Asignatura: Fisicoquímica I, Termodinámica (Lic. Qca., Ing. Alimentos) Guía de TP: Termómetro de gas. Página 1 de 7.

Transcripción

1 Asignatura: Fisicoquíica I, erodináica (Lic. Qca., Ing. Alientos) Guía de P: eróetro de gas. Página 1 de 7 eróetro de gas OBJEIOS Deterinación de la teperatura de un sistea ediante el uso de un teróetro de gas a voluen constante. CUESIONES PREIAS A LA REALIZACIÓN DEL RABAJO PRÁCICO: 1. Buscar en bibliografía a qué teperatura puede llegar la ezcla agua sólida-cloruro de sodio (ezcla frigorífica epleada en este rabajo Práctico). 2. Defina la escala epírica de teperatura y explique el origen de la cantidad -273,15 ºC. CONCEPOS BASICOS Considereos un teróetro de gas que opera a voluen constante, = v 1 n 1 = v 2 n 2 = cte, conteniendo n oles de un gas real. La ecuación de estado de dicho gas puede ser expresada coo: = f ( P, v) (1) En térinos extensivos, la ecuación (1) puede ser escrita coo: = g P( n), (2) Para el caso particular del rabajo Práctico, coo el equipo opera a voluen extensivo constante, se puede expresar la dependencia de la teperatura a partir de la siguiente expresión: = g P( n) (3) Si el teróetro se coloca en contacto con un sistea de teperatura conocida, alcanzado el equilibrio térico la variable teroétrica presión define el valor P 1 ), que corresponderá a un valor particular de la dependencia: = g P ( n ) (4) siendo g P( n ) la función que vincula la teperatura con la variable teroétrica P(n). Se suele adoptar por convención coo teperatura de referencia la del punto triple del agua, = 273,16K, aunque puede utilizarse otra teperatura. En el rabajo Práctico se epleará el equilibrio sólido líquido del agua, = 273,15K. Si repetios el procediiento, pero ahora colocando en contacto el teróetro con una fuente de teperatura desconocida, alcanzado el equilibrio térico la variable teroétrica presión edida será ahora P 1 ), que corresponderá a otro valor particular de la dependencia dada en (4): = g P ( n ) (5)

2 Asignatura: Fisicoquíica I, erodináica (Lic. Qca., Ing. Alientos) Guía de P: eróetro de gas. Página 2 de 7 Con estas dos deterinaciones podeos en principio evaluar la teperatura desconocida a partir del cociente entre las ecuaciones (4) y (5), g P1 ( n1 ) = g P1 ( n1 ) (6) Sin ebargo, la funcionalidad g P n = ( ) no es conocida para el gas real epleado en el rabajo Práctico, excepto que el voluen olar v = n resulte uy elevado, en cuyo caso sería aplicable la ecuación de los gases ideales. Precisaente este hecho nos orienta para resolver el problea de la funcionalidad = g P( n). Para ello iagineos un proceso de edición coo el ilustrado en la Figura 1: = cte n = n 1 Sistea incógnita = cte n = n 1 Sistea referencia = cte n = n 2 ; ; ; Sistea incógnita = cte n = n 2 Sistea referencia = cte n = n Sistea incógnita = cte n = n P = P ( n ) v = v ( n ) Sistea referencia Experiencia 1 Experiencia 2 Experiencia Figura 1: Metodología teórica utilizada para alcanzar por extrapolación la condición de gas ideal. El teróetro con n 1 oles de gas se pone en contacto con el sistea de teperatura conocida alcanzándose en la condición de equilibrio térico una presión P 1 ). Posteriorente se contacta con el sistea de referencia a la teperatura desconocida donde, alcanzado nuevaente el equilibrio térico, la presión edida será ahora P 1 ). Repitiendo veces este proceso, con reducción del núero de oles del fluido teroétrico en edición, n 1 > n 2 >... > n, las presiones se reducirán, P 1 ) > P 2 ) >... > P (n ), P 1 ) > P 2 ) >... > P (n ), los volúenes olares crecerán, v 1 ) < v 2 ) <... < v (n ), v 1 ) < v 2 ) <... < v (n ), y el gas real tenderá al coportaiento ideal, de odo que a partir de la ecuación de los gases ideales y la ecuación (4) podeos concluir que g(p(n)) presentara el siguiente coportaiento líite: P( n) = g P( n) = li g P( n) = li (7) n R n n De esta anera, aplicando el líite de la ecuación (7) al cociente de funciones dado por la ecuación (6): g P ( n ) g P ( n ) P ( n ) P ( n ) = = li = li = li = li P( n) g P n g P n i i i i i i i i n ( ) ( ) ( ) i n ( ) i P ni ni i i i i i n i Pi n i (8) se podrá evaluar la teperatura incógnita.

3 Asignatura: Fisicoquíica I, erodináica (Lic. Qca., Ing. Alientos) Guía de P: eróetro de gas. Página 3 de 7 ECNICA EXPERIMENAL (a) Descripción del equipo El equipo que se utilizará se ilustra en la Figura 2, operando la variable teroétrica presión en el rango de P > 1 Hg. El gas que se utiliza coo fluido teroétrico está contenido en el bulbo de vidrio (7), en contacto con el sistea en estudio (8), y la presión que éste ejerce puede edirse ediante un anóetro de ercurio (9) acío C entral 9 D h R 1 R 2 3 R 3 4 Entrada de Aire 1. Llave de conexión vacío central-equipo. 2. de counicación vacío centralequipo-entrada de aire seco. 3. Llave de conexión. 4. Secador de aire. 5. Llave de conexión. 6. de conexión exteriores-depósito de gas-anóetro. 7. Depósito de gas. 8. Baño. 9. Manóetro de tres raas: R1 y R2 de edición, R3 de nivelación. Figura 2. Descripción del equipo experiental (b) écnica Operatoria Se usará aire seco coo fluido teroétrico. Para ello se hace vacío abriendo las llaves 1 y 5, peraneciendo la llave 3 cerrada, de tal fora que se evacue todo el aire húedo que hay en el sistea; luego de una buena evacuación se cierra la llave 1 y se abre la 3, para peritir el ingreso del aire seco. Esta operación se repite tres o cuatro veces, para asegurar que el aire dentro del sistea sea lo ás seco posible. La operación de llenado y vaciado del balón requiere un tiepo considerable y se realiza antes del inicio del rabajo Práctico. Luego de esto, las experiencias se inician idiendo la presión del gas cuando el bulbo (7) se suerge en un baño de teperatura conocida (8), en este caso equilibrio sólido-líquido del agua, y luego en un baño de teperatura desconocida dada por una ezcla frigorífica, forada por agua sólida y cloruro de sodio. Con la llave 5, cerrada, se introduce el depósito de gas en el baño hielo-agua y se deberá anipular R3 de tal anera que el ercurio peranezca en la raa R1 siepre al iso nivel, lo que asegura la constancia del voluen. Cuando el sistea llega al equilibrio (luego de un tiepo de entre 5 y 1 inutos) se ide la diferencia de altura entre R1 y R2 y se podrá calcular la presión: P 1 ) = P at - Dh 1 ) (9) Posteriorente se cabia el baño (se coloca el baño con teperatura desconocida) y se realiza la experiencia de la isa fora, obteniéndose P 1 ) según:

4 Asignatura: Fisicoquíica I, erodináica (Lic. Qca., Ing. Alientos) Guía de P: eróetro de gas. Página 4 de 7 P 1 ) = P at - Dh 1 ) (1) A continuación se perite el ingreso de una pequeña cantidad de aire seco: se abre la llave 3 para que ingrese aire seco, se cierra la isa para liitar la cantidad y evitar posteriores inconvenientes; con cuidado se abre la llave 5 hasta que la presión auente en el orden de 8 Hg. Se procede del iso odo que en el punto anterior: se ide la presión en el equilibrio con la ezcla frigorífica priero y con la teperatura de referencia luego, obteniéndose un nuevo par de valores P 2 ) y P 2 ). La técnica operatoria se repite para realizar varios pares de experiencias y obtener pares de valores P i (n i ) y P i (n i ) hasta alcanzar la ayor presión que se puede edir con el anóetro. Habiendo obtenido pares de valores P i (n i ) y P i (n i ) se podrá calcular el valor: P ( n) P ( n) ( n) = (11) Cabe aclarar que este valor obtenido no corresponde a una teperatura real, dado que dicho cálculo supone que el gas real se coporta coo gas ideal. Luego de calculado estos valores, se graficará los pares de valores ( ni ), Pi ( ni ) para obtener, por extrapolación al origen, la teperatura tal coo estipula la ecuación (8). Coentarios sobre el uso del equipo: La llave 1 solo se utiliza para evacuar el equipo en el inicio del P, o cuando surge algún inconveniente durante el iso, de lo contrario peranecerá siepre cerrada, ya que el cabio de presiones se obtiene por ingreso de aire y no por evacuación. Coo se dijo previaente, el baño de teperatura conocida debería estar dado por el punto triple del agua ( K), sin ebargo debido a las dificultades experientales para lograr el iso en el laboratorio, se recurre al equilibrio sólido-líquido del agua a presión atosférica ( K). La secuencia de deterinación de los pares de valores P i (n i ) y P i (n i )se realizará en la secuencia inversa a la ostrada en la Figura 1 (coenzando desde la enor presión y luego haciendo ingresar aire seco para las sucesivas ediciones) por resultar ás conveniente desde el punto de vista experiental.

