 8.314

𝐽 𝑚𝑜𝑙 𝐾

𝑚=

∆𝐻𝑣𝑎𝑝 = −𝑚(𝑅) = − (−5025.35 ∗ 8.314 Grafica de la zona de vaporación

−∆𝐻 𝑣𝑎𝑝 𝑅

𝐽 𝐽 ) = 41780 .7599 𝑚𝑜𝑙 𝐾 𝑚𝑜𝑙

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Grafica No. 2 "Presión vs Temperatura" 700

Presión (mmHg)

600 500 400 300 200 100 0 325

330

335

340

345

350

355

360

365

370

Temperatura (K)

Datos teóricos para calcular los datos necesarios para las zonas de fusión y sublimación. Presión en el punto triple. PPT = 611.73 Pa = 4.5884 mmHg. Temperatura en el punto triple. TPT = 0.01 °C = 273.16 K Contante universal de los gases ideales R= 8.314 J/mol*K ∆Hfus = 334000 J/Kg = 18555.56 J/mol. ∆Hsub = 18555.56 + 41780.7599 = 60336.3199 J/mol

Calcular la “C” para la zona de Fusión con datos del punto triple y la ∆𝐻 𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛 teórica 𝐶 = ln(4.5884 mmHg. ) + 𝑃1 = 𝐸𝑥𝑝 (−

18555.56 J/mol = 9.694 (8.314 J/mol ∗ K)(273.16 K)

18555.56

(8.314

P2 = 8.0119 mmHg.

𝐽 𝑚𝑜𝑙

+ 9.694) = 6.1231 𝑚𝑚𝐻𝑔. J (283 ) .16 K) 𝑚𝑜𝑙 𝐾

P3 = 10.9921 mmHg. 11

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P4 = 13.0286 mmHg. P5 = 16.2433 mmHg. P6 = 19.9849 mmHg. P7 = 24.2932 mmHg. P8 = 29.2055 mmHg. P9 = 34.7568 mmHg. P10 = 40.9792 mmHg. P11= 47.9022 mmHg. Grafica de la zona de fusión.

Grafica No. 3 "Curva de Coexistencia" Zona de fusión Presión (mmHg)

50 40 30 20 10 0 250

270

290

310

330

350

370

Temperatura(K)

∆Hsub = 60336.3199 J/mol 𝐶 = ln(4.5884 mmHg. ) + 𝑃1 = 𝐸𝑥𝑝 (−

60336.3199 J/mol = 28.0910 (8.314 J/mol ∗ K)(273.16 K)

60336.3199 J/mol + 28.0910) = 1.6717 𝑚𝑚𝐻𝑔. (8.314 J/mol ∗ K)( 263.16 K)

P2 = 0.5624 mmHg. P3 = 0.1730 mmHg.

P4 = 0.04810 mmHg. 12

390

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P5 = 0.01192 mmHg. P6 = 0.002593 mmHg. P7 = 4.853x10-4 mmHg. P8 = 7.6371x10-5 mmHg. P9 = 9.8192x10-6 mmHg. P10 = 9.9617x10-7 mmHg.

Grafica No.4 "Curva de Coexistencia" Zona de sublimación 10 presión (mmHg)

1 0.1 0.01 0.001

0.0001 0.00001 0.000001 150

170

190

210

230

250

270

290

Temperatura (K)

Grafica No. 5 "Diagrama de fases para el agua en CDMX" Presion (mmHg)

100 1 0.01 0.0001 0.000001 150

200

250 300 Temperatura (K) vaporación

sublimación

13

350 fusión

400

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4.- CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES. Observaciones generales del equipo: En esta práctica se estudió los cambios de temperatura y presión en el agua ya que es una sustancia pura se puede obtener más fácilmente los valores por medio de una trampa de vacío al hacer hervir el agua se observó que a una presión menor a la atmosférica hierve y al hacer entrar más aire esta temperatura va aumentando y la presión va bajando para el caso de evaporar el agua y al hacer que entre todo el aire se observó que la temperatura hierve a la estimada en la ciudad de México 92°C. Conclusiones individuales:

➢ González Fiallega Jesús Antonio Se obtuvo por medio experimental la entropía de vapor por medio de las temperaturas de ebullición a diferentes presiones utilizando la ecuación de Claussius-Claperyon la cual nos mostró que al grafica se obtienen valores que mediante mayor temperatura menor presión, así se comprobó el objetivo es válida la ecuación de Claussius – Claperyon ya que nos demostró que podemos obtener los valores de entropía de vaporización y fusión con ayuda datos teóricos y las condiciones de temperatura en el punto triple que es el punto de equilibrio del agua que nos mostró los puntos de equilibrio del agua que es una sustancia pura. ➢ González Ortega Luis Ángel. El la practica número 1 de laboratorio de termodinámica del equilibrio de fases con base en lo observado y en los resultados obtenidos podemos decir que: -

Se determinaron las condiciones de equilibrio para una sustancia pura Y a partir de estos se grafico un diagrama de fases.

-

En base a datos experimentales se calculo la entalpía de vaporación del agua como susutacia pura.

-

Y con esa entalpía se calcucularon los calores de vaporación y sublimación del agua, como sustancia pura.

-

Y con la ecuacion de Clausius-Clapeyron se calcularon las presiones para la zona de fusión y vaporacion en sus respectivas curvas de coexistencias y de esta manera validando su aplicabilidad en los cambios de fase de sustancias puras.

➢ Jiménez Galván Isela Monserrat. 14

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Por medio de esta práctica se utilizó la ecuación de Clapeyron en donde nos permitió calcular la pendiente de una línea de equilibrio entre dos fases obteniendo experimentalmente en la fase de líquido-vapor y obteniendo las otras dos fases por medio de cálculos. Mediante los cálculos se pudo notar que en la fase de líquidovapor, tanto su ∆H como su ∆V son positivos y al ser positivos la pendiente de esta línea de equilibrio nos dio positiva. La ecuación de Clausius-Clapeyron solamente es aplicable para poder obtener la presión de vapor de un sólido o líquido a una cierta temperatura, ya sea al conocer uno de los puntos de equilibrio en esas fases, ya que se hace una aproximación por medio de esta ecuación. En conclusión, en la ecuación de Clausius-Clapeyron la presión de vapor de un líquido va aumentar con la temperatura y disminuye con la entalpia de vaporización siendo un cambio de entropía al momento de pasar de un estado a otro.

➢ Martínez Martínez Víctor David. Con base en la realización de la practica numero 1 además de la teoría aprendida en clase acerca del equilibrio entre fases de una sustancia pura que para el caso de esta práctica fue agua, midiendo las diferentes temperaturas y presiones que se obtuvieron se pudo entender mejor el concepto que para que exista el equilibrio entre fases va a depender directamente de estos 2 ya antes mencionados factores como ejemplo podría ser la ebullición que observamos para poder medir las temperaturas y presiones puesto que para que se lleve a cabo la ebullición depende de la temperatura y la presión, si aumenta la presión también lo deberá hacer la temperatura ...