Líquidos. Unidad I. Elementos de Fisicoquímica Prof. Leadina Sánchez UNEXPO

Transcripción

1 Líquidos. Unidad I Elementos de Fisicoquímica Prof. Leadina Sánchez UNEXPO

2 Líquidos Fase de la materia entre sólidos y gases Fluidos cuyo volumenes constantes a Temperatura y Presión constantes

3 Propiedades de los Líquidos, Sólidos y Gases Sólidos Líquidos Gases Forma definida (resistenla deformación). Carecen de formadefinida (forma del recipiente que los contiene). Carecen deforma definida (llenan en su totalidad la forma del recipiente). Casi incompresibles. Volumen definido (ligeramente compresibles) Compresibles. Suelen tener mayor Alta densidad. Baja densidad. densidad que los líquidos. No son fluidos. Fluidos. Fluidos. Se difundenmuy lentamente a través de otros sólidos. Ordenamiento determinados de partículas; únicamente con movimiento vibratorio. Se difunden através de otros líquidos. Conjunