Líquidos. Unidad I

Elementos de Fisicoquímica

Prof. Leadina Sánchez

UNEXPO

Líquidos

Fase de la materia

entre sólidos y gases

Fluidos cuyo volumen es constantes a

Temperatura y Presión constantes

Propiedades de los Líquidos, Sólidos y Gases

Sólidos Líquidos Gases

Forma definida (resisten la deformación).

Carecen de forma definida (forma del recipiente que los contiene).

Carecen de forma definida (llenan en su totalidad la forma del recipiente).

Casi incompresibles. Volumen definido (ligeramente compresibles)

Compresibles.

Suelen tener mayor Alta densidad. Baja densidad.Suelen tener mayor densidad que los líquidos.

Alta densidad. Baja densidad.

No son fluidos. Fluidos. Fluidos.

Se difunden muy lentamente a través de otros sólidos.

Se difunden a través de otros líquidos.

Se difunden con rapidez.

Ordenamiento determinados de partículas; únicamente con movimiento vibratorio.

Conjunto desordenado de partículas con movimiento aleatorio tridimensional.

Partículas extremadamentedesordenadas; mov. Aleatorio tridimensional.

EeEvEtEpEcIE ++++=

La energía interna de las moléculas esta compuesta por:

Energía Cinética alta

Fuerzas Intermoleculares Fuerzas Intermoleculares

vencidas de manera parcial

...se deslizan unas sobre otras por tanto asumen la

forma del recipiente que los contiene…Son

ligeramente incompresibles (Volumen definido)

puesto que las fuerzas de atracción entre las

moléculas las mantienen unidas, que hay muy poco

volumen entre ellas.

Fluidos

Fluido: Sustancia que Fluye. Una sustancia en fase liquida o gaseosa es un fluido.La diferencia entre un sólido y un fluido (liquido o gas) se hace en base en la capacidad de oponer resistencia a un esfuerzo cortante (o tangencial) que tiene a cambiar su forma (lo deforma). Tipos de fluidos:forma (lo deforma). Tipos de fluidos:

Laminar: fluido suave ,con movimientos ordenados en láminas paralelas sin entremezclarse si la corriente tiene lugar entre dos planos paralelos.

Turbulento: se caracteriza por fluctuaciones de velocidad y movimientos desordenados.

Tipos de Fluidos

Viscosidad.Considere la siguiente figura para obtener una relación para la viscosidad:

L= distancia que separa las dos placas.F= fuerza paralela aplicadaV= velocidad (ctte) de la placa superior, y la del fluido que esta en contacto con ésta.contacto con ésta.A= área de contacto entre la placa y el fluido.u = velocidad de la placa inferior y del fluido en contacto con ésta.y= distancia VERTICAL medida desde la placa inferior.

Placa inferior fija

Ahora, en el flujo Laminar, la velocidad varia entre u = 0 a V, así que el perfil de velocidad y el gradiente de velocidad son:

Vl

yyu =)(

l

V

dy

du=

Durante el intervalo diferencial dt, los LADOS de las partículas del fluido a lo largo de una recta vertical MN giran partículas del fluido a lo largo de una recta vertical MN giran describiendo un ángulo dβ al mismo tiempo que la placa superior se mueve a una distancia diferencial:

dy

du

dt

d

ddtdy

dudt

l

V

l

da

Vdtda

=

===

=

β

β

dy

du

dt

d∝∝ τ

βτ ;

El esfuerzo cortante se puede expresar entonces como:

dy

duµτ =

Donde µ es la viscosidad dinámica (o absoluta) de fluido.

sPam

sN

sm

Kg*

2^

*

*===µ

Ahora la Fuerza cortante seria:

A

F=τ

Ahora la Fuerza cortante seria:

)( Nl

VA

dy

duAAF µµτ ===

Fuerza requerida para mover la placa superior a una velocidad constante al mismo tiempo que la placa inferior permanece constante.

Viscosidad�Es la resistencia que opone el liquido para fluir.

�µ representa la viscosidad dinámica (absoluta). Mientras mas grande sea µ, mayor será

el rozamiento del fluido con las paredes del tubo.

Sistema de Unidades de Viscosidad Dinámica (µ):

Sistema Internacional (SI): N*s / m2, Pa*s, kg / m*s

Sistema Británico de Unidades: lb-s / pies2 o slug / pie*s

Sistema cgs (obsoleto): poise=dina*s/cm2 = g / (cm*s) = 0.1 Pa*s

centipoise=poise/100=0.001 Pa*s

De que depende la viscosidad en los líquidos?

