RESUMEN

En esta práctica tenemos como objetivo la determinación de la presión de vapor de los líquidos a temperaturas mayores que la ambiental mediante el MÉTODO ESTATICO y, luego calcular el calor molar de vaporización del líquido.

El desarrollo de esta experiencia se realiza bajo las condiciones siguientes:

P(mmHg) = 756 mmHg T ( °C ) = 21 °C % HR = 96

Para calcular la presión de vapor a distintas temperaturas, calentamos agua destilada dentro de un balón conectada al ambiente.

Cuando la temperatura llega a 99°C giramos la llave del balón para conectarla con el manómetro. La presión, en ese instante, dentro del balón es igual a la presión atmosférica. A medida que la temperatura desciende también disminuye la presión de vapor ya que hay una cantidad de vapor de agua que va condensándose y esto provoca un vacío.

Este vacío debe ser ocupado, por ende el mercurio asciende y así se iguala la presión dentro del balón con la presión atmosférica.

Medimos las alturas cada vez que desciende la temperatura en un grado. Estas alturas, medidas en milímetros, nos dan las presiones medidas en mmHg.

Con estos datos, usando la ecuación de Clausius – Clapeyron, podemos hallar el calor molar de vaporización del agua.

INTRODUCCIÓN

Todos los sólidos y líquidos producen vapores consistentes en átomos o moléculas que se han evaporado de sus formas condensadas.

Si la sustancia, sólida o líquida, ocupa una parte de un recipiente cerrado, las moléculas que escapan no se pueden difundir ilimitadamente sino que se acumulan en el espacio libre por encima de la superficie del sólido o el líquido, y se establece un equilibrio dinámico entre los átomos y las moléculas que escapan del líquido o sólido y las que vuelven a él.

La presión correspondiente a este equilibrio es la presión de vapor y depende sólo de la naturaleza del líquido o el sólido y de la temperatura.

Ahora se sabe que el agua no hierve a presión atmosférica y temperatura ambiente; sin embargo, cuando es calentada a 100 °C se presenta este fenómeno. Esto se debe a que la presión de vapor del agua a 100 °C es la presión atmosférica.

Cualquier líquido en un recipiente abierto, hierve cuando es calentado a un nivel tal que su presión de vapor es la presión atmosférica. Inversamente, un líquido no hierve mientras que su presión de vapor es menor que dicha presión. De este modo, si la presión de vapor del aceite crudo en un tanque es menor que la presión atmosférica, no se presenta evaporación.

En efecto, una aplicación que se le da a la presión de vapor es El índice de peligrosidad (Ip) de una sustancia está determinado por el cociente entre la presión de vapor de la sustancia y su CMP(concentración máxima permitida) en condiciones estándar (25º C y 1 atm), por lo que esta propiedad nos permite analizar la viabilidad del uso de una sustancia para actividades determinadas, debido a que indica la probabilidad de que la misma se volatilice.

PARTE TEORICA

PRESION DE VAPOR

La presión de vapor es la presión de un sistema cuando el sólido o líquido se hallan en equilibrio con su vapor.

Los vapores y los gases, tienden a ocupar el mayor volumen posible y ejercen así sobre las paredes de los recintos que los contienen, una presión también llamada, fuerza elástica o tensión. Para determinar un valor sobre esta presión  se divide la fuerza total por la superficie en contacto.

PROPIEDADES QUE INTERVIENEN:

La regla de fases establece que la presión del vapor de un líquido puro es función única de la temperatura de saturación. Vemos pues que la presión de vapor en la mayoría de los casos se  puede expresar como

Pvp = f (t)

La cual podría estar relacionada con cualquier otra propiedad intensiva de un líquido saturado (o vapor), pero es mucho mejor relacionarla directamente con la temperatura de saturación.

Ln P = – (HV / R). (1/T) + C

¿Cómo se relaciona?

La presión de vapor de un líquido se relaciona con la temperatura por medio de la ecuación de Claussius Clapeyron, sin embargo existen muchas ecuaciones que estudian esta propiedad de los fluidos, pero de todas maneras estas ecuaciones pueden referirse a la ecuación de Clapeyron:

Ln ( P2/P1) = (HV / R ).(( T2 – T1 )/(T2 .T1 ))

Esta ecuación mediante pasos matemáticos, puede convertirse en:

Ln Pvp = A+B/T

La gráfica  del logaritmo de la presión del vapor y el reciproco de la temperatura absoluta es una recta. La ecuación anterior no es una mala aproximación pero en general esta curva realmente tiene unas curvaturas pequeñas que muestran así que esta aproximación tampoco es la mejor. Estas curvas las observamos exagerando un poco el dibujo, de la siguiente manera:

Debemos tener en cuenta que esta ecuación no es aplicable a temperaturas inferiores al punto de ebullición normal.

¿Cómo se estima la presión del vapor?

En intervalos de baja presión: 10 a 1500 mmHg se estima por varios métodos unos de los cuales son:

El método de estimación de Frost-Kalkwarf-Thodors, es el mejor para compuestos orgánicos, el cual se hace  por medio de  Cálculos de tipo iterativo, y arroja un máximo porcentaje de error medio de 5.1%

El método de Riedel-Plank-Miller es el mejor para compuestos inorgánicos y además es fácil de usar, este arroja un máximo porcentaje de error medio de 5.2%

En intervalos de alta presión: 1500 mmHg hasta la presión critica también existen varios métodos de los cuales mencionare algunos:

El método de estimación reducida de Kirchhoff, el cual no es muy exacto pero es muy fácil de usar, este arroja un máximo porcentaje de error medio de 3.2%

El método de estimación de Frost-Kalkwarf-Thodors, para intervalos de alta presión  también requiere de cálculos iterativos, sin embargo es muy bueno y  arroja un máximo porcentaje de error medio de 1.5%

Estos métodos anteriores son métodos trabajados con ecuaciones reducidas  para los cuales era necesario conocer tc, pc, tb.. Pero existen muchísimos métodos diferentes tanto con  ecuaciones reducidas como con ecuaciones semirreducidas y sin reducir.

Influencia de la naturaleza del líquido

El valor de la presión de vapor saturado de un líquido, da una idea clara de su volatilidad, los líquidos más volátiles (éter, gasolina, acetona etc) tienen una presión de vapor saturado más alta, por lo que este tipo de líquidos, confinados en un recipiente cerrado, mantendrán a la misma temperatura, un presión mayor que otros menos volátiles. Eso explica por qué, a temperatura ambiente en verano, cuando destapamos un recipiente con gasolina, notamos que hay una presión considerable en el interior, mientras que si el líquido es por ejemplo; agua, cuya presión de vapor saturado es más baja, apenas lo notamos cuando se destapa el recipiente.

Influencia de la temperatura

Del mismo modo, habremos notado que la presión de vapor de saturación crece con el aumento de la temperatura, de esta forma si colocamos un líquido poco volátil como el agua en un recipiente y lo calentamos, obtendremos el mismo efecto del punto anterior, es decir una presión notable al destaparlo.

La relación entre la temperatura y la presión de vapor saturado de las sustancias, no es una linea recta, en otras palabras, si se duplica la temperatura, no necesariamente se duplicará la presión, pero si se cumplirá siempre, que para cada valor de temperatura, habrá un valor fijo de presión de vapor saturado para cada líquido. La explicación de este fenómeno puede se basa en el aumento de energía de la moléculas al calentarse.

Cuando un líquido se calienta, estamos suministrándole energía. Esta energía se traduce en aumento de velocidad de las moléculas que lo componen, lo que a su vez significa, que los choques entre ellas serán más frecuentes y violentos.

Es fácil darse cuenta entonces, que la cantidad de moléculas que alcanzarán suficiente velocidad para pasar al estado gaseoso será mucho mayor, y por tanto mayor también la presión. 

CALOR DE VAPORIZACION

La conversión de un líquido a vapor a la temperatura de ebullición se efectúa mediante un calentamiento continuo del líquido, una vez que se ha alcanzado la temperatura de ebullición. En otras palabras, se debe suministrar energía, no solo para subir la temperatura del líquido hasta el punto de ebullición, sino también para efectuar el cambio de estado. Una de las cosas que hace esta energía es proporcionarles a las moléculas que se están evaporando las velocidades extras necesarias para desligarse de las fuerzas de atracción que ejercen las moléculas en el seno del líquido. Este calor que se suministra a la temperatura de ebullición para efectuar la evaporación se conoce como calor de evaporación.

METODO ESTATICO EN LA DETERMINACION DE LA PRESION DE VAPOR

En los métodos estáticos se mide la presión de vapor directa o indirectamente cuando se introduce un líquido en exceso en el recipiente evacuado. Para temperaturas inferiores a las del ambiente, la presión se suele medir directamente y para temperaturas mayores que las del ambiente la presión se mide indirectamente.

El método estático indirecto de se utiliza para determinar la presión de vapor a temperaturas superiores del ambiente. Este método consiste en introducir el líquido en un balón, la presión dentro del recipiente debe ser igual a la presión atmosférica al calentar parte del líquido se evapora hasta que se establezca una cierta presión de saturación. Ala temperatura de 99°C el balón debe ser conectado al manómetro, en el cual se producen los desniveles de mercurio en ambas ramas. Conforme el sistema se va enfriando el vapor comienza a condensarse y crea un ligero vacío dentro de él, por lo tanto la columna conectada al balón sube en tanto que la columna abierta al ambiente desciende.

APLICACIONES DE LA PRESION DE VAPOR

Para mirar un ejemplo de presión de vapor aplicada a tuberías es bueno analizar un poco las plantas productoras de petroquímicos y refinerías, ya que estas requieren de muchos servicios como: vapor de agua (enfriamiento, servicio, proceso), aire de instrumentos, energía eléctrica; para ello estas plantas necesitan grandes sistemas de transformación de energía, y redes de distribución de varios kilómetros, en las cuales se incurre en pérdidas de energía.

Para lo que es necesario usar expresiones matemáticas para calcular dichas perdidas y llevar a cabo estudios sobre la recuperación de la inversión  y la rentabilidad de acciones de ahorro de energía.

Se debe realizar un pequeño análisis de los sistemas de generación y distribución de vapor, principalmente de aquellos que por ser de gran tamaño son muy dinámicos cambiando sus condiciones de operación; flujo, temperatura y presión varias veces al día.

Los cambios pueden ser ocasionados por modificación en las condiciones de operación de las plantas de proceso de mantenimiento predictivo o correctivo de los equipos generadores y consumidores de vapor y energía eléctrica, o por cambio de las condiciones atmosféricas. Estos cambios nos proporcionan áreas de oportunidad de ahorro si se mantiene un análisis constante del sistema de generación y distribución de vapor.

En la generación del vapor vemos como las plantas que lo generan, están formadas por dos o tres niveles de presión, los cuales son distribuidos según su uso o según la magnitud de la presión del vapor, de esta forma: para los bloques de generación eléctrica, turbinas para accionar bombas y compresores de plantas de procesos se usa el vapor de mayor presión; para turbogeneradores eléctricos y grandes turbocompresores, se usa por lo general extracciones de vapor media; las turbinas de menor capacidad normalmente descargan a la red de baja  presión.

El control de la presión y la temperatura en las redes de distribución de vapor es sumamente importante, ya que excesos de estas presiones pueden causar un desgaste más acelerado de la tubería y aparte de esto se pueden generar muchas pérdidas de energía, lo cual no es conveniente para un proceso en el cual se está tratando de aprovechar la energía al máximo.

Para controlar estos excesos o simplemente variantes de las presiones y temperaturas adecuadas se tienen controles de los generadores de vapor  los cuales mantienen estos factores en los valores ajustados, esta regulación también  se lleva a cabo durante todo el proceso ya que en las redes de media y baja presión, también se cuenta con reguladores de presión y temperatura en turbinas y otros aparatos que intervienen en el este.

Ya con estos reguladores en el procesos, se puede decir que cuando las condiciones de presión y temperatura del vapor que llegan a los equipos varían. La demanda de vapor se ajustará dependiendo de la entalpía y otras características del vapor y del salto entalpico disponible, en el caso de las turbinas.

PARTE EXPERIMENTAL.

Materiales:

Matraz con tapón bihoradado Termómetro

Manómetro Cocinilla

Reactivos:

Agua destilada

PROCEDIMIENTO

Método Estático:

1) Instalamos el equipo como se indica en la guía.

2) Llenamos el balón hasta aproximadamente la tercera parte de su volumen total.3) Manteniendo la llave abierta al ambiente, comenzamos a calentar el recipiente

(como el matraz y el manómetro no están conectados, los niveles de Hg se encuentran a la misma altura).

