GASES: CONCEPTO

T

.

R

.

M

m

V

.

P

m

=

Mecnica de Fluidos I Los Gases

TEMA: GASES

1. CONCEPTO.

La palabra gas fue acuada por Juan Bautista Van Helmont, un cientfico nacido en Bruselas, que vivi entre 1579 y 1644, tomando como base la palabra latina chaos que significa sustancia sutil o vapor enrarecido. Los gases conforman con los lquidos, el gnero de los fluidos, y dentro de stos, son fluidos comprensibles. Los gases son, entre otros, el objeto de estudio de la termodinmica.

El gaseoso es un estado de agregacin de la materia de los cuatro existentes, compuesto por molculas cargadas de energa, que no se hallan entre ellas unidas, y que no ejercen entre s fuerza de atraccin, lo que provoca que no tengan volumen ni forma precisas.

El grupo VIII de la tabla peridica est integrado por los gases nobles, que son muy estables, monoatmicos, y con su ltimo orbital formado por ocho electrones. Son el helio, el nen, el criptn, el argn, el radn y el xenn.

El gas natural provee energa extrada en general de pozos de petrleo, formado por una mezcla de gases, sobre todo metano.

Es una fuente energtica no renovable.

El gas pobre es una mezcla gaseosa de poco poder luminoso, formado fundamentalmente por hidrgeno y xido de carbono, obtenido de la interaccin del vapor de agua y el aire, sobre el carbn candente.

En operaciones militares se usan gases que al ser difundidos en el aire producen efectos txicos o irritantes en el organismo.

En Biologa se denominan gases a la presencia de aire en los intestinos. Tambin recibe el nombre de aerofagia, meteorismo o flatulencia. Pueden ser expulsados por el ano o por la boca.

2. DIFERENCIA CON LOS LQUIDOS.

Sublimacin

V

.

P

T

.

R

.

m

M

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.

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Solidificacin Condensacin

Sublimacin regresiva

Evaporacin

Vaporizacin

Ebullicin

Evaporacin: Afecta slo a la superficie libre del lquido y tiene lugar a cualquier temperatura.

Ebullicin: Afecta a todo el lquido y tiene lugar a una cierta temperatura, aunque sta depende de la presin exterior.

Las caractersticas de los tres estados basadas en descripciones macroscpicas, es decir, que pueden constatarse sin utilizar ms que los propios sentidos humanos sin ayudas auxiliares, son las siguientes:

Gases:

-Carecen de forma definida.

-No poseen un volumen propio.

-Son expansibles y compresibles, es decir, tienden a ocupar totalmente el recipiente en el que se introduzcan, y si se reduce el volumen del recipiente, el gas se comprime fcilmente y se adapta al menor volumen.

Lquidos:

-Carecen de forma definida.

-Poseen su propio volumen definido.

-Son poco o nada compresibles y expansibles.

Slidos:

-Tienen forma propia.

-Tienen un volumen definido.

-No son compresibles ni expansibles, a no ser que se ejerza sobre ellos fuerzas de gran intensidad.

Tanto los gases como los lquidos tienen la propiedad de adaptarse a la forma del recipiente que los contienen, as como la de escapar por un orificio que se practique en el recipiente, por lo que reciben el nombre de fluidos.

Normalmente, un lquido tiene una densidad mucho mayor (700 a 1.700 veces) que un gas, mientras que un slido tiene una densidad ligeramente mayor que un lquido.

3. LEYES DE LOS GASES

Cualquier muestra dada de un gas puede describirse en funcin de cuatro propiedades fundamentales: masa, volumen, presin y temperatura. La investigacin de estas propiedades con el aire condujo a establecer relaciones cuantitativas entre ellas, vlidas para todos los gases.

3.1. LEY DE BOYLE-MARIOTTE: PRESION Y VOLUMEN

El que los gases son compresibles es un hecho familiar. Cuando se aumenta la presin sobre una cantidad dada de un gas, como sucede en una bomba neumtica, el volumen del gas disminuye: cuanto mayor es la presin menor se hace el volumen. En 1.660, el qumico ingls Robert Boyle estudi los efectos de la presin sobre el volumen de aire, observ que cuando duplicaba la presin el volumen de aire se reduca a la mitad; si la presin se multiplica por cuatro el volumen se reduce a la cuarta parte de su valor original, etc. Esta relacin ha resultado ser vlida para cualquier gas.

V

.

P

T

.

R

.

m

M

m

=

En otras palabras, lo que Boyle encontr es que:

Para una determinada masa de gas el volumen es inversamente proporcional a la presin ejercida, si la temperatura se mantiene constante:

T

.

R

.

M

m

V

.

P

m

=

; (T y m constantes)

Se puede enunciar tambin de la siguiente forma:

"Para una misma masa de un gas a temperatura constante el producto del volumen del gas por la presin que ejerce es constante"

2

2

1

1

T

V

T

V

=

Esta relacin es conocida como Ley de Boyle-Mariotte.

Una forma conveniente de escribir la ley de Boyle para comparar la misma muestra de gas, a temperatura constante, bajo diferentes condiciones de presin y volumen, es

2

2

1

1

T

P

T

P

=

; (T y m constantes)

Si la presin y el volumen de una cantidad dada de un gas son inicialmente P1 y V1 y la presin se cambia hasta P2, el nuevo volumen V2, viene dado por esta relacin.