µ depende de la temperatura y de la presión.

En los líquidos la viscosidad disminuye al viscosidad disminuye al aumentar la temperatura, en los gases es al revés.

La viscosidad de los fluidos aumenta con la presión.

Variación de la Viscosidad (µ)del agua con la temperatura

Variación de las viscosidades con la temperatura.

µ depende de la temperatura

En los líquidos la viscosidad disminuye al aumentar la temperatura, en los gases es al revés.

Ley de Poiseuille

LV

t

8

4Pr^πµ =

r = es el radio del tubo capilar

L = longitud

P = presión

V = Volumen del Líquido

µ = es la viscosidad dinámica Si se tiene un liquido de referencia con viscosidad conocida y se usa el mismo tubo capilar, se puede calcular la relación de viscosidades:el mismo tubo capilar, se puede calcular la relación de viscosidades:

22

11

22

11

22

11

2

1

84^

84^

t

t

tP

tP

LVtrP

LVtrP

ρ

ρπ

π

µ

µ===

Si se conocen las densidades de los dos líquidos y laviscosidad de uno de ellos (liquido de referencia) se puedenmedir los tiempos y así determinar la viscosidad.

A través del viscosímetro de Oswald

Viscosímetro de Oswald

Ley de StokesStokes baso sus estudios a los sólidos esféricos que fluyen a través

de líquidos.

V inicial

V Mayor V inicial

Dρ = diámetro de la partícula ρP= densidad de la partículaρf= densidad del fluido

)(18

2^fluidosolidog

V

Dρρµ −=

V constante ; F. acelerantes y F. resistentes se

igualan

ρf= densidad del fluidoUt= velocidad terminalg=gravedad; 9.8 m/s2

tk fluidosolido )( ρρµ −=

K= la constante de la bolat= tiempo que tarda en caer

Ley de StokesStokes encontró que la FUERZA ejercida sobre la esfera por el flujo del fluidoalrededor de ella vale:

VDF µπ3=Donde; F= fuerzaD= diámetro de la bolaµ= viscosidad dinámicaV= velocidad limiteAl caer la esfera en un fluido VISCOSO aparecen TRES FUERZAS

actuando sobre el; estas fuerzas son:

F EWFEFW −=⇒+=

(1)

(2)F

E

W

EWFEFW −=⇒+=

Donde;W= pesoF= fuerza resistenteE= empuje

VgW solido **ρ= VgE fluido **ρ=

V= Volumen del cuerpo (esfera)

63^3^

4

3 DrV esferaππ ==

(2)

Ley de Stokes

)(6

3^fluidosolidog

DF ρρ

π−=

Sustituyendo el volumen en W y E de la ecuación (2) se tiene que la FUERZA es igual a:

Igualando la ec (3) con la Ec (1), se tiene que:

)(6

3^3 fluidosolidog

DVD ρρ

πµπ −=

(3)

)(18

2^fluidosolidog

V

Dρρµ −=

Como la bola desciende a una velocidad constante haciendo V = d / t, entonces queda así:

tgd

Dfluidosolido )(

18

2^ρρµ −=

tk fluidosolido )( ρρµ −=

K es la constante de la bola y depende de la bola utilizada.

Ejercicio:Una esfera de 1mm de diámetro y una densidad 1.1 kg / L cae dentrode un liquido a una velocidad constante de 5.45*10 E-2 cm/s. Si ladensidad del Liquido es de 100 kg /m3. ¿Cuál es su viscosidad?

)(18

2^fluidosolidog

V

Dρρµ −=

Conclusión

La viscosidad es una medida de las fuerzas intermoleculares de las moléculas.

A mayor fuerzas intermoleculares mayor viscosidad. Esto se debe a que las fuertes viscosidad. Esto se debe a que las fuertes

atracciones entre las moléculas impiden el

flujo y por tanto la viscosidad es mayor

Campo de Aplicación en la determinación de la Viscosidad

1. Investigación Fundamental, en medicina (sangre), fisiología, Química, etc.

2. Investigación Aplicada (dependencia de la viscosidad con parámetros físicos y químicos):

� Determinación de espesores de revestimientos: producción de películas, recubrimiento de papel y textiles.

� Determinación del grosor de las gotas: pintura a presión.� Determinación del grosor de las gotas: pintura a presión.� Fabricación de tejas, mezcladores, masillas, resinas,

alquitranes, etc.� Determinación de la viscosidad con el tiempo: envejecimiento

del plástico.� Determinación del comportamiento de los fluidos con la

temperatura: vidrio, cerámicas, aceites, cera, etc.� Determinación del comportamiento del petróleo o de la

gasolina al ser transportado (buques, camiones cisterna, etc)

Tensión Superficial

Mide las fuerzas que hay que vencer

Energía necesaria para aumentar o estirar la superficie de unliquido por unidad de área.

Las moléculas que están dentro del liquido sonempujadas en todas las direcciones por lasfuerzas intermoleculares, sin embargo lasfuerzas intermoleculares, sin embargo lasmoléculas de la superficie son atraídas haciaabajo y hacia los lados pero no hacia arriba de lasuperficie. En consecuencia estas atraccionestienden a empujar a las moléculas hacia dentrodel liquido lo que ocasiona que la película.

Una medida de la fuerza elástica que existe en la superficie de un liquido es la TENSION SUPERFICIAL.

La tensión superficial tiene como principal efecto la tendencia dellíquido a disminuir en lo posible su superficie para un volumen dado,de aquí que un líquido en ausencia de gravedad adopte la formaesférica, que es la que tiene menor relación área/volumen.

F. Intermoleculares altas;

Tensión Superficial (ɣ) alta

F. Intermoleculares bajas;

Tensión Superficial (ɣ) baja

ɣ disminuye al aumentar T y se hace cero cuando alcanza la T critica

Tensión superficial y CapilaridadLas fuerzas que mantienen unidas a las moléculas se llaman F. Intermoleculares o Fuerzas de Cohesión.Las fuerzas de atracción entre un liquido y una superficie se llaman fuerzas de adhesión.

Un liquido que este dentro de un recipiente experimenta fuerzas deCOHESION entre las mismas moléculas y ADHESION entre lasparedes internas del recipiente.

�Fuerzas de adhesión

Fuerzas de cohesión

La capilaridad es el desbalance entre estas dos fuerzas

�Fuerzas de adhesión

Fuerzas de cohesión

meniscoes cóncavo

meniscoes convexo

H2OHumedece el vidrio e incrementa su áreasuperficial al ascender por los lados de la tuberíadel vidrio debido a las considerables fuerzas decohesión entre el vidrio el agua ya que ambos sonpolares. Mientras mas delgado el tubo masasciende.asciende.

El Fenómeno de la capilaridad puede verse también, cuando nos “mojamos un pantalón”, que el agua comienza a trepar desde el ruedo hasta las rodillas……

Por el vidrio también se adhiere el agua por los puentes de hidrogeno que forma con el silicio y el oxigeno de l vidrio (silicatos)

HgEn vez de trepar por las paredes, desciende por eltubo capilar introducido en el liquido. Mientras masdelgado el tubo más desciende el tubo.

El valor de γ depende de la magnitud de las fuerzas intermoleculares enel seno del líquido. De esta forma, cuanto mayor sean las fuerzas decohesión del líquido, mayor será su tensión superficial.

Podemos ilustrar este ejemplo considerando tres líquidos: hexano, aguay mercurio. En el caso del hexano, las fuerzas intermoleculares son detipo fuerzas de Van der Waals. El agua, aparte de la de Van der Waalstiene interacciones de puente de hidrógeno, de mayor intensidad, y elmercurio está sometido al enlace metálico, la más intensa de las tres.Así, la γ de cada líquido crece del hexano al mercurio.

Al aumentar la TEMPERATURA disminuye la tensión superficial.

Tensión Superficialde algunos líquidos a 20ºC

Líquidoɣɣɣɣ (10 -3 N/m)

Agua 72, 01

Acetona 23,70

Benceno 28,85

Tetracloruro de Carbono 26,95Tetracloruro de Carbono 26,95

Aceteto de Etilo 23,9

Alcohol Etílico 22,75

Éter Etílico 17,01

n-Hexano 18,43

Tolueno 28,5

Alcohol Metílico 22,61

Las fuerzas de cohesión son responsables de:

�La viscosidad�La tensión superficial �Los puntos de Ebullición�Los puntos de Fusión

¿Como se mide la tensión superficial?. (Método del ascenso capilar)(Método del ascenso capilar)

hgrh ργ

21=

Evaporación y Presión de VaporEnergía Cinética

dependen de la

TEMPERATURA

�Evaporación o Vaporización es el proceso por el cual lasmoléculas de la superficie del liquido se desprenden y pasan ala fase gaseosa.�Al aumentar la temperatura hay un numero mayor demoléculas que alcanzan la energía cinética mínimamoléculas que alcanzan la energía cinética mínimanecesaria para pasar de liquido a vapor (gas).�Solo las moléculas de energía mas alta pueden escapar dela fase liquida, por tanto la energía cinética molecularpromedio de las moléculas que permanecen en estado liquidodesciende, de manera que la temperatura del liquido baja, portanto absorbe calor de sus alrededores (ambiente)�Una molécula de vapor choca posteriormente con lasuperficie y es capturada por ella. Esto es el proceso inverso yse llama CONDENSACION.

Al producirse la evaporación en un recipiente cerrado, el volumen delliquido disminuye puesto que el numero de moléculas en fase gasaumenta. Como mas moléculas chocan con la superficie, la tasa decondensación aumenta también. El sistema compuesto por un liquidoy sus moléculas de gas alcanza rápidamente el EQULIBRIODINAMICO en el cual la velocidad de evaporación de hace igual a lavelocidad de condensación.

evaporación

condensación

LIQUIDO VAPOR

PRESION DE VAPOR: Es la presión parcial de las moléculas de vapor por encima de la superficie del liquido.

Como la velocidad de evaporación aumenta al elevarse la temperatura y al disminuir la condensación, las presiones de vapor delos líquidos SIEMPRE se elevan al aumentar la temperatura.

A una misma presión las presiones de vapor de distintos líquidos sondiferentes porque sus fuerzas de cohesión son diferentes.

Los líquidos con altas presiones de vapor son volátiles (seevaporan con facilidad). El éter tiene una presión de vaporbastante grande, por tanto es volátil. Sólidos como la Naftalinason Volátiles

¿ Como se mide la presión de Vapor?

Temperatura de Ebullición

Temperatura de Ebullición normal: es la temperatura a la cual la presión de vapor de un liquido se iguala a la presión atmosférica (1atm=760 torr). La ebullición ocurre en un recipiente abierto a la atmosfera.La presión de vapor del agua es 760 torr a 100ºC La presión de vapor del éter dietilico es 760 torr a 35ºC

Al añadir energía calórica a un liquido en su punto de ebullición , la temperatura permanece constante porque la energía se emplea para vencer las fuerzas de cohesión.

evaporación

condensación

H20 (liquida) H2O (vapor)

Calor molar de Vaporización y Punto de Ebullición

Para elevar la temperatura de un liquido es preciso suministrar calor. El calorespecifico (J/gºC) de un liquido es la cantidad de calor que debe añadirse paraelevar su temperatura de un grado Celsius.Si el calor se añade de forma constante a un liquido que se encuentra a presiónconstante, la temperatura se elevara de forma constante hasta llegar al puntode ebullición.El Calor molar de Vaporización (∆H vap) de un liquido es la cantidad de calor

que debe suministrase a un mol de dicho liquido en el punto de ebullición para

convertirlo a vapor sin cambio de Temperatura.

H20 (liquida) H2O (vapor)(∆H vap) = 40.7 KJ/mol

= 2.26+10E3J/g

El AGUA y el ALCOHOL tienen un (∆H vap) elevado y se deben a sus intensas fuerzas intermoleculares

Ejercicio:Calcule la cantidad de calor (joules) que se requiere para convertir 180 gramos de agua 10ºC en vapor a 105ºC.

Solución:

La cantidad de calor que se absorbe es la suma de de las cantidades necesarias para:

1.- Calentar el agua liquida de 10ºC a 100ºC. (Ce) Ebullición2.- Convertir el agua liquida a vapor. (∆H vap)2.- Convertir el agua liquida a vapor. (∆H vap)3.- Calentar el vapor de 100ºC a 105ºC. (Ce)

Q= m*Ce* ∆T

Q1=180g * 4.184J/gºC * (100-10)ºC = 0.677*10E5 J

Q2 = 180g * 2.26+10E3 J/g = 4.07*10E5 J

Q3 = 180g * 2.03 J/gºC * (105-100)ºC = 0.0183*10E5 J

Cantidad de calor total absorbida = 4.77*10E5 J

Ecuación de Clausius- ClayperonEstablece una relación CUANTITATIVA entre la presión de vapor Pde un liquido y la temperatura absoluta T

CTR

HvapP +

∆=

1*ln

Al medir la presión de vapor de un liquido a diferentes temperaturas y trazando una grafica de ln P frente a 1/T, se determina la pendiente de la recta ∆H vap / R. Este es el método que se utiliza para para determinar los

y = m * x + b

recta ∆H vap / R. Este es el método que se utiliza para para determinar los calores de vaporización.