4) Una vez que se está en la temperatura de ebullición ( 100°C ), retiramos la cocinilla lentamente para evitar sobrecalentamiento y procedemos a invertir la posición de la llave, de forma que el manómetro quede conectado con el balón

5) A partir de los 99°C comenzamos a anotar las temperaturas y presiones hasta llegar a 80°C, tomando dichas lecturas cada 1°CDebido al enfriamiento del agua en el balón, el vapor empieza a condensarse y se genera un ligero vació dentro de él, por lo que la columna de Hg conectada al matraz comienza a ascender; mientras que la otra (abierta al ambiente) comienza a bajar

6) Terminado el experimento cerramos la llave conectada al balón y la dejamos abierta al ambiente; de este modo evitamos que el Hg pase al balón.

CUESTIONARIO

A. INDIQUE OTROS METODOS PARA LA DETERMINACION DE LA PRESION DE VAPOR.

1. Método del isoteniscopio de Smith y Mezies:

Un isoteniscopio es un aparato empleado para la medición de la presión de vapor de sustancias en fase liquida. El instrumento consta de un manómetro que se conecta a un sensor de presión. Es necesario utilizar una célula de vacío para ajustar la presión del sistema y purificar la muestra.

El isoteniscopio es particularmente útil para el intervalo de temperatura entre 20°C y 150°C y para presiones de vapor entre 1 y 100Kpa.

ISOTENISCOPIO

2. Método de saturación gaseosa:

Se hace burbujear un volumen conocido de un gas inerte atreves de un líquido, el cual se mantiene a temperatura constante en un termostato. La presión de vapor se calcula mediante una determinación de la cantidad de vapor contenida en el gas saliente o por la pérdida de peso del líquido.

3. Método dinámico:

Se mide la variación del punto de ebullición con la presión externa aplicada, la presión total sobre l liquido puede variarse y mantenerse a un valor dado mediante el uso de un balón de compensación de gran capacidad, entonces se mide esa presión con un manómetro de mercurio. Él liquido objeto del estudio se calienta hasta que hierva, se mide la temperatura del vapor de reflujo con el fin de evitar los efectos de sobrecalentamiento.

B. EXPLIQUE LA RELACION ENTRE EL PUNTO DE EMBULLICION DE UN LÍQUIDO Y SU PRESION DE VAPOR.

El punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor se iguala a la presión atmosférica, mientras que la presión de vapor es la presión a la cual el líquido y el vapor están en equilibrio, siendo esta directamente proporcional a la temperatura, podemos afirmar que la presión de vapor depende de la temperatura mientras que el punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor es igual a la presión atmosférica.

Entonces con estos datos se puede decir a menor temperatura de ebullición, mayor facilidad de evaporación de una sustancia (volatilidad) por ende habrá una mayor presión de vapor por la fuerza ejercida de las moléculas gaseosas liberadas rápidamente en el recipiente que lo contiene.

L a relación seria inversamente proporcional.

PUNTO DE EMBULLICION PRESION DE VAPOR

C. DEFINA LO SIGUIENTE: VAPOR SATURADO, PUNTO DE EMBULLICION, PUNTO DE EMBULLICION NORMAL.

VAPOR SATURADO:

Es vapor a la temperatura de ebullición del líquido, es el vapor que se desprende cuando el líquido hierve.

PUNTO DE EBULLICION NORMAL:

Es la temperatura a la que la presión de vapor de un líquido es igual a 1atm.

También se puede decir que es el punto de temperatura a la que un líquido, al ganar calor (y por tanto energía) tiene la capacidad para liberar a sus moléculas al estado gaseoso por un mayor campo de movimiento de las mismas. 

El agua, por ejemplo, hierve a 100ºC.

PUNTO DE EBULLICION:

Es la temperatura a la cual la presión de vapor se igual al a presión atmosférica.

Además se puede decir que el punto de ebullición es aquella temperatura en la cual la presión de vapor del líquido iguala a la presión de vapor del medio en el que se encuentra.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

REFERENCIAS

- Castellan - Fisicoquimica - 2da edición - capitulo 5 - pagina 93-95- Guerasimov - Curso de química física - tomo 1- pag. 189