El hecho de que un gas es compresible repercute en su densidad; cuanto ms se comprime tanto ms denso se hace. Ello es debido a que el mismo nmero de molculas y la misma masa ocupan un volumen menor. Por ejemplo, el aire que se encuentra directamente sobre la superficie de la tierra est comprimido por la masa de aire que se encuentra sobre l; por tanto, cuanto mayor es la altura menos comprimido est el aire. El resultado es que la densidad y la presin del aire decrecen conforme aumenta la altitud. As, a nivel del mar es de 1 atm, y a 2.500 m ( en las Montaas Rocosas) la presin es de slo 0,75 atm y a 8.000 m ( en el Himalaya, donde estn las cimas ms altas del mundo) la presin atmosfrica es de nicamente 0,47 atm.

A.2.- Calcula el volumen ocupado por una muestra de hidrgeno a 3,00 atm si dicha muestra tiene un volumen de 6,20 l a una presin de 1,05 atm. Sol.- 2,17 l.

3.2. LEY DE CHARLES y GAY-LUSSAC: TEMPERATURA Y VOLUMEN

Unos cien aos despus del trabajo de Boyle, Charles y Gay-Lussac investigaban el efecto que produce en el volumen el cambio de la temperatura de una cantidad dada de aire para la que la presin se mantuviera constante. Encontraron que el gas se expanda al calentarse. Adems, los experimentos demuestran que la expansin de un gas es uniforme; as, por cada grado de aumento de la temperatura, el aumento de volumen del gas es de 1/273 veces su volumen a 0 C. Por tanto, tal y como muestra la figura (a), el volumen de un gas es una funcin lineal de su temperatura Celsius (la grfica V- t es una recta). El volumen del gas se va contrayendo a medida que la temperatura desciende pero si sta es lo suficientemente baja, el gas se lica (la recta se corta). Si prolongamos la recta obtenemos por extrapolacin que la temperatura a la cual el volumen de cualquier gas debera ser nulo es 273 C.

.

1

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(K)

Figura a Figura b

En la prctica, todos los gases se condensan para dar lquidos y slidos a temperaturas superiores a los 273 C por lo que, de hecho, ningn gas puede ser enfriado hasta que se anule su volumen. Sin embargo, la idea de que existe una temperatura que es la mnima posible- es decir, un cero absoluto de temperaturas- es de extraordinaria importancia. En lugar de escoger arbitrariamente el punto de fusin del hielo como el cero de la escala de temperaturas, como se hace en la escala Celsius, es posible escoger de forma lgica y conveniente el cero absoluto como cero de una escala de temperaturas. Esta eleccin del cero constituye la base de la escala absoluta o kelvin de temperaturas que fue sugerida por primera vez por el cientfico britnico Lord Kelvin (1824-1.907).

De acuerdo con medidas precisas, el cero absoluto de temperaturas es -273,15 C.

As, 0 K = - 273,15 C , y la escala Kelvin (K) se relaciona con la Celsius mediante la expresin:

H

de

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H

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Debe observarse que, por convenio, el signo de grado () no se utiliza cuando se expresan las temperaturas en la escala Kelvin. La unidad en la escala absoluta es el Kelvin (K) y una temperatura tal como 100 K se lee como "cien Kelvins".

Cuando la temperatura se expresa en la escala absoluta el volumen de un gas resulta directamente proporcional a la temperatura (figura b), lo que no se cumple si la temperatura se mide en la escala Celsius. Esta expresin se resume en la Ley de Charles y Gay-Lussac:

"Para una determinada cantidad (masa) de un gas que se mantiene a presin constante, el volumen es proporcional a su temperatura en la escala Kelvin".

.

75

,

25

;

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.

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P

K

mol

K

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P

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Una forma conveniente de escribir la ley de Charles y Gay-Lussac para comparar la misma muestra de gas, a presin constante, bajo diferentes condiciones de volumen y temperatura, es

A.3.- A qu temperatura debe enfriarse una muestra de nitrgeno de 900 ml de volumen a 25C para que su volumen se reduzca hasta 350 ml?.

Sol.- 116 K = -157 C.

Puesto que el volumen de un gas depende tanto de la presin como de la temperatura, decir que una cierta muestra de gas ocupa un volumen concreto no resulta suficiente, la presin y la temperatura tambin deben ser especificadas. Para que las comparaciones resulten ms sencillas, lo que se suele hacer es referir el volumen de una muestra dada de un gas a 0 C (273,15 K) y 1 atm; estas condiciones son conocidas como condiciones normales (lo que se suele abreviar como c.n.).

3.3. 2 LEY DE GAY-LUSSAC: PRESION Y TEMPERATURA

Gay-Lussac tambin estudi el efecto que produce en la presin el cambio de la temperatura de una cantidad dada de aire manteniendo el volumen constante. Encontr que la presin del gas aumentaba uniformemente al calentarse.

Si la temperatura se expresa en C se obtiene una funcin lineal como muestra la figura a, mientras que si se expresa en K, se observa que la presin es directamente proporcional a la temperatura absoluta ( figura b).

