“PRESIÓN DE VAPOR Y ENTALPÍA DE VAPORIZACIÓN

DEL AGUA”

Profesor: M. en C. Gerardo Omar Hernández Segura

Departamento de Fisicoquímica

Laboratorio de Equilibrio y Cinética

Universidad Nacional Autónoma de México

Facultad de Química

OBJETIVO GENERALComprender e interpretar el significado de las variables termodinámicas involucradas en la ecuación de Clausius-Clapeyron, para aplicarlas en la determinación de la entalpía de vaporización de una sustancia.

a. Determinar valores de presión de vapor del agua a distintas temperaturas, para representar y describir la relación que se presenta entre ambas variables.

b. Calcular la entalpía de vaporización del agua a partir de los datos experimentales y obtener la ecuación de Clausius-Clapeyron

a. Determinar valores de presión de vapor del agua a distintas temperaturas, para representar y describir la relación que se presenta entre ambas variables.

b. Calcular la entalpía de vaporización del agua a partir de los datos experimentales y obtener la ecuación de Clausius-Clapeyron

OBJETIVOS PARTICULARES:OBJETIVOS PARTICULARES:

PROBLEMA:PROBLEMA:

Determinar la entalpía de vaporización del agua.Determinar la entalpía de vaporización del agua.

Equilibrio líquido-vapor:Equilibrio líquido-vapor:

2 2 ,H O( ) H O( ) 0m vapl g H∆ >ˆ ˆ†‡ ˆ ˆ

❏ Es la presión a la que cada temperatura la fase condensada (líquido o sólido) y vapor se encuentran en equilibrio.

❏ Su valor es independiente de las cantidades de la fase condensada y la fase vapor presentes mientras existan ambas.

❏ Es la presión a la que cada temperatura la fase condensada (líquido o sólido) y vapor se encuentran en equilibrio.

❏ Su valor es independiente de las cantidades de la fase condensada y la fase vapor presentes mientras existan ambas.

PRESIÓN DE VAPOR

Es la cantidad de calor que absorbe una sustancia líquida para que se encuentre en equilibrio con su propio vapor a presión constante.

Es la cantidad de calor que absorbe una sustancia líquida para que se encuentre en equilibrio con su propio vapor a presión constante.

ENTALPÍA DE VAPORIZACIÓN

Si P = cte: Si P = cte: Calor latente:Calor latente:

El calor latente de vaporización es equivalente a la entalpía de vaporización:El calor latente de vaporización es equivalente a la entalpía de vaporización:

Sus unidades pueden ser J/mol, kJ/kg y derivadas Sus unidades pueden ser J/mol, kJ/kg y derivadas

pQ H= ∆ vapQ mλ=

vap vapHλ ≡ ∆

Utilidad de la Ecuación de CLAPEYRON: DIAGRAMA DE FASES

❏ Útil para predecir donde va ocurrir una transición de fase.

❏ Se obtiene la pendiente de la curva de coexistencia.

❏ Obtención de la variación de ENTALPÍA.

❏ Útil para predecir donde va ocurrir una transición de fase.

❏ Se obtiene la pendiente de la curva de coexistencia.

❏ Obtención de la variación de ENTALPÍA.

UTILIDAD DE LA ECUACIÓN DE CLAPEYRON

POTENCIAL QUÍMICO

Es una propiedad intensiva y función de estado que desde el punto de vista termodinámico es una medida de la tendencia natural al cambio que posee la materia, el cual puede ser:a) Cambio de estado de

agregación.b) Cambio en la

distribución espacial de la materia.

c) Reactividad química.

Es una propiedad intensiva y función de estado que desde el punto de vista termodinámico es una medida de la tendencia natural al cambio que posee la materia, el cual puede ser:a) Cambio de estado de

agregación.b) Cambio en la

distribución espacial de la materia.

c) Reactividad química.

Para una sustancia pura: Para una sustancia pura:

3ra. Ecuación Fundamental de la Termodinámica:3ra. Ecuación Fundamental de la Termodinámica:

Dividiendo entre n:Dividiendo entre n:

m

GG

nµ = =

m md S dT V dPµ = − +

dG SdT VdP= − +

dG S VdT dP

n n n= − +

EQUILIBRIO TERMODINÁMICO

Equilibrio térmico:Equilibrio térmico:

Equilibrio mecánico: Equilibrio mecánico:

Equilibrio material: Equilibrio material:

Fase α

Fase β

3ra. Ec. Fundamental:3ra. Ec. Fundamental:

Ecuación de Clapeyron

Ecuación de Clapeyron

T Tα β=

P Pα β=α βµ µ=

d dα βµ µ= m md S dT V dPµ = − +

( ) ( )m m m mV V dP S S dTα β α β− = −m m m mS dT V dP S dT V dPα α β β− + = − +

, ,m trans m transV dP S dT∆ = ∆ ,

,

m trans

m trans

SdP

dT V

∆=

∆

0G∆ =

ECUACIÓN DE CLAUSIUS-CLAPEYRON

Equilibrio líquido-vapor:Equilibrio líquido-vapor:

El vapor obedece el modelo ideal:El vapor obedece el modelo ideal:

,

2

m vapHdP dT

P R T

∆=∫ ∫

,ln m vapHP B

RT

∆= − +

,

,

m vap

m vap

SdP

dT V

∆=

∆

,V L

m vap m mV V V∆ = −

,V

m vap mV V∆ ;V Lm mV V>>

Vm

RTV

P=

,,

m vapm vap

HS

T

∆∆ =

,

,

m vap

m vap

HdP

dT T V

∆=

∆

,

2

m vapH PdP

dT RT

∆=

DETERMINACIÓN DE LA ENTALPÍA DE VAPORIZACIÓN

DETERMINACIÓN DE LA ENTALPÍA DE VAPORIZACIÓN

A partir de la gráfica:

ln P

1/T

m = −∆Hm,vap/R

m = −∆Hm,vap/R

Las unidades de ∆Hm,vap dependen de las de R Las unidades de ∆Hm,vap dependen de las de R

■■

■■

■■ ■

■ ■

, 1ln m vapHP B

R T

∆ = − + ÷

By = m x + b

,m vapH mR∆ = −

La Ley de Charles establece que cuando se aumenta la temperatura el volumen de un gas aumenta directamente proporcional, cuando la cantidad de sustancia y la presión permanecen constantes.

La Ley de Charles establece que cuando se aumenta la temperatura el volumen de un gas aumenta directamente proporcional, cuando la cantidad de sustancia y la presión permanecen constantes.

V α T

V = K’T

Ecuación de estado:Ecuación de estado:

Ecuación de proceso:Ecuación de proceso:

P, n = ctes P, n = ctes

/ 'V T K=

1 1 2 2/ /V T V T=

Mezcla de gases ideales de dos componentes

LEY DE AMAGAT: LEY DE AMAGAT:

LEY DE DALTON: LEY DE DALTON:

total BA PP P= +

total total to

A A

t

AA

aln P

n V

V

Py = = =

,T V ctes=

total BA VV V= +

,T P ctes=

1B Ay y= −

MATERIALES Y REACTIVOS

➼ Vaso Berzelius 1 L ➼ Termómetro digital ➼ Resistencia eléctrica ➼ Agitador de vidrio ➼ Probeta graduada

50mL ➼ Agua➼ Barómetro digital

MATERIALES Y REACTIVOS:MATERIALES Y REACTIVOS:

A2. DISEÑO EXPERIMENTAL¿Qué se quiere hacer?

Establecer un intervalo de temperatura para observar el cambio en la Presión de vapor del H2O

¿Cómo se va a hacer?Midiendo la variación de VTOTAL del sistema (VTOTAL = VAIRE+VVAPOR) y su relación con la temperatura

¿Para qué se va a hacer?Obtener el ΔHm,vap en el intervalo de temperatura mediante la linealización de la Ecuación de Clausius-Clapeyron.

DISEÑO EXPERIMENTAL:DISEÑO EXPERIMENTAL:

Algoritmos de cálculos

❏ Considerando que la presión se mantiene constante durante todo el experimento, calcular:

a) el volumen de aire a cada temperatura y el volumen de vapor.

b) la fracción mol de aire y vapor de agua a cada temperatura

c) la presión parcial del aire a cada temperatura

d) la presión de vapor del agua a cada temperatura

❏ Considerando que la presión se mantiene constante durante todo el experimento, calcular:

a) el volumen de aire a cada temperatura y el volumen de vapor.

b) la fracción mol de aire y vapor de agua a cada temperatura

c) la presión parcial del aire a cada temperatura

d) la presión de vapor del agua a cada temperatura

ALGORITMO DE CÁLCULO:ALGORITMO DE CÁLCULO:

RESULTADOS

Resultados experimentales

Cálculos

Temp. (°C)

Volumentotal (mL)

Temp. (K)

Volumen aire (mL)

Volumen vapor

(mL)

Y aire

Y vapor

P aire

(mmHg)

P vapo

r (mmHg

)

1/T (K-1)

ln Pvapor

RESULTADOS

Patm = ______________

Cálculo del Volumen de aire (Vaire) a diferentes temperaturasCálculo del Volumen de aire (Vaire) a diferentes temperaturas

❏ Considerando un modelo ideal.❏ Ley de Charles P, n = cte

➼V0 volumen de aire a T0 = 273.15 K➼T0 temperatura a 273.15 K ➼Vaire volumen de la mezcla vapor de

agua-aire a la temperatura T➼T temperatura de la mezcla vapor de

agua-aire

➼V0 volumen de aire a T0 = 273.15 K➼T0 temperatura a 273.15 K ➼Vaire volumen de la mezcla vapor de

agua-aire a la temperatura T➼T temperatura de la mezcla vapor de

agua-aire

0

0

aireV V

T T=

0

0aire

V TV

T=

Tenemos en la probeta una mezcla de vapor de agua y aire. Por lo tanto, para cada temperatura, se cumple la ley de Amagat:

¿Y EL VOLUMEN DEL VAPOR?

vapor total aireV V V= −

total vapor aireV V V= +

¿y las Presiones parciales?❏ A partir de la Fracción mol

Presión parcial. Agoritmos:

aireaire

total

Vy

V=

aire aire totalP y P= vapor vapor totalP y P=

vaporvapor

total

Vy

V=

Gráficas a realizar:

❏ P vapor vs T y P aire vs T juntas

❏ ln (P vapor) vs 1/T❏ V vapor vs T y V aire vs T

juntas

❏ P vapor vs T y P aire vs T juntas

❏ ln (P vapor) vs 1/T❏ V vapor vs T y V aire vs T

juntas ΔHm,vap = 40668.5 J/mol para el agua y compararlo con el valor experimental obtenido:

ΔHm,vap = 40668.5 J/mol para el agua y compararlo con el valor experimental obtenido:

exp% 100teo

teo

H HError x

H

∆ − ∆=

∆

PREGUNTAS:

❏ a) ¿Qué gases hay dentro de la probeta entre los 30ºC y 70ºC?

❏ b) ¿Cuál es la presión total de los gases dentro de la probeta?

❏ c) ¿Qué gases hay dentro de la probeta a 0ºC? 

❏ Aire y vapor de agua

❏ La presión atmosférica

❏ Solamente hay aire.

❏ La presión de vapor tiene muchas aplicaciones en el campo industrial como en la vida cotidiana.

❏ Un claro ejemplo de la aplicación de presión de vapor es en una torre de destilación que es ocupada para separar los diferentes compuestos de hidrocarburos que tiene el petróleo.

APLICACIONES DE LA PRESIÓN DE VAPOR

❏ Torre de destilación vista desde afuera.

❏ Destilación fraccionada de los

hidrocarburos.

APLICACIONES DE LA PRESIÓN DE VAPOR

❏ En la destilación de una sustancia como por ejemplo extraer un aceite esencial de una planta o cualquier otra sustancia.

APLICACIONES DE LA PRESIÓN DE VAPOR

❏ En la vida cotidiana nos es muy útil por ejemplo al planchar.

APLICACIONES DE LA PRESIÓN DE VAPOR

Por su atención¡Gracias!

e-mail: omar.termo@hotmail.com

Profesor: M. en C. Gerardo Omar Hernández Segura

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