5 Asignatura: Fisicoquíica I, erodináica (Lic. Qca., Ing. Alientos) Guía de P: eróetro de gas. Página 5 de 7 (c) abla de resultados Presión Atosférica del día: Exp Medición H (altura raa alta anóetro) h (altura raa baja anóetro) Dh = H - h P = P at - Dh P ( n) ( n) = P ( n) CUESIONARIOS: Fundaento etodológico: 1. Si el teróetro de gas a voluen constante contuviese un gas ideal, antendría el iso procediiento experiental? Justifique la respuesta. 2. Enuere las posibles causas de error involucradas en el rabajo Práctico y cóo podría eliinarlos o reducirlos. 3. Durante la realización del rabajo Práctico se involucran diferentes propiedades terodináicas. Clasificarlas en base a la siguiente tabla: Núero de oles gaseosos oluen extensivo oluen intensivo eperatura conocida eperatura incógnita Presión edida de teperatura conocida Presión edida de teperatura incógnita eperatura abiente Presión abiente Si es variable Es variable? Es constante? Es dependiente? Es independiente? 4. Por qué el equipo opera en un rango de presión P > 1 Hg?

6 Asignatura: Fisicoquíica I, erodináica (Lic. Qca., Ing. Alientos) Guía de P: eróetro de gas. Página 6 de 7 5. La ecuación (8) se obtiene bajo la condición de que el voluen del depósito se antenga constante cuando se varía la teperatura. Es realente constante el voluen del depósito del gas a variar la teperatura? Cóo lo verificaría?. Aspectos teóricos: 1. Para los siguientes casos de la vida cotidiana, arque los casilleros correspondientes (Suponer evoluciones isotéricas): Un vaso conteniendo agua Un vaso conteniendo alcohol Una botella de gaseosa sin abrir Una reera secándose al sol Una olla a presión en el fuego Está en equilibrio? Sistea SI NO Abierto Cerrado 2. Deuestre que un gas real cuyo coportaiento se describe ediante la ecuación de an der Waals: verifica la siguiente conducta líite, a P 2 v - b = R v Li Pv = R v 3. Deostrar para cualquier fluido teroétrico que satisfaga la ecuación de Redlich-Kwong, se cuple la conducta líite dada en (4). a P v - b = R v(v b) 4. Deterine la fora de la dependencia P = P(1/ ), n para: a- Un gas ideal. b- Un gas de an der Walls 5. En erodináica aplicada es frecuente el uso de los coeficientes de expansión voluétrica ( ) y de copresibilidad isotérica ( ), dados por las siguientes expresiones: 1 = 1 = - P P, n, n A partir de estas definiciones evalúe: a- Los valores de y para un gas ideal.

7 Asignatura: Fisicoquíica I, erodináica (Lic. Qca., Ing. Alientos) Guía de P: eróetro de gas. Página 7 de 7 b- La dependencia de c- La relación P dw P, n P, n, n con y. GI y analice críticaente el resultado. BIBLIOGRAFÍA CHIALO, A. - Apunte: eperatura Absoluta (eróetro de gas) Ana arditi Francisco J. Passaonti José L. Fernández Abel C. Chialvo Diciebre / 214