(K)

Figura a Figura b

"Para una determinada cantidad (masa) de un gas que se mantiene a volumen constante, la presin es proporcional a su temperatura en la escala Kelvin".

Para la misma muestra de gas, a volumen constante, bajo diferentes condiciones de presin y temperatura:

3.4. ECUACIN GENERAL DE LOS GASES IDEALES

Combinando las leyes vistas anteriormente:

P . V = constante ( para T y m constantes):Ley de Boyle

V / T = constante (para P y m constantes):Ley de Charles y Gay-Lussac

P / T = constante (para V y m constantes):2 Ley de Gay-Lussac

V = n . constante (para P y T constantes):Ley de Avogadro

se obtiene la ecuacin conocida como ecuacin general de los gases ideales:

P V / n .T = constante o bien

donde R es una constante denominada constante de los gases. Si la presin se expresa en atmsferas, el volumen en litros y la temperatura en K, el valor de R es de 0,082 atm.l/mol.K, mientras que en el S.I. el valor de R = 8,3 J / mol .K

Para una cantidad determinada de gas, la ley de los gases ideales puede expresarse tambin en funcin de las condiciones iniciales y las finales:

La ecuacin de los gases ideales, se cumple estrictamente para los llamados gases ideales: gases hipotticos en los que el tamao de las molculas es absolutamente despreciable frente a la distancia existente entre las molculas (volumen nulo) y en el que adems no existieran fuerzas intermoleculares. Sin embargo, el comportamiento de los gases reales difiere ligeramente del ideal a causa del tamao de las molculas y tambin porque existen fuerzas intermoleculares. No obstante, para todos los clculos que se efectan normalmente, puede suponerse que los gases reales se comportan como se fueran ideales. La ecuacin de los gases ideales se aplica con bastante exactitud a todos los gases cuando se encuentran a presiones muy bajas y temperaturas elevadas, es decir, cuando las molculas estn muy alejadas unas de otras y se desplazan con velocidades elevadas. Sigue siendo una buena aproximacin bajo la mayora de las condiciones posibles, pero se hace menos exacta cuando las presiones son muy elevadas y las temperaturas muy bajas. A presiones muy elevadas ya no se puede seguir considerando despreciable el volumen de las molculas frente a las distancias intermoleculares. Por tanto, el volumen de un gas resulta ser algo mayor que lo esperado de acuerdo con la ley de Boyle. A temperaturas muy bajas las molculas se mueven lentamente y su energa cintica es pequea. Entonces, incluso fuerzas intermoleculares dbiles hacen que las molculas se mantengan unidas en cierta medida y el volumen del gas es algo menor que el predicho por la ley de Charles.

A partir de la ley de los gases ideales se pueden deducir las leyes anteriores, sin ms que hacer constantes las correspondientes variables:

Si T y m (n) son constantes: P.V = n.R.T = cte.cte.cte = cte ; P . V = cte Ley de Boyle

Si P y m (n) son constantes: P.V = n.R.T ; cte .V = cte.cte. T ; V / T = cte Ley de Charles

Si V y m (n) son constantes: P.V = n.R.T ; P.cte = cte.cte.T ; P / T = cte 2 ley de Gay-Lussac

Si P y T son constantes: P . V = n . R . T ; cte.V = n.cte.cte ; V = n . cte Ley de Avogadro

A.4.- Calcular el nmero de moles de hidrgeno contenido en una muestra de 100 cm3 a una temperatura de 300 K y una presin de 750 mmHg. Sol.- 4,01.10-3 moles.

A.5.- Calcular la presin que ejercen 3,00 g de N2 gas en un recipiente de 2,00 l de capacidad a la temperatura de 23 C. Dato: Ar(N)= 14. Sol.- 1,10 atm.

A.6.- Si una muestra de oxgeno gaseoso tiene un volumen de 425 ml a 70 C y 0,950 atm de presin, cul ser su volumen en c. n.?. Sol.- 321,4 ml.

3.3.1. APLICACIONES DE LA LEY DE LOS GASES IDEALES

a) Clculo de la masa molecular de un gas

De acuerdo con la ley general de los gases: P . V = n . R . T

y como el nmero de moles, n, es igual a: n = m / M (masa de un mol) , resulta:

, si despejamos la masa molar, M, tenemos:

Conociendo el valor de la masa de un mol (masa molar) se puede deducir fcilmente el valor de su masa molecular (mismo valor numrico pero expresado en u).

En consecuencia, siempre que una sustancia pueda vaporizarse sin descomposicin, la medida de la masa de un volumen conocido en estado gaseoso es el camino ms prctico para hallar la masa molecular

b) Clculo de la densidad de un gas

De la ecuacin general de los gases:

;

2

5

,

48

97

=

, es decir:

T

.

R

.

V

m

M

.

P

m

=

teniendo en cuenta que la densidad es: d = m / V , resulta:

T

.

R

.

d

M

.

P

m

=

por lo que podremos determinar la densidad de un gas a partir de:

3.5. LEY DE DALTON DE LAS PRESIONES PARCIALES

En una mezcla de gases en la que no se produce ninguna reaccin entre ellos, cada uno de los gases se distribuye uniformemente a travs del recipiente y cada molcula se mueve independientemente de las dems, es decir, del mismo modo que lo hara en ausencia de molculas de los otros gases. Por lo tanto, la presin ejercida por cualquier gas de una mezcla es la misma que ejercera si el gas llenara por s solo el recipiente. Esta presin es denominada presin parcial del gas.

En consecuencia: "La presin total ejercida por una mezcla gaseosa es igual a la suma de las presiones parciales de los gases componentes de la mezcla".

donde P1, P2, etc., representan las presiones parciales de cada gas en la mezcla. Esta ley fue formulada por John Dalton en 1.803 y es conocida como la ley de Dalton de las presiones parciales.

Como la presin parcial de un gas es proporcional al nmero de moles de dicho gas ( y por tanto al nmero de molculas) presentes en la mezcla: Pi = k . ni , sabiendo el valor de la presin total se puede calcular la presin parcial de cada gas, si se conoce su composicin volumtrica o molecular.

Ejemplo: en la atmsfera el 78% de las molculas son de N2, el 21% son de O2 y el 1% de Ar. Si la presin total es de 1,00 atm, el nitrgeno ejerce una presin parcial de 0,78 atm, el oxgeno 0,21 atm y el argn 0,01 atm.

En general, para un gas, i, de la mezcla:

La ecuacin de los gases ideales se le puede aplicar a la mezcla y a todos y cada uno de los gases de la mezcla.

As, por ejemplo, para el gas 2 se cumplir P2.V = n2.R.T, siendo V el volumen total de la mezcla gaseosa.

En general, para el gas i, se cumplir Pi.V = ni.R.T. Para toda la mezcla: PT . V = nT .R . T.

Si en una mezcla de gases se produce una reaccin entre sus componentes, para determinar la presin total hay que tener en cuenta la estequiometra de la reaccin.

A.7.- Un matraz de 2 litros contiene 3 g de dixido de carbono, CO2, y 0,1 g de helio, He. La temperatura de la mezcla es de 17 C. Cules son las presiones parciales de CO2 y He?. Cul es la presin total ejercida por la mezcla gaseosa?. Datos: masas atmicas C = 12 , O = 16 , He = 4

Sol.- 1,11 atm.

INTERPRETACIN DE LAS LEYES DE LOS GASES POR LA TEORA CINTICA

El hecho de que haya grandes distancias entre las molculasde los gases y que las fuerzas intermoleculares sean muy dbiles, despreciables, hace que las molculas sean independientes unas de otras, por lo que las propiedades de los gases son independientes de la naturaleza de los mismos, es decir, todos los gases se comportan del mismo modo. Por el contrario, en un slido o en un lquido, las propiedades dependen de la intensidad de las fuerzas intermoleculares, as como del tamao y forma de las molculas.

a) Ley de Boyle-Mariotte ( P.V = cte , para m y T ctes):

Supongamos que tenemos una cierta masa de gas encerrada en un recipiente cuya cubierta superior est provista de un mbolo mvil. Al reducir el volumen a la mitad manteniendo constante la temperatura, y por tanto las molculas movindose a la misma velocidad, el nmero de colisiones por unidad de superficie que se producirn contra las paredes del recipiente ser el doble, ya que el espacio se ha reducido a la mitad. En consecuencia la presin alcanzar un valor doble de la original.

b) Ley de Charles y Gay-Lussac ( V = cte . T , para m y P ctes):

Si tenemos una cierta masa de gas encerrada en un recipiente provisto de un mbolo mvil a una cierta temperatura, las molculas chocarn contra las paredes del recipiente y el mbolo ejerciendo una cierta presin que equilibra a la presin atmosfrica exterior. Al calentar el gas, las partculas se mueven ms deprisa, producindose un mayor nmero de choques contra el mbolo, y por tanto, un aumento de la presin interior que superar a la presin atmosfrica exterior, lo que hace que el mbolo se desplace con el consiguiente aumento de volumen.. Este aumento de volumen reduce el nmero de colisiones contra el mbolo y por tanto se reduce la presin interior. De esta forma, el desplazamiento del mbolo tiene lugar hasta que la presin interior vuelve a equilibrarse con la presin exterior. As pues, a presin constante, el volumen aumenta conforme lo hace la temperatura.

c) 2 Ley de Gay-Lussac ( P = cte . T , para m y V ctes)

Supongamos un recipiente de volumen constante que contiene una cierta masa de gas. Al aumentar la temperatura aumenta la velocidad de las molculas, producindose un mayor nmero de choques contra las paredes del recipiente, lo que origina un aumento de la presin.

Cero absoluto de temperaturas (lmite inferior de temperaturas)

Al enfriar un gas la velocidad y la energa cintica media de sus molculas disminuye, por lo que debe alcanzarse una temperatura a la cual la energa cintica y la velocidad se anulen. Lgicamente, no pueden disminuirse ms all de este lmite, y sta debe ser la temperatura ms baja que puede alcanzarse (cero absoluto = 0 K).

4. UTILIDADES

4.1. UTILIDADES GENERALES

Aire: Oxgeno, Nitrgeno, Argn, Dixido de Carbono, partculas de polvo, holln de calefacciones, agua) (21% O2, 78% N2, 0.95% Ar 0.035% CO2. [En peso: 76%, 23%, 1.28%, 0.053%]) Respiracin de animales y plantas

Aire pulmonar O2 Buceo a pulmn libre.

Aire depurado O2 Buceo equipos ayuda respiratoria.

Aire-Helio O2-N2-He (hasta 10%) Buceo de profundidad y respiracin de asmticos. Cmaras hiperbricas.

Oxgeno-Dixido de Carbono-Luz solar O2-CO2-Luz solar Fotosntesis de plantas que expulsan de da O2 y absorben CO2, invirtiendo el proceso por la noche en ausencia de luz solar.

Oxgeno muy disuelto en agua O2 Piscifactoras de truchas asalmonadas.

Gases con los que cocinamos:Se inflaman con chispa o llama y se mezclan con aire cuyo O2 aporta poder calorfico y mejora la combustin para desprender CO2 y Agua.

Butano C4H10 Cocinar.

Gas natural: Aire metanado O2-N2-CH4 (4%) Cocinar. Con detector de fugas odorante

Propano C3H8 Cocinas comunitarias

Gases en el hogar:

Aire comprimido, Monxido de Carbono O2-N2 Pistolas de caza en cartucho. Como impulsor

Bromofluorcarbonados Br2F2C Acondicionadores de aire de coches. Antes se usaban Clorofluorcarbonados.

Butano C4H10 Frigorficos como refrigerante

Cloro gas Cl Aguas cloradas para desinfeccin bebida.

Lser Lmpara -- Lectores, grabadores de CD-ROM, Compact-Disk y DVD, punteros, llaveros y trazadores de rectas.

Nitrgeno N2 Sillones ajustables por hidralico rellenado.

Protxido de Nitrgeno N2O Envases de nata montada. Como impulsor,

Protxido de Nitrgeno N2O Envases de lacas y productos dosificados en spray. Como impulsor

Gases en la Alimentacin: Atmsferas protectoras en el envasado.

Oxgeno, Nitrgeno, Dixido de Carbono O2-N2-CO2 Carnes cocidas y embutidos, envasados a vaco compensado y productos preparados o precocinados de charcutera.

Nitrgeno, Dixido de Carbono O2-N2-CO2 Lechugas y verduras crudas envasadas y productos preparados o precocinados de repostera, patatas fritas (plum-cakes, pan de molde y otros envasados en film)

Nitrgeno N2 Caf y Cacao.

Ultracongelacin (Entre -70 y -196C )

Dixido de Carbono Nitrgeno liq. CO2, N2 Liq. Pescados, masas para pan, pizzas, churros, croissants, patatas para frer, tortillas espaolas, esprragos, pimientos del piquillo, brcoli, guisantes, manzanilla, azafrn, fresas, champin.

Nitrgeno N2 Liq. Glaseado (capa helada] en mariscos.

Bebidas y Frutas:

Dixido de Carbono CO2 Vinos de aguja, gasificados, jvenes, refrescos, gaseosas y bebidas carbnicas.

Aire enrarecido, Glucosa O2-N2, C6H12O6 Fermentacin de jugos azucarados a mosto-vino, cerveza

Nitrgeno N2 Desplazar Aire de parte superior de depsitos. O se pican pasando de vino a vinagre

Oxgeno O2 Maduracin de manzanas, desprende Dixido de carbono.

Nitrgeno-Fluorclorocarbonados o Etileno en Nitrgeno 5% N2-F2Cl2C,C2H4 Desverdizacin de platanos y ctricos de verde a amarillo. Crecimiento de patatas y otros tubrculos.

Maduracin de vegetales en general.

Oxgeno, Dixido de Carbono-humedad O2, CO2, H2O Cmaras climticas conservacin en fro.

Dixido de Carbono sonda CO2 gas-Liq. Refrigeracin porttil e impulsin de cerveza, helados

xido de Etileno en Dixido de Carbono 10-90% CO

Desinsectacin de frutas.

Dixido de Carbono CO2 Implosin de uva, la pepita se deshace totalmente por traccin

Dixido de Carbono CO2 Implosin para perforar tneles con chorro de lodos y agua comprimidos a 2000 atmsferas

Gases en los hospitales:

Aire depurado O2-N2 Respiracin asistida

Nitrgeno liq. N2 liq. Ultracongelacin de semen (fecundacin in-vitro), cultivos y tejidos.

Protxido de Nitrgeno N2O Anestesia, gas hilarante. Antes Oxidos de metilo y etilo o teres

xido de Etileno C2H4O Esterilizacin de instrumental ciruga

Hidrgeno en Nitrgeno H2-N2 Acidez estomacal muestra patrn.

Lser Medicinal He-Ne, He-CO2, rub-Ar Dermatologa, oftalmologa

Dixido de Carbono en Oxgeno CO2-O2 (5%-95%) Intoxicaciones por inhalacin de humos o con inyeccin de cobalamina.

Gases para calentar, soldar y cortar en la Industria:

Dixido de carbono, Argn-Carbnico CO2, Ar (125-95%], O2, H2, He, Ar-O2 98-2%, Ar-H2 90-10%, Ar-He) Soldadura de aceros. En USA sustituyen Argn por Helio.

Oxgeno O2 Lanzallamas y lanza trmica para desforestar, fundicin y corte de hormign.

Oxgeno-Acetileno O2-C2H2 Abujardado de mrmol con soplete acetilnico.

Propano ( Butano) y Oxgeno u Oxgeno-Acetileno C3H6, C4H10, O2, O2, C2H2 Corte de aceros

Gases en Aplicaciones diversas:

Agua gasificada O2 Piscifactoras de truchas asalmonadas.

Aire O2-N2 Levantamiento de pesos por neumticos de hinchado automtico.

Aire O2-N2 Impulsor energtico de molinos, respiracin

Aire, Agua, polvo, humo O2-N2 Aerosoles (slido lquido dispersado en un gas). Niebla, humo, roco

Argn, Sodio v., Mercurio v. o Halgenos de Flor Na, Hg, F, Ne, Ar Lmparas iluminacin y tubos de rtulos luminosos rojos-Nen, azules-Ar-Hg o verdes Ne-Ar-Hg

Dixido de Carbono CO2 Agua caliente Niebla discotecas

Dixido de Carbono o Halones CO2 Extintores contra incendios de equipos elctricos. Impiden accin del O2.

Helio He Termmetros de bajas temperaturas

Helio o H2 He, H2 Globos sonda y dirigibles.

Nitrgeno N2 Telecomunicaciones: Secado y presurizado de cables de telefona.

Nitrgeno N2 Eliminacin de grafittis: Hielo seco proyectado

Propano-Butano C3H6, C4H10 Aerostacin: Globos con aire calentado

Salitre, Azufre, Carbn, Agua NO3K, C, S Plvora, voladuras[750g,140g,100g,1g prensados dan 246 Litros de gases CO2 y N2]

Para anestesiar antes de las operaciones.

Para hacer pruebas funcionales de pulmn.

Laser quirrgico.

Laser quirrgico.

Laser eximer

Para hacer cromatografa gaseosa.

Para hacer resonancia magntica nuclear.

Para hacer Tomografa computarizada.

Para realizar ciruga ocular.

No tendras gas para el calefn te baaras todos los das con agua fra.

La industria de los alimentos, qumica y metalrgica la ocupan a diario.

Los globos aerostticos calculan la presin y volumen de helio.

La mayora de los reactivos qumicos (en estado de gas) se elaboran teniendo en cuenta la ecuacin de estado.

4.2. UTILIDADES APLICADAS A LA INGENIERIA

Metalurgia

Tratamiento Trmico: templado, carburizado, nitrurado, soldado, sinterizado.

Procesos de Alta Temperatura: fusin, combustin, purga, purificacin.

Hidrometalurgia: flotacin y lixiviacin con gases.

Tecnologa de Alimentacin

Tecnologa de Refrigeracin: congelado rpido, empacado con gas inerte, refrigeracin en trnsito, molienda en fro sin "costras", lanzado de nieve.

Biotecnologa: congelado de substancias biolgicas, crio-digestin de clulas vivientes, secado por congelacin sin el uso de CFC.

Tratamiento de Bebidas: Aumento de perodo de almacenaje, gases para dispensar bebidas en barril o chopp, sistemas de almacenaje y suministro.

Empacado y Almacenaje con gases inertes produccin

Tecnologa de Procesos Industriales

Inertizado de procesos para prevenir explosiones de polvo y combustin por incandescencia.

Tecnologas Criognicas: nitrgeno lquido, p.e. para reciclado de plsticos y congelado de suelos en ingeniera civil especializada.

Industria Qumica

Gases Reactivos para produccin.

Gases Inertes para la prevencin de fuego y explosiones.

Tecnologa Ambiental.

Procesos Crio-tcnicos para refrigeracin controlada, molienda en fro y biotecnologa.

Oxgeno para procesos de combustin

Gases Especializados para uso en laboratorio

Plantas para recuperacin de gas

Electrnica

Gases especiales para la fabricacin de componentes electrnicos, tales como los semi-conductores.

Consultora, planeamiento, construccin y arranque de sistemas de suministro de gas.

Tecnologa Ambiental

Tratamiento de agua bebible, tratamiento de aguas desechadas, proteccin de canales, cultivo de peces.

Reciclaje.

Control de emisiones, tratamiento de aire desechado, tecnologa de gases de calibracin, cromatografa de gases, tratamiento de deshechos especiales, recuperacin de gases residual, disposicin de gases txicos.

Cuidado de la Salud

Gases para terapia y diagnstico

Ciruga lser

Terapias domiciliarias

Terapias clnicas

Crio-Terapia, crio conservacin, crio-ciruga

Suministro de Gases

Cilindros y recipientes de gases

Sistemas de suministro por red tuberas

Cilindros de almacenamiento criognico

Lneas de transferencia Super-aisladas

Recipientes Super-aislados para gases lquidos de baja temperatura

Sistema de suministro de gases

Conceptos de Suministro

Procesos criognicos de separacin de aire Generadores N2 , generadores O2, Sistemas de separacin de aire (N2, O2, Ar).

Procesos de separacin de aire No Criognicos Sistemas de Membrana (N2, H2), Sistemas PSA (N2, O2), Sistemas VSA (O2), Sistemas VPSA (O2), Sistemas LPSA (O2).

Produccin de gas sinttico Reformadores de Vapor.

Gases para Corte y Soldadura

Argn, mezclas de argn, helio, acetileno, oxgeno, nitrgeno.

ARGOMIX para soldadura de materiales de acero.

MESSOLD para tecnologa de corte autgeno.

Gases y mezclas de gas para tecnologa de corte lser.

Gases Especializados

Produccin de fibra de vidrio

Gases para uso de Laboratorio(ISOTOP)

Gases de aislamiento para paneles de vidrio doble

Fluorinacin, por ej. tratamiento de superficie de plsticos

Tecnologa de Corte y Soldadura

Sistema de corte.

Tecnologa Oxi-combustible (Oxy-fuel).

Soldadura orbital.

Soldadura por resistencia.

Tecnologa de rayos lser y electrones.

Sistemas automatizados.

5. PROBLEMAS (10)

1.- Una cantidad de gas ocupa un volumen de 80 cm3 a una presin de 750 mm Hg. Qu volumen ocupar a una presin de 1,2 atm. si la temperatura no cambia?

Como la temperatura y la masa permanecen constantes en el proceso, podemos aplicar la ley de Boyle: P1.V1 = P2.V2

Tenemos que decidir qu unidad de presin vamos a utilizar. Por ejemplo atmsferas.

Como 1 atm = 760 mm Hg, sustituyendo en la ecuacin de Boyle:

3

2

2

3

8

,

65

;

2

,

1

80

/

760

750

cm

V

V

atm

cm

atm

mmHg

mmHg

=

=

Se puede resolver igualmente con mm de Hg.

2.- El volumen inicial de una cierta cantidad de gas es de 200 cm3 a la temperatura de 20C. Calcula el volumen a 90C si la presin permanece constante.

Como la presin y la masa permanecen constantes en el proceso, podemos aplicar la ley de Charles y Gay-Lussac:

El volumen lo podemos expresar en cm3 y, el que calculemos, vendr expresado igualmente en cm3, pero la temperatura tiene que expresarse en Kelvin.

.

78

,

247

;

363

293

200

3

2

2

3

cm

V

K

V

K

cm

=

=

3.- Una cierta cantidad de gas se encuentra a la presin de 790 mm Hg cuando la temperatura es de 25C. Calcula la presin que alcanzar si la temperatura sube hasta los 200C.

Como el volumen y la masa permanecen constantes en el proceso, podemos aplicar la ley de Gay-Lussac:

La presin la podemos expresar en mm Hg y, la que calculemos, vendr expresada igualmente en mm Hg, pero la temperatura tiene que expresarse en Kelvin.

4.- Disponemos de un recipiente de volumen variable. Inicialmente presenta un volumen de 500 cm3 y contiene 34 g de amonaco. Si manteniendo constante la P y la T, se introducen 68 g de amonaco, qu volumen presentar finalmente el recipiente?

P. a. (N)=14; P. a. (H)=1.

Manteniendo constante la P y la T, el volumen es directamente proporcional al nmero de moles del gas. El mol de amonaco, NH3, son 17 g luego:

Inicialmente hay en el recipiente 34 g de gas que sern 2 moles y al final hay 192 g de amonaco que sern 6 moles.

.

1500

;

6

2

500

;

3

2

2

3

2

2

1

1

cm

V

moles

V

moles

cm

n

V

n

V

=

=

=

5.- Un gas ocupa un volumen de 2 l en condiciones normales. Qu volumen ocupar esa misma masa de gas a 2 atm y 50C?

Como partimos de un estado inicial de presin, volumen y temperatura, para llegar a un estado final en el que queremos conocer el volumen, podemos utilizar la ley combinada de los gases ideales, pues la masa permanece constante:

;

.

1

1

1

0

T

V

P

T

V

P

o

o

=

la temperatura obligatoriamente debe ponerse en K

l

V

K

atm

K

l

atm

V

K

V

atm

K

l

atm

18

,

1

;

273

.

2

373

.

2

.

1

;

373

.

2

273

2

.

1

1

1

1

=

=

=

Como se observa al aumentar la presin el volumen ha disminuido, pero no de forma proporcional, como predijo Boyle; esto se debe a la variacin de la temperatura.

6.- Un recipiente cerrado de 2 l. contiene oxgeno a 200C y 2 atm. Calcula:

a) Los gramos de oxgeno contenidos en el recipiente.

b) Las molculas de oxgeno presentes en el recipiente.

P. a.(O)=16.

a) Aplicando la ecuacin general de los gases PV=nRT podemos calcular los moles de oxgeno:

.

1

,

0

;

473

.

.

.

082

,

0

.

2

.

2

2

O

de

mol

n

K

mol

k

l

atm

n

l

atm

=

=

g

X

mol

X

mol

es

O

de

g

2

,

3

;

1

,

0

1

32

2

=

=

.

b) Utilizando el NA calculamos el nmero de molculas de oxgeno:

2

22

2

2

2

23

10

.

023

,

6

;

1

,

0

1

10

.

023

,

6

O

de

molculas

X

O

de

X

O

de

mol

son

O

de

molculas

=

=

7.- Tenemos 4,88 g de un gas cuya naturaleza es SO2 o SO3. Para resolver la duda, los introducimos en un recipiente de 1 l y observamos que la presin que ejercen a 27C es de 1,5 atm. De qu gas se trata?

P. a.(S)=32.P. a.(O)=16.

Aplicando la ecuacin general de los gases PV=nRT podemos calcular los moles correspondientes a esos 4,88 gramos de gas:

.

061

,

0

;

300

.

.

.

082

,

0

.

1

.

5

,

1

2

O

de

mol

n

K

mol

k

l

atm

n

l

atm

=

=

La masa molar del gas ser:

g

X

mol

X

moles

son

g

Si

80

;

1

061

,

0

88

,

4

=

=

Como la M(SO2)=64 g/mol y la M(SO3)=80g/mol. El gas es el SO3

8.-Un mol de gas ocupa 25 l y su densidad es 1,25 g/l, a una temperatura y presin determinadas. Calcula la densidad del gas en condiciones normales.

Conociendo el volumen que ocupa 1 mol del gas y su densidad, calculamos la masa del mol:

1

1

.

V

m

r

=

g

l

l

g

m

25

,

31

25

.

/

25

,

1

=

=

.

Como hemos calculado la masa que tienen un mol y sabemos que un mol de cualquier gas ocupa 22,4 litros en c.n., podemos calcular su densidad:

l

g

l

g

V

m

/

40

,

1

4

,

22

25

,

31

2

2

=

=

=

r

9.- Un recipiente contienen 100 l de O2 a 20C. Calcula: a) la presin del O2, sabiendo que su masa es de 3,43 kg. b) El volumen que ocupara esa cantidad de gas en c.n.

a) Aplicamos la ecuacin general de los gases PV=nRT pero previamente calculamos los moles de gas:

b) Para calcular el volumen que ocupan los 107,19 moles en c.n.

podemos volver a aplicar la ecuacin PV=nRT con las c.n. o la siguiente proporcin:

.

2401

;

19

,

107

4

,

22

.

.

1

l

X

X

moles

l

siempre

ocupa

n

c

en

gas

de

mol

=

=

10.- Calcula la frmula molecular de un compuesto sabiendo que 1 l de su gas, medido a 25C y 750 mm Hg de presin tiene una masa de 3,88 g y que su anlisis qumico ha mostrado la siguiente composicin centesimal: C, 24,74 %; H, 2,06 % y Cl, 73,20 %.

P. a.(O)=16. P. a.(H)=1. P. a.(Cl)=35,5

Primero calculamos la frmula emprica:

C

de

tomos

moles

mol

g

C

g

06

,

2

/

12

74

,

24

=

Como las tres relaciones son idnticas, la frmula emprica ser: CHCl.

Para averiguar la frmula molecular, necesitamos conocer la masa molar del compuesto. La vamos a encontrar a partir de la ecuacin general de los gases: PV=nRT.

.

04

,

0

;

298

.

.

082

,

0

.

1

.

/

760

750

moles

n

K

mol

k

l

atm

n

l

atm

mmHg

mmHg

=

=

Estos moles son los que corresponden a los 3,88 g de compuesto, luego planteamos la siguiente proporcin para encontrar la masa molar:

mol

g

molar

Masa

x

mol

x

moles

son

g

/

97

;

1

04

,

0

88

,

3

=

=

=

Como la frmula emprica es CHCl su masa molar emprica es 48,5 g/mol.

Al dividir la masa molar del compuesto (97 g/mol) entre la masa molar emprica

deducimos que la frmula del compuesto es C2H2Cl2.

6. BIBLIOGRAFA

Claudio Mataix, Mecanica de Fluidos y Maquinas Hidraulicas.

Brown, T. L., LeMay H. E., Bursten B. E., Murphy C. J. Qumica la Ciencia Central. 11a edicin. Pearson Educacin, 2009. Capitulo 10.

Chang, R., College, W. Qumica. 7a edicin. McGraw Hill, 2002. Capitulo 5.

Petrucci R.H.; Harwood W.S.; Herring F.G. Qumica general. 8a edicin. Perason, Prentice hall, 2003. Capitulo 6.

Whitten, K. W., Davis R. E., Peck M. L., Stanley G. G. Qumica. 8a edicin. Cengage Learning. 2008.

Slido

Gaseoso

Lquido

V = constante.1 / P

P.V = constante ( T y m constantes)

P1 . V1 = P2 . V2 = P3 . V3

T (C) = T (K) - 273

T (K) = T (C) + 273

V = constante. T , (P y m constantes)

V / T = constante , (P y m constantes)

V1 / T1 = V2 / T2 , (P y m constantes)

P = constante. T ; (V y m constantes)

P / T = constante , (V y m constantes)

P1 / T1 = P2 / T2 , (V y m constantes)

P . V = n . R . T

P1 V1 / T1 = P2 .V2 / T2 ;( m = constante)

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

P total = P1 + P2 + P3 + ...

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

PAGE

1

Pg.

_1194534879.unknown

_1194972169.unknown

_1194972313.unknown

_1194972384.unknown

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