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Laboratorio N 1: GASES Y CERO ABSOLUTO

A. OBJETIVO

El propsito del presente laboratorio es ver como se describe el estado de un gas y como sus propiedades dependen de la condicin en que se encuentre. Las propiedades bsicas para el estudio de los gases son la presin y la temperatura.

B. FUNDAMENTO TEORICO 1. GAS IDEAL

Un gas ideal es un gas terico compuesto de un conjunto de partculas puntuales con desplazamiento aleatorio que no interactan entre s. El concepto de gas ideal es til porque el mismo se comporta segn la ley de los gases ideales, una ecuacin de estado simplificada, y que puede ser analizada mediante la mecnica estadstica.

En condiciones normales tales como condiciones normales de presin y temperatura, la mayora de los gases reales se comportan en forma cualitativa como un gas ideal. Muchos gases tales como el aire, nitrgeno, oxgeno, hidrgeno, gases nobles, y algunos gases pesados tales como el dixido de carbono pueden ser tratados como gases ideales dentro de una tolerancia razonable.

Generalmente, el apartamiento de las condiciones de gas ideal tiende a ser menor a mayores temperaturas y a menor densidad (o sea a menor presin), ya que el trabajo realizado por las fuerzas intermoleculares es menos importante comparado con energa cintica de las partculas, y el tamao de las molculas es menos importante comparado con el espacio vaco entre ellas.

El modelo de gas ideal tiende a fallar a temperaturas menores o a presiones elevadas, cuando las fuerzas intermoleculares y el tamao intermolecular es importante. Tambin por lo general, el modelo de gas ideal no es apropiado para la mayora de los gases pesados, tales como vapor de agua o muchos fluidos refrigerantes. A ciertas temperaturas bajas y a alta presin, los gases reales sufren una transicin de fase, tales como a un lquido o a un slido. El modelo de un gas ideal, sin embargo, no describe o permite las transiciones de fase. Estos fenmenos deben ser modelados por ecuaciones de estado ms complejas.

2. PRESION DE UN GAS

Los gases ejercen presin sobre cualquier superficie con la que entren en contacto debido a que las molculas gaseosas estn en constante movimiento.

3. PRESION ATMOSFERICA

Los tomos y las molculas de los gases en la atmsfera, como el resto de la materia, estn sujetos a la atraccin gravitacional de la tierra; por consiguiente, la atmsfera es mucho ms densa cerca de la superficie de la tierra que a altitudes elevadas. La fuerza que experimenta cualquier superficie expuesta a la atmsfera de la tierra es igual al peso de la columna de aire que est encima de ella. La presin atmosfrica es la presin que ejerce la atmsfera de la tierra. El valor real de la presin atmosfrica depende de la localizacin, la temperatura y las condiciones climticas. La presin atmosfrica estndar (1 atm) es igual a la presin que soporta una columna de mercurio exactamente 760 mm (o 76 cm) de altura a 0C al nivel del mar, en otras palabras la presin atmosfrica es igual a la presin de 760 mmHg. donde mmHg. representa la presin ejercida por una columna de mercurio de 1 mm de altura. La unidad de mmHg. tambin se llama torr., donde:

1 torr = 1 mmHg 1 atm = 760mmHg = 760 torr

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La presin se puede medir con un manmetro, cuya forma ms simple consiste en un tubo en U lleno de un liquido de volatilidad baja (por ejemplo el mercurio). La presin del gas est dada por la diferencia en altura del lquido de los brazos. La existencia de la temperatura de un a muestra y su medicin depende de la validez de una generalizacin llamada LEY CERO DE LA TERMODINMICA, la cual implica la existencia de una propiedad que es independiente de la composicin de los sistemas y que supone la condicin de equilibrio trmico. La ley cero tambin garantiza la posibilidad de construir un aparato de cualquier material con la seguridad de que una propiedad determinada dar la misma lectura cuando este en contacto con cualquiera de lo sistemas.

4. LEY DE LOS GASES IDEALES

La ley de los gases ideales es la ecuacin de estado del gas ideal, un gas hipottico formado por partculas puntuales, sin atraccin ni repulsin entre ellas y cuyos choques son perfectamente elsticos (conservacin de momento y energa cintica). La energa cintica es directamente proporcional a la temperatura en un gas ideal. Los gases reales que ms se aproximan al comportamiento del gas ideal son los gases monoatmicos en condiciones de baja presin y alta temperatura. Empricamente, se observan una serie de relaciones proporcionales entre la temperatura, la presin y el volumen que dan lugar a la ley de los gases ideales, deducida por primera vez por mile Clapeyron en 1834. En 1648, el qumico Jan Baptist van Helmont cre el vocablo gas, a partir del trmino griego kaos (desorden) para definir las caractersticas del anhdrido carbnico. Esta denominacin se extendi luego a todos los cuerpos gaseosos y se utiliza para designar uno de los estados de la materia. La principal caracterstica de los gases respecto de los slidos y los lquidos, es que no pueden verse ni tocarse, pero tambin se encuentran compuestos de tomos y molculas. La causa de que un gas sea tal se encuentra en sus molculas, que se encuentran muy separadas unas de otras y se mueven en todas las direcciones. Al igual que ocurre con los otros dos estados de la materia, el gas tambin puede transformarse (en lquido) si se somete a temperaturas muy bajas. A este proceso se le denomina condensacin.

La Relacin Presin-Volumen: LEY DE BOYLE En el siglo XVII Robert Boyle estudio de manera sistemtica y cuantitativa el comportamiento de los gases. Es una serie de experimentos, Boyle estudio la relacin existente entre la presin y el volumen de un muestra de un gas por medio de un aparato. Aparato para estudiar la relacin entre la presin y el volumen de un gas por medio de un aparato como el que se muestra en la figura a)

La presin ejercida sobre el gas por el mercurio aadido al tubo es igual a la presin atmosfrica., en la figura b) se observa que en aumento en la presin, debido a la adicin del mercurio, conduce a una disminucin del volumen del gas a un desnivel en la columna de mercurio. Boyle observ que cuando la temperatura se mantiene constante, el volumen (V) de una cantidad dada de un gas disminuye cuando la presin total aplicada (P) la presion atmosfrica las la presin y volumen es evidente en las figuras b) y d), por el contrario, si la presin que se aplica es menor, el volumen del gas aumenta.

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C. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Esta prctica de laboratorio consta de dos etapas: Proceso

Isotrmico, Proceso Iscoro

Proceso Isotrmico.-Una mezcla gaseosa aire gas A, sufre cambios de presin y de volumen en ciclo cerrado, manteniendo la temperatura constante (temperatura ambiente)

1. Montar el equipo como se muestra en la figura 1, dejando

unos 40 ml. Aprox. de aire en el tubo neumomtrico. 2. Cierre con una pinza el empalme de goma. 3. Verifique que no hay escape del gas A, para lo cual cambie

(subiendo o bajando) la ampolla de nivel a una posicin fija y despus de variar el nivel del lquido manomtrico en el tubo neumomtrico.

4. Verifique que este nivel permanezca constante. Si varia es porque hay escape de gas y habr que resolver esta situacin.

5. Luego regrese la ampolla de nivel a una posicin tal, que los niveles de agua de la ampolla y del tubo se encuentren enrasando con un error menor de 0,1 ml aprox. Para observar mejor trate de acercar cuando sea posible el tubo neumomtrico con la ampolla de nivel.

6. Haga la lectura del volumen en el tubo neumomtrico. 7. Luego levante la ampolla de nivel, aproximadamente 10,20, 30, 40 cm o cuatro medidas que le sean mas

practicas. 8. Utilice la regla verticalmente y mida exactamente la diferencia de niveles. 9. Registre estas lecturas y la de los volmenes del gas A. Haga lo mismo bajando la ampolla de nivel, para las

mismas alturas anteriores (usted puede elegir la posicin que crea conveniente), ver fig adjunta

50

40

30

20

10

0

Fig 1. Equipo de proceso isotrmico

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CLCULOS QUE DEBE INCLUIR EL INFORME DE LABORATORIO PARA EL PROCESO ISOTERMICO

a) Conversin de las presiones manomtricas de columna de agua a columna de mercurio (torr) b) Presiones absolutas (torr) c) Presiones del gas seco(torr), calculada restando de la anterior la presin de vapor de agua. d) Volumen del gas seco (ml.) que es igual a la del gas hmedo e) Valores del producto PxV para el gas seco (ml xtorr) y las desviaciones porcentuales respecto a la media. f) Realizar el grfico (PvsV) curva 1 mostrando con una x los puntos experimentales de la curva. Proceso Iscoro.- utilizando el equipo que se muestra en la figura 2 se medir los cambios de presin conforme cambia la temperatura, de otra cantidad fija de aire, gas B a volumen constante: Utilizando estos valores en el grfico P vs. T a volumen constante, se observar que mediante una extrapolacin a presin nula es factible localizar el cero absoluto de temperatura. Es oportuno hacer notar que el aire, as como la gran mayora de los gases reales, tiene comportamiento de gas ideal, cuando estn enrarecidos y a temperaturas bastante superiores a sus propias temperaturas de condensacin. Este no ocurre cuando los gases reales estn a presiones mucho mayores a una atmsfera, a temperaturas cercanas a su temperatura de condensacin. Las desviaciones del comportamiento ideal, varan tambin con la naturaleza del gas. Las presiones las mediremos tomando el concepto de manmetro en U, tomando como liquido manomtrico al agua. Esta al entrar en contacto con el gas es consideracin, en recipiente cerrado, interviene con su presin de vapor. Sin embargo como sabemos la presin de vapor de los lquidos depende de la temperatura del lquido en este caso el agua, cuyos valores se encuentran en los manuales para distintas temperaturas y restarla de la presin total obtenida.

1. Con el baln completamente seco, armar el equipo segn la figura 2. 2. Antes de ajustar el tapn de la ampolla, vierta agua a esta, hasta el cuello de la ampolla de nivel y ajustar bien

los tapones. En ningn momento el extremo del tubo capilar debe estar en contacto con el agua liquida. 3. Luego vierta agua fra en el vaso, procurando que el baln quede sumergido hasta la altura del tapn. 4. Agite el agua del vaso hasta que la temperatura del gas dentro del baln, permanezca constante. 5. Ajuste los niveles de agua del tubo neumomtrico con el de la ampolla de nivel abriendo y cerrando la pinza

del empalme de goma, hasta que ambos niveles sean iguales. 6. Registre la lectura del volumen de gas en el tubo neumomtrico, gas A con un error de 0, 1 ml. La a

temperatura del gas dentro del baln y la presin baromtrica.

Fig 2. Equipo de proceso isocoro

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7. Colocar verticalmente la plancha y asbesto entre el mechero y la ampolla de nivel y encienda el mechero, aqu cabe hacer notar que nuestro gas en consideracin ahora, es el aire que esta encima de la superficie de agua en la ampolla de nivel y el que ocupa el baln. El volumen que ocupa dicho gas que lo llamaremos B, lo mediremos al final de la experiencia ayudndonos con la probeta enrasada con agua, por lo que debemos marcar con un lpiz el extremo inferior de los tapones.

8. En el tubo capilar el gas experimenta un enfriamiento y se considera que el aire contenido en el es despreciable.

9. Calentamos el agua del vaso hasta que la temperatura del gas B, se halla incrementando unos 10C. 10. Quitar el mechero y agitar el agua del vaso, hasta que la temperatura del gas B se halle estabilizado. 11. Bajar el tubo neumomtrico con el objeto de enrasar los niveles de agua contenidos en l, con el tubo de la

ampolla de nivel. Registrar simultneamente, el volumen del gas A en el tubo y la temperatura de gas B. 12. Repetir esta operacin cada 10C. 13. Quitar el mechero y agitar el agua del vaso, hasta que la temperatura del gas B se halle estabilizado. 14. Bajar el tubo neumomtrico con el objeto de enrasar los niveles de agua contenida en el, con el tubo de la

ampolla de nivel. 15. Registrar simultneamente, el volumen del gas A en el tubo y la temperatura del gas B. 16. Repetir esta operacin cada 10C aprox. hasta que el agua del vaso llegue a su temperatura de ebullicin. Al

final mida el volumen muerto del tubo neumomtrico (la zona no graduada) desajustando el tapn, desalojando el agua e invirtiendo el tubo. Enrasar una probeta con agua y medir con ella el volumen muerto de su tubo neumomtrico.

17. Hacer lo mismo para medir el volumen del gas B, considerando el termmetro dentro de l.

CLCULOS QUE DEBE INCLUIR EL INFORME DE LABORATORIO PARA EL PROCESO ISOCORO

Cuando calentamos un gas en recipiente cerrado de volumen constante, slo cambian la presin y la temperatura. En nuestro caso no se llevan a cabo a volumen constante. Sucede que par medir la presin, hemos utilizado el equipo de la parte a en la que hemos verificado que se cumple la Ley de Boyle cada vez que variemos la temperatura del gas B se expande, transmitiendo el efecto al gas A, encerrado en el tubo neumomtrico, cuyas lecturas hemos anotado. Tenemos pues que los cambios de presin y volumen que le ocurren al gas A, es por accin exclusiva de los cambios de presin y volumen del gas B. Para calcular las presiones procedemos de la siguiente manera:

Considerando como presin inicial Po = 1 atm, Calcular las presiones:

a) P0t= Presin inicial del gas A seco = Presin inicial del gas B seco b) Pt= Presin del gas A seco al variar T en B = Presin del gas B seco al variar T c) Pt =P0t(V0 gas A)/V observado del gas A d) Pbt= Presin del gas A hmedo = Presin del gas B hmedo e) Pbt= Presin del gas A seco + Presin del vapor de agua a la T de A. f) PBtv= Presin del gas B hmedo siendo V constante g) PBtv= Presin del gas B hmedo siendo V constante h) PBtv= Ptb (volumen inicial de B +cambio de volumen de A)/(volumen inicial de B). i) Hacer cuadro de resultados, incluyendo las temperaturas en C y las presiones en torr j) Calcule el error relativo del cero absoluto. k) Explique como se alterara el valor del cero absoluto si el agua del tubo neumomtrico se calentase

gradualmente l) Suponiendo que el matraz estuviese hmedo. Cmo afectara esto al valor obtenido para el cero absoluto. m) Calcular z (factor de comprensibilidad) para cada temperatura y con el z que se aleja ms de Z= 1 calcular el

volumen molar con la ecuacin de Vander Walls y comprelo con el calculado usando la ecuacin de gases ideales.

La profesora Nancy Encarnacin 08-04-13