INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA QUMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

DEPARTAMENTO DE FORMACIN BSICALABORATORIO DE TERMODINMICA DE LAS SUSTANCIAS PURAS

PRCTICA No.1 y 2

CONSTRUCCIN DE LOS DIAGRAMAS PRESIN VOLUMEN Y PRESIN TEMPERATURA DE UNA SUSTANCIA PURA (EL AGUA) A PARTIR DE DATOS EXPERIMENTALES

NOMBRE DEL ALUMNO:

GRUPO: 1IM30

PRIMERA SECCION

TURNO MATUTINO 10 DE FEBRERO DE 2014

PRCTICA No.1 y 2 CONSTRUCCIN DE LOS DIAGRAMAS PRESIN VOLUMEN Y PRESIN TEMPERATURA DE UNA SUSTANCIA PURA (EL AGUA) A PARTIR DE DATOS EXPERIMENTALES

OBJETIVO:Calcular la capacidad calorfica de un metal a diferentes temperaturas y compararlo con el dato para calcular el % de error.

OBJETIVO PERSONAL:Calcular la presin de una sustancia pura el agua comparando con los valores en tablas termodinmicas para as tambin conocer el volumen y por consiguiente comprobar la certeza de estos obteniendo el porcentaje de error a distintas temperaturas.

INTRODUCCION TEORICA:La presin se define como la fuerza normal a una superficie, ejercida por unidad de rea en el sistema que acta sobre las fronteras del sistema. Y existen diferentes tipos de presin:Presin Atmosfrica: Es el peso del aire sobre la superficie terrestre y esta vara con la altitud y la temperatura.Presin Manomtrica: Es la producida por un medio diferente al de la atmosfera. Puede ser positiva o negativa (de vaco). Presin Absoluta: Es la presin real en un punto determinado del sistema. Y se obtiene a partir de la suma algebraica de la presin atmosfrica y la manomtrica; puede ser positiva o negativa.Mientras que la temperatura es una medida de la energa cintica media de las partculas que lo constituyen, adems de es una propiedad fsica intensiva, es decir, no cambia si variamos el tamao del sistema dejando todo lo dems igual. Por ejemplo, si un trozo de hierro tiene una temperatura determinada y lo partimos en dos, cada trozo no tiene la mitad de temperatura que el trozo inicial. Teniendo en cuenta esto podemos decir que el agua empieza a hervir dependiendo de la presin del sistema, entre mayor sea esta ltima, mayor ser la temperatura a la que hervir. (La temperatura no mide la energa trmica total del sistema, pues es una magnitud intensiva: mide la energa promedio de cada partcula.)Para que sea mejor el entendimiento asumamos un sistema de 1 kilogramo de agua contenido dentro de un dispositivo cilindro embolo:Se transmite calor al agua, la temperatura aumenta apreciablemente, el volumen especifico solo ligeramente permaneciendo la presin constante. Cuando la temperatura alcanza los 100 oC resultara una transmisin de calor adicional, en el cambio de fase. Por ello durante un proceso de cambio de fase resulta claro que la temperatura y la presin son propiedades dependientes y que hay una relacin definida entre ellas.

webserver.dmt.upm.es/~Isidoro/bk3/c06/Capitulo%205.docxDIAGRAMAS DE FASES Y P-VPara cualquier sustancia pura, se puede representar grficamente las relaciones existentes entre la presin, volumen especfico y temperatura en un diagrama tridimensional como el de la figura 10.1. En l se aprecian tres regiones, S, L, G, en las cuales el cuerpo se encuentra en una nica fase, slida, (hielo), lquida, (agua), y gaseosa, (vapor). En cada una de estas regiones monofsicas el estado del cuerpo viene determinado por dos cualesquiera de las tres propiedades que definen los ejes.Entre las regiones monofsicas se encuentran situadas las de transicin o bifsicas, en las cuales coexisten dos fases en equilibrio: lquido-vapor, slido-vapor, y slido-lquido. La regin slido-lquido comprende de "a" a "b", y el volumen en "b" es mayor que en "a". Esto es debido a que la fusin del hielo va acompaada de una contraccin de volumen, (en la mayora de los casos sucede lo contario, ocupando entonces el punto "b" una posicin como la b').

Fig. 10.1. Superficie PvT para una sustancia que se expande al congelarse. (Fuente: Wark, 1984, pp. 109).

En las regiones bifsicas, las propiedades de temperatura y presin son funcin una de la otra, por lo cual, si una de ellas vara, tambin lo hace la otra. Por esta razn, no puede definirse el estado de un cuerpo conociendo estas dos propiedades, (que sera lo mismo que conocer solo una, ya que la otra no es independiente), sino que debe utilizarse el volumen especfico y una cualquiera de las dos citadas, presin o temperatura.El volumen especfico de un sistema bifsico es igual a la suma de los volmenes, (no especficos) de cada fase, porque la masa de la mezcla es la unidad. De aqu que si la masa contenida en una fase aumenta, la que compone la otra disminuye en la misma cantidad, y el volumen especfico del sistema tiene que variar.A lo largo de la lnea "abd" pueden existir tres fases en equilibrio; se denomina "lnea triple" y constituye el lugar geomtrico de los "puntos triple". En este caso, si la masa de una fase aumenta, la masa total de las otras dos disminuye en la misma cantidad, pero no se puede determinar la disminucin de la masa de cada fase. Por tanto, las propiedades presin, volumen especfico y temperatura no son suficientes para fijar completamente el estado de una mezcla en el punto triple, porque pueden existir infinidad de mezclas en la lnea "abd" que cumplan dichas condiciones.Este diagrama tridimensional puede proyectarse sobre los ejes coordenados, estando representado en las figuras 10.2. Y 10.3 sobre los ejes de presin y temperatura, (diagrama de fases) y presin volumen.

Fig. 10.2. Diagrama PT de fases para una sustancia que se contrae al congelarse. (Fuente: Wark, 1984, pp. 111).

En la figura 10.2, cualquier lnea horizontal trazada por encima del punto triple y por debajo del punto crtico, que ahora definiremos, nos muestra la transformacin de hielo en vapor de agua en un proceso de calentamiento a presin constante. En las curvas tenemos definidos los respectivos puntos de fusin y de ebullicin a la presin considerada, no debindose olvidar que cada punto de dichas curvas corresponden a infinitas posibilidades de mezclas bifsicas.La transicin directa de hielo a vapor de agua puede hacerse si se reduce la presin por debajo de la correspondiente al punto triple, obtenindose la curva de sublimacin correspondiente.El punto crtico, "c", es aquel a partir del cual no existe ninguna diferencia entre las fases lquida y gaseosa. Si tuviramos en un recipiente una mezcla de lquido y vapor en equilibrio y aumentamos la presin y la temperatura, al llegar a "c" desaparece el menisco que seala la presencia de las dos fases, y todas las propiedades son iguales. Por encima y a la derecha de "c" se tiene la regin del "fluido", el cual no podra licuarse por un aumento de presin a temperatura constante. Por lo tanto, puede pasarse de agua lquida a vapor de agua siguiendo una lnea tal como la "nwxy", sin que exista discontinuidad.Se llama vapor a un gas que se encuentra a una temperatura inferior a su crtica y que puede condensarse por enfriamiento a presin constante o por compresin a temperatura constante.En la figura 10.3. Se encuentran representadas las transformaciones anteriores en un diagrama presin-volumen. En l se van a distinguir distintos estados posibles, cada uno de los cuales pasamos a definir a continuacin.

Fig. 10.3. Diagrama para una sustancia que se contrae al congelarse. (Fuente: Wark, 1984, pp. 112).

Se define el "vapor de agua saturado" como aquel que se encuentra a la temperatura de ebullicin correspondiente a su presin absoluta; por lo tanto, es un vapor que se encuentra en contacto y en equilibrio con agua lquida. De igual modo, el agua lquida saturada es aquella que se encuentra en equilibrio con el vapor saturado, (puntos desde "v" a "u" en la figura 10.3). La temperatura y la presin a la que coexisten ambas fases en equilibrio se denominan temperatura y presin de saturacin.Se define el "vapor saturado y seco" como aquel que se encuentra completamente exento de partculas de agua lquida, (en equilibrio con una microgota), (punto u). El "vapor hmedo", o "vapor saturado hmedo es aquel que contiene partculas de agua en suspensin, (puntos de "u" a "v"). Su estado queda definido por la presin o la temperatura y por el "ttulo", X, que es la relacin entre la masa de vapor saturado y seco y la de vapor hmedo, suma de las de agua lquida y vapor saturado y seco:(10.1)Segn lo expuesto, dejaremos el nombre de agua lquida saturada para aquella que corresponde al punto "v", pues los dems estado sern de vapor hmedo o de vapor saturado y seco.Se define el vapor de agua "sobrecalentado o recalentado" como aquel que a una presin determinada se encuentra a una temperatura superior a la de saturacin, punto u'. En l, la temperatura y la presin son independientes entre s y, por lo tanto, la definicin de su estado requiere de la especificacin de ambas variables. Se define el grado de sobrecalentamiento como la diferencia entre la temperatura real del vapor sobrecalentado y la de saturacin a la misma presin.Se define el agua lquida "comprimida o sub enfriada" como aquella que se encuentra a una presin superior a la de saturacin a la misma temperatura, (punto "n" en relacin con "v"), o a temperatura inferior a la de saturacin a la misma presin. Al igual que para el vapor de agua sobrecalentado, se requiere del conocimiento de la temperatura y de la presin para definir el estado del agua lquida comprimida.

http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAl-wAA/vapor-agua-introduccionbibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/.../05/.../sec_11.html

DESARROLLO:

1. Armar el equipo, de acuerdo con la figura correspondiente.

2. 3. Medir la altura total, desde el piso como punto de referencia hasta el menisco del agua contenida en el matraz.4. Hacer la lectura de la temperatura ambiente.5. Con el mechero de bunsen, calentar el agua del matraz, acercando el termmetro con el tapn a la boca del mismo sin taparlo hasta alcanzar la ebullicin del lquido.6. Cuando el termmetro marque 93c, tapar bien el matraz con el tapn y el termmetro cuidando de que el bulbo de este no toque el lquido y de manera simultnea retirar el mechero.7. Esperar que la temperatura del sistema descienda a 90c y de manera simultnea e instantnea medir las alturas del sistema hs y la altura atmosfrica ha sin cambiar el punto de referencia utilizando al medir l altura total.8. Continuar con este proceso, cada vez que el sistema disminuye su temperatura 5c hasta los 50c.9. En todo momento deber de cuidarse de que no entre aire al sistema por las paredes del tapn y el matraz, para no romper el vaco. No deben de formarse burbujas.10. Terminando el experimento, retirar el tapn con el termmetro, rompiendo el vaco al oprimir el tapn para su retiro.

Equipo utilizado: Barmetro Dos reglas graduadas en centmetros de un metro de longitud. Manguera de ltex Manmetro diferencial en forma de u. Matraz de baln de 250 ml. Mechero de bunsen Nuez doble Pinzas de tres dedos con extensin para refrigerante. Termmetro de -10 a 10c con intervalo de 1c. Tapn de hule del no. 5.

Sustancias utilizadas:

Agua destilada Gas butano. Mercurio.

CALCULOS Y RESULTADOS: Tabla de datoshT= 1.13 mtamb= 22Chbarom= 0.475m

tamb(C)Altura de Hg del sistema hs en (cm)Altura del Hg a la atm en (cm)

9043.547.5

854546

804644.5

754943

705239.5

6554.737

6056.735.4

5558.333.4

5059.132.5

Tabla de ecuaciones:No.ECUACINUNIDADESSIMBOLOGA

1Pab = Patm - PvacPa = pascalPab = presin absoluta

2Patm = Pbar = hbar Hg gPa = pascalPatm = presin atmosfrica

3Pvac = Phid + pHgPa = pascalPvac = presin manomtrica

4Phid = (ht hs)H20 gPa = pascalPhid = presin hidrosttica

5PHg= (hs ha) Hg gPa = pascalPHg = presin del mercurio

6Pab = Patm- ( Phid + PHg)Pa = pascalPab = presin del vaco

7%E=E = porciento de error

8lHg =13595.08-2.466t + 0.0003t2l =Kg/m3 l= densidad

9lH20 = 999.98 + 3.5x10-5 t 6x10-6t2l =Kg/m3 l= densidad

10Y = Y= a valor buscadoX= al punto de referencia

DENSIDAD DEL MERCURIOHg =13595.08-2.466t + 0.0003t2Hg =13595.08-2.466(22C)+ 0.0003(22C)2Hg =13540.9732Kg/m3

DENSIDAD DEL AGUAH20 = 999.98 + 3.5x10-5 t 6x10-6t2H20 = 999.98 + 3.5x10-5 (22C) 6x10-6(22C)2H20 = 999.977866 K/m3

CONVERTIR EN METROS LOS VALORES DE LA TABLA DE DATOS.

hT= 113 cm=1.13mtamb= 22Chbarom= 4.75cm=0.475m

tamb(C)Altura de Hg del sistema hs en (cm)Altura del Hg a la atm en(cm)

9043.5=0.435m47.5cm=0.475m

8545=0.45m46cm=0.46m

8046=0.46m44.5cm=0.445m

7549=0.49m43cm=0.43m

7052=0.52m39.5cm=0.395m

6554.7=0.54737cm=0.37m

6056.7=0.567m35.4cm=0.354m

5558.3=0.567m33.4cm=0.334m

5059.1=0.591m32.5cm=0.325m

hT= 1.13 mtamb= 22Chbarom= 0.475m

tamb(C)Altura de Hg del sistema hs en (m)Altura del Hg a la atm en (m)

900.4350.475

850.450.46

800.460.445

750.490.43

700.520.395

650.5470.37

600.5670.354

550.5830.334

500.5910.325

Tabla de datos en metros

CLCULOS DE LA PRESIN HIDROSTTICAt (C)Clculos de la presin hidrostticaPhid = (ht hs)H20 g

90Phid = (1.13m 0.435m)(999.977866Kg/m3)(9.78m/s2)Phid = 6796.949553 Pa

85Phid = (1.13m 0.45m)(999.977866Kg/m3)(9.78m/s2)Phid = 6650.2528 Pa

80Phid = (1.13m 0.46m)(999.977866Kg/m3)(9.78m/s2)Phid = 6552.454965 Pa

75Phid = (1.13m 0.49m)(999.977866Kg/m3)(9.78m/s2)Phid = 6259.061459 Pa

70Phid = (1.13m 0.52m)(999.977866Kg/m3)(9.78m/s2)Phid = 5965.667953 Pa

65Phid = (1.13m 0.547m)(999.977866Kg/m3)(9.78m/s2)Phid = 5701.613798 Pa

60Phid = (1.13m 0.567m)(999.977866Kg/m3)(9.78m/s2)Phid = 5506.018127 Pa

55Phid = (1.13m 0.583m)(999.977866Kg/m3)(9.78m/s2)Phid = 5349.541591 Pa

50Phid = (1.13m 0.597m)(999.977866Kg/m3)(9.78m/s2)Phid = 5212.524621 Pa

CLCULOS DE LA PRESIN DEL MERCURIO.t (C)Clculos de la presin del mercurio.PHg= (hs ha) Hg g

