Practica 4- Diagrama DE Fases DE AGUA Y CO2 PDF

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UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ MARÍA ARGUEDASFACULTAD DE INGENIERÍA-ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL

INFORME: Área de aplicación, diagrama de fases del agua y co2 DOCENTE: Mg. Sc. HENRY NORBERTO QUEVEDO GONZALES CURSO: FISICOQUÍMICA CICLO: IV FECHA DE ENTREGA: 18 DE JUNIO 2021 ESTUDIANTE: o JAKELINE ARCOS CASTAÑEDA

-2021-I

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INFORME N°: 4 GUÍA DE LABORATORIO VIRTUAL: ÁREA DE APLICACIÓN DIAGRAMA DE FASES DEL AGUA Y CO2 “La mejor ciencia no se aprende en los libros, el sabio más grande y mejor maestro es la Naturaleza”. Galileo Galilei 1. OBJETIVO  Estudiar el estado en el que se encuentra el agua dependiendo de la presión y de la temperatura.  Obtener algunas consecuencias a partir del diagrama de fases del agua 2. MARCO TEÓRICO •

En termodinámica se denomina diagrama de fase, diagrama de equilibrio de fases o diagrama de estados de la materia, a la representación gráfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia de un sistema, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo. Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado.

•

Son representaciones gráficas de presión vs. temperatura, a las que las fases sólida, líquida y gaseosa de una sustancia existen. En esta representación se incluye la variación de presión de vapor del sólido y del líquido, y la variación de la temperatura de fusión con la presión. (Quiñonez, 2016)

Así mismo, en los diagramas de fases se pueden anticipar las direcciones de las transiciones de las fases producidas por los cambios de temperatura y presión. Si analizamos el diagrama de fase para el agua, H2O, se tiene que, al aumentar la presión por encima de 1 atm, aumenta el punto de ebullición y disminuye el punto de fusión. Por su parte, una disminución en la presión, produce un punto de ebullición menor e incrementa el punto de fusión (Cedrón, Landa & Robles,2011). Por su lado, el diagrama de fase de Co2;

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Las líneas nos representan el estado de equilibrio entre las fases (coexistencia de fases) En ese sentido, para su mayor análisis procedemos a representar el diagrama de fase del agua y Co2.

3. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Mueve el ratón por el diagrama y observa la fase o fases en las que aparece el agua .

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Fuente: Hurtado (2008). Diagrama de fases [Laboratorio virtual]. https://labovirtual.blogspot.com/search/label/Diagrama%20de%20fases%20del%20agua

4. CUESTIONARIO 1.

¿Qué es el punto triple?

Es la combinación de valores de presión y temperatura a los cuales las tres fases coexisten en equilibrio. El punto triple es único para cada sustancia y no pueden ser manipuladas por el observador. La presión del punto triple marca la presión más baja a la cual la sustancia puede existir como líquido, por debajo de ella solamente la fase sólida o la fase gaseosa pueden ser encontradas (Levine, 2008). El agua no es el único elemento en tener un punto triple, pero sí tiene sus particularidades. En la mayoría de sustancias, el valor de este punto triple coincide precisamente con la mínima temperatura a la que la fase líquida existe, pero no así en el agua. En todas las sustancias, sí existe un solo punto triple específico de presión y temperatura donde se produce la coexistencia de las tres fases (Pérez, 2020). 2. ¿Qué es el punto crítico? Indica el valor máximo de temperatura en el que pueden coexistir en equilibrio dos fases. Es decir, representa la temperatura y la presión más altas a la cual un gas y un líquido pueden coexistir en el equilibrio. Más allá de este punto, la materia se presenta como un fluido supercrítico. La temperatura en este punto se llama temperatura crítica y la presión se denomina presión crítica. A temperaturas mayores a la temperatura crítica una sustancia no se puede licuar (pasar de gas a líquido), independientemente de lo elevada que sea la presión (Benites, 2015). 4

El punto crítico es único para cada sustancia y no pueden ser manipuladas por el observador. 3. ¿Cuál es la gran diferencia entre el diagrama de fases del agua y CO 2? En los diagramas de fase mostrados, existe una gran diferencia en la pendiente de la curva entre las fases sólida y líquida: en el caso del agua es negativa, mientras que en el del CO2 (como la mayoría de las sustancias) es positiva (Benites, 2015). Por un lado, la diferencia entre ambas fases es la capacidad de sublimación de la sustancia empleada. Por ejemplo, el agua (hielo) no se puede sublimar a presión normal (1 atm) ya que su punto triple está por debajo de dicho valor (0,00603 atm), a diferencia del CO2 sólido (hielo seco) que si se puede sublimar a presión normal (1 atm) ya que su punto triple está por encima de dicho valor (5,2 atm). (Benites, 2015). 4. Analiza los diagramas de fases del agua y CO 2 (hielo seco) y completa la siguiente tabla.

AGUA Punto

Temperatura (C°)

CO2 Presión

Temperatura

Presión

(Atm)

Triple

0.01

0.006

-56.4

5.2

Crítico

374

218

31.1

73

Normal de ebullición

100

1

-

-

Normal de fusión

0

1

-

-

-50

0.0020

-78

1

Normal de sublimación

5. ¿Puede encontrarse el agua en los tres estados al mismo tiempo? ¿A qué presión y temperatura ocurre? Sí, hay un punto donde el agua es capaz de pasar de sólido a vapor o viceversa. Se trata del denominado como punto triple, una situación donde coexisten en equilibrio los tres estados. Para alcanzar el punto triple del agua, la temperatura de ebullición debe igualarse a la temperatura de congelación. Y ¿cómo se consigue? La respuesta la encontramos en la presión. Con las condiciones adecuadas de temperatura y presión, el agua puede alcanzar el punto triple. 5

A la temperatura de 0,01ºC y con 0.006 atm, el agua puede hervir y congelarse al mismo tiempo. Un efecto que choca radicalmente con lo que observamos en la naturaleza, pero contemplado perfectamente por las leyes de la Termodinámica (Pérez, 2020). 6. La presión en la Luna es muy pequeña, ¿por qué no puede existir agua líquida en la Luna? Por la simple razón de que la luna solo posee una pequeña parte de gravedad terrestre, la cantidad de agua que esta pueda llegar a poseer se evaporaría por completo o flotaría desde hace mucho tiempo en el espacio exterior. En 2009 se descubrió que hay agua en los polos lunares. Pero el agua de la Luna solo existe allí en forma de hielo Por un lado, La Luna no tiene atmósfera, así que la presión en la superficie ronda el valor de 0 atm. Las temperaturas en la Luna son extremas y oscilan entre los -248 °C y los 123 °C, dependiendo del lugar de la superficie en el que te encuentres y de si es de día o de noche. En ese sentido, en la Luna hay una presión demasiado baja para que haya agua líquida. Si realizara un experimento en la Luna sin estar en un entorno presurizado no obtendrías agua líquida. A medida que calentaras las muestras de hielo, este se sublimaría, y el gas se escaparía y te quedarías sin agua. Habría que usar un recipiente o contenedor presurizado y hermético (ESA [Agencia Espacial Europea],2019). 7. Puede hervir el agua a 50ºC ¿Cómo? Se puede hervir el agua a 50°C solamente si la presión es menor a una atmósfera. Nos han enseñado que el agua hierve a 100 ºC, pero esto no es del todo cierto. Solo ocurre así si estamos en ciudades que están al nivel del mar, donde la presión atmosférica es de 1 atmósfera». Cuanto menor sea la presión atmosférica más pequeña será la temperatura de ebullición del agua. Ya que, a sus moléculas, al estar menos presionadas, les cuesta menos moverse y desplazarse y, como consecuencia, la temperatura de ebullición disminuye. Si subimos a los 19.000 metros de altura, el punto de ebullición baja hasta los 37ºC. Por un lado, el agua dulce necesita menos grados para entrar en ebullición que la salada, por lo que el agua dulce hierve mucho más rápido. Esto significa que la altura afecta la temperatura a la que hierve el agua y en general afecta la temperatura a la que hierve cualquier líquido. (Juárez & Ochoa, s/f). 6

8. En las ollas a presión, la presión es superior a una atmósfera, ¿Qué puedes decir de la temperatura a la que hierve el agua en el interior de una olla a presión? En condiciones normales de presión atmosférica, y a una altitud aproximada sobre el nivel del mar, la temperatura de ebullición del agua es de 100ºC, sin embargo, a mayor presión como ocurre dentro de la olla, la temperatura de ebullición del agua será tanto mayor como mayor sea el nivel de presión. El vapor hace aumentar la presión dentro de la olla, y hace que la temperatura suba . Al ser un recipiente hermético puede alcanzar presiones más altas que la atmosférica. Debido a que el punto de ebullición del agua aumenta cuando se incrementa la presión, el cierre hermético de la olla permite elevar la temperatura de ebullición por encima de 100 °C, en concreto hasta unos 120° C (Caeiro,2018). 9. A la presión de una atmósfera ¿a qué temperatura funde el hielo? ¿A qué temperatura hierve el agua? El hielo (agua sólida) funde a 0 °C a nivel del mar. Así mismo, se puede decir que el hielo es muy sensible a los cambios de temperatura de la Tierra. Sólo resiste un tiempo prolongado si la temperatura se mantiene por debajo de 0 °C. En cuanto la temperatura asciende y se sitúa por encima de 0 °C, el hielo empieza a derretirse (ESA, Educación tiempo, cambio. Desastres. Inicio y clima global naturales,2021). Por un lado, en condiciones normales de presión atmosférica, y a una altitud aproximada sobre el nivel del mar, la temperatura de ebullición del agua es de 100ºC. 10. ¿Puede sublimar el agua? Si, reduciendo la presión y añadiendo calor en vacío (esta etapa se denomina primer secado). Para sublimar agua debe existir una temperatura por debajo de su punto de congelación (triple) y de fusión y ocurre en la mayoría de las presiones existentes. El hielo para ser gas requiere de energía adicional y un cambio endotérmico. Exactamente el agua puede sublimar a -50 °C y presión de 0.0020 atm (Pérez, s/f). 11. Los cambios de estado ¿se producen a temperatura constante? Es importante remarcar que mientras se producen los cambios de estado la temperatura permanece constante ya que la energía aportada al sistema es invertida en vencer las fuerzas de atracción. Mientras dura el cambio de estado la temperatura permanece constante (en las sustancias puras). El calor que recibe o pierde un cuerpo mientras está cambiando de estado, no se emplea en aumentar o disminuir su temperatura, sino que se emplea en romper o formar las uniones entre las partículas

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que componen el cuerpo (CIDEAD [centro para la innovación y desarrollo de la educación a distancia], s/f). Por ejemplo; La temperatura permanece constante durante todo el tiempo en que el sólido se transforma en líquido. Esto ocurre porque en la fase sólida las moléculas se mantienen unidas formando una estructura cristalina rígida, de tal manera que la sustancia tiene una forma y volumen definidos. A medida que se suministra calor, las energías de las partículas del sólido aumentan gradualmente y su temperatura se eleva. Al cabo de cierto tiempo, la energía cinética se vuelve tan grande que algunas de las partículas rebasan las fuerzas elásticas que las mantenían en sus posiciones fijas. La mayor separación entre ellas les da la libertad de movimiento que se asocia con la fase líquida. En este punto, la energía absorbida por la sustancia se usa para separar más las moléculas que en la fase sólida, por lo que la temperatura no aumenta durante el cambio de estado. 12. ¿Se puede tener hielo por encima de 0ºC? No, como Ziegra en el año 2009 afirma: La temperatura del hielo óptima bajo criterios energéticos está directamente por debajo del punto de congelación a -0,5ºC. Aquí ya disponemos de la máxima potencia frigorífica del hielo sin que debe emplearse demasiada energía para su fabricación (Ziegra, 2009). 13. Por qué cuando añades cubos de hielo a un vaso de agua, refresco o gaseosa, o cuando sacas tu gaseosa de la refrigeradora, se forman gotas en las paredes externas del recipiente. Cuando la botella fría toma contacto con el aire del ambiente, el vapor de agua presente en el aire se condensa en gotas de agua, dado que la superficie exterior de la botella enfría ese vapor lo suficiente para condensarse. Por un lado, una explicación razonable para éste fenómeno sería que el vapor del hielo se desplaza por la superficie del vaso convirtiéndose en líquido (Nestien,2010). 14. Por qué cuando hierve agua en un recipiente tapado, en el momento de la ebullición, "baila" la tapa. Básicamente por el aumento de presión, porque en el momento que el agua está pasando a gaseosa, el volumen del gas es constante y la temperatura es constante, aumentando así la presión y ocasionando que la tapa empiece a moverse o 'bailar'.

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5. CONCLUSIONES En esta práctica se logró estudiar y analizar los diferentes estados del agua: sólido, líquido y gaseoso, cada uno se presentaron en diferentes fases que dependían de la presión y temperatura a la cual estaba sometida este elemento. Por otro lado, se logró identificar los distintos comportamientos de las moléculas del agua, además de notar las consecuencias que surgen a partir del diagrama de fases del agua. Finalmente, se concluye que el diagrama de fase del agua es muy importante ya que mediante él podemos evaluar los múltiples tipos de estados del agua, analizando así el punto triple y crítico que presentaba este compuesto, todo ello teniendo en cuenta la variación de presión y temperatura. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Benites, C.(2015).Diagrama de fase https://es.slideshare.net/CarlosJaraBenites/diagrama-de-fase47643499 CIDEAD [Centro para la Innovación y Desarrollo de la Educación a Distancia]. (s/f). Estados de la materia. http://recursostic.educacion.es/newton/web/materiales_didacticos/EDAD_3eso_estados_de_la_ma teria/impresos/quincena3.pdf Cedrón, J., Landa, V & Robles, J.(2011). Cambios de estado - Diagramas de calentamiento Diagramas de fase. http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/56-cambios-deestado-diagramas-de-calentamiento-diagramas-de-fase.html Caeiro, P. (2018). Qué es y cómo funciona una olla a presión. https://www.bonviveur.es/preguntas/que-es-y-como-funciona-una -olla-a-presion

ESA [ Agencia Espacial Europea]. (2019). Extrae agua del suelo lunar; Conoce la filtración y la destilación. Esero Spain. http://esero.es/wp-content/uploads/2019/08/Extrae-agua-delsuelo-lunar-062019.pdf ESA, Educación tiempo, cambio. Desastres. Inicio y clima global naturales.

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(2021).

El

hielo:

una

sustancia

especial.

https://www.esa.int/SPECIALS/Eduspace_Global_ES/SEMAYFWWVUG_0.html Juárez,

A.,

Ochoa,

P.(s/f).

¿Por

qué

el

agua

hierve

a

menos

de

100°C?

http://www.cienciasaplicadas.buap.mx/Divulgacion/ArticulosDivulgacion/Fenomenos/pun toEbullicionAgua.htm Levine, I. (2008). Physical Chemistry 6th edition. Boston: McGraw Hill. Nestien (2010). ¿Por qué “Sudan” las botellas frías?. https://fisicadiaria.wordpress.com/2010/11/21/%C2%BFpor-que-sudan-las-botellas-frias/ Pérez, G. (s/f). sublimación. https://www.ciclohidrologico.com/sublimacin Pérez, E. (2020). El punto triple del agua y su increíble física: cuando hielo, agua líquida y vapor coexisten al mismo tiempo[blog]. https://www.xataka.com/energia/punto-triple-agua-suincreible-fisica-cuando-hielo-agua-liquida-vapor-coexisten-al-tiempo Quiñónez,

C.

(2016).

Diagrama

de

fases

del

agua.

https://www.academia.edu/30883722/Diagramas_de_fase_del_Agua Ziegra. (8 de junio de 2009). Información sobre el hielo. https://www.ziegra.com/Informacionsobre-elhielo.37.0.html?&L=3

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