90PHg= (0.435m-0.475m)(13540.9732Kg/m3) (9.78m/s2)PHg= 5297.228716 Pa

85PHg= (0.45m-0.46m)(13540.9732Kg/m3) (9.78m/s2)PHg= 1324.307179 Pa

80PHg= (0.46m-0.445m)(13540.9732Kg/m3) (9.78m/s2)PHg= 1986.460768 Pa

75PHg= (0.0.49m-0.43m)(13540.9732Kg/m3) (9.78m/s2)PHg= 7945.843074 Pa

70PHg= (0.52m-0.395m)(13540.9732Kg/m3) (9.78m/s2)PHg= 16553.83974 Pa

65PHg= (0.547m-0.37m)(13540.9732Kg/m3) (9.78m/s2)PHg= 16553.83974 Pa

60PHg= (0.567m-0.354m)(13540.9732Kg/m3) (9.78m/s2)PHg= 28207.74291 Pa

55PHg= (0.583m-0.335m)(13540.9732Kg/m3) (9.78m/s2)PHg= 32842.81804 Pa

50PHg= (0.597m-0.325m)(13540.9732Kg/m3) (9.78m/s2)PHg= 36021.15527 Pa

CLCULOS DE LA PRESIN MANOMTRICA.t (C)Clculos de la presin manomtricaPvac = Phid + pHg

90Pvac = (6796.949553 Pa)+( 5297.228716 Pa)Pvac =12094.17827 Pa

85Pvac = (6650.2528 Pa)+( 1324.307179 Pa)Pvac =7974.559979 Pa

80Pvac = (6552.454965 Pa)+( 1986.460768 Pa)Pvac =8538915733 Pa

75Pvac = (6259.061459 Pa)+( 7945.843074 Pa)Pvac =14204.90453 Pa

70Pvac = (5965.667953 Pa)+(16553.83974 Pa)Pvac =22519.50769 Pa

65Pvac = (5701.613798 Pa)+( 23440.23707 Pa)Pvac =29141.85087 Pa

60Pvac = (5506.018127 Pa)+( 28207.74291 Pa)Pvac =33713.76104 Pa

55Pvac = (5349.541591 Pa)+( 32842.81804 Pa)Pvac =38192.35963 Pa

50Pvac = (5212.524621 Pa)+( 36021.15527 Pa)Pvac =41233.77989 Pa

PRESIN ATMOSFRICA Patm = Pbar = hbar Hg gPatm = (0.471m)(13540.9732K/m3)(9.78m/s2)Patm = 62904.591 Pa

CLCULOS DE LA PRESIN DEL VACO.t (C)Clculos de la presin del vaco Pab = Patm- ( Phid + PHg)

90Pab = (62904.591 Pa)-(( 6796.949553 Pa)+( 5297.228716 Pa ))Pab =50810.41273 Pa

85Pab = (62904.591 Pa )-(( 6650.2528 Pa)+( 1324.307179 Pa))Pab =54930.03102 Pa

80Pab = (62904.591 Pa)-(( 6552.454965 Pa)+( 1986.460768 Pa))Pab =54365.67527 Pa

75Pab = (62904.591 Pa)-(( 6259.061459 Pa)+( 7945.843074 Pa))Pab =48699.68647 Pa

70Pab = (62904.591 Pa)-(( 5965.667953 Pa)+( 7945.843074 Pa))Pab =40385.08331 Pa

65Pab = (62904.591 Pa)-(( 5701.613798 Pa)+( 16553.83974 Pa))Pab =33762.74013 Pa

60Pab = (62904.591 Pa)-((5506.018127 Pa)+( 28207.74291 Pa))Pab =29190.82996 Pa

55Pab = (62904.591 Pa)-(() 5349.541591 Pa +(32842.81804 Pa))Pab =24554.75483 Pa

50Pab = (62904.591 Pa)-(( 5212.524621 Pa)+( 36021.15527 Pa))Pab =21670.81111 Pa

CONVERTIR LA PRESIN ABSOLUTA EN BARESt (C)Clculos de la presin absoluta en bares.

90Pab =50810.41273 Pa=0.5081041273 bar

85Pab =54930.03102 Pa=0. 5493003102 bar

80Pab =54365.67527 Pa=0. 5436567527 bar

75Pab =48699.68647 Pa=0. 4869968647 bar

70Pab =40385.08331 Pa=0. 4038508331 bar

65Pab =33762.74013 Pa=0. 3376274013 bar

60Pab =29190.82996 Pa=0. 2919082996 bar

55Pab =24554.75483 Pa =0. 2455475483 bar

50Pab =21670.81111 Pa=0. 2167081111 bar

VALORES DE LAS TABLAS TERMODINMICAS.

t (C)Presin bibliogrfica(bar)Volumen bibliogrfico(m3/Kg)

900.701402.3606

850.578302.8276

800.473903.4070

750.385804.1312

700.311905.0422

650.250306.1966

600.199417.6707

550.157589.5684

500.1235012.032

INTERPOLACIONES.

Y =

T1= 80.02C

V1=2.5424 m3/Kg

PABS-1 (bar)T BIBLIOGRAFICO(C)V BIBLIOGRAFICO (m3/Kg)

0.70140 BAR90 C2.3606

0.4575.87c3.99345

0.508104127386.73C2.5424

T2= C

V2= 3.7299m3/Kg

PABS-1 (bar)T BIBLIOGRAFICO(C)V BIBLIOGRAFICO (m3/Kg)

0.57830852.8276

0.4675.853.99345

0. 5493003102 bar

T3= C

V3= = 3. = m3/Kg

PABS-1 (bar)T BIBLIOGRAFICO(C)V BIBLIOGRAFICO (m3/Kg)

0.47390803.4070

0.44575.87 3.99345

0. 5436567527 bar

T4= C

V4= 3. = m3/Kg

PABS-1 (bar)T BIBLIOGRAFICO(C)V BIBLIOGRAFICO (m3/Kg)

0.38580754.1312

0.43 75.873.99345

0. 4869968647 bar

T5= C

V5= 3. = m3/Kg

PABS-1 (bar)T BIBLIOGRAFICO(C)V BIBLIOGRAFICO (m3/Kg)

0.31190705.0422

0.395 69.105.22918

0. 4038508331 bar

T6=C

V6= 3. = m3/Kg

PABS-1 (bar)T BIBLIOGRAFICO(C)V BIBLIOGRAFICO (m3/Kg)

0.25030650.25030

0.3769.10 5.22918

0. 3376274013 bar

T7= C

V7= 3. = m3/Kg

PABS-1 (bar)T BIBLIOGRAFICO(C)V BIBLIOGRAFICO (m3/Kg)

0.19941607.6707

0,35469.105.22918

0. 2919082996 bar

T8= C

V8= 3. = m3/Kg

PABS-1 (bar)T BIBLIOGRAFICO(C)V BIBLIOGRAFICO (m3/Kg)

0.15758559.5684

0.33569.105.22918

0. 2455475483 bar

T9= C

V9= m3/Kg

PABS-1 (bar)T BIBLIOGRAFICO(C)V BIBLIOGRAFICO (m3/Kg)

0.123505012.032

0.325 69.105.22

0. 2167081111 bar

Anlisis de Resultados

Teniendo en cuenta los resultados obtenidos, al aumentar la temperatura la presin disminuye, al disminuir la temperatura la presin aumenta por lo tanto la temperatura es directamente proporcional a la presin.

Ahora bien al observar los valores del volumen saturado entrando por presin y temperatura observamos que al aumentar el volumen la temperatura disminuye; por lo tanto el volumen y la presin son inversamente proporcionales.

Conclusin

Hemos comprobado bibliogrficamente as como experimentalmente, que la presin y la temperatura son directamente proporcionales; es decir si la temperatura aumenta, tambin la presin tiende a aumentar, en cambio la presin y el volumen son inversamente proporcionales; es decir; si el volumen aumenta, la presin disminuye, y si la presin aumenta el volumen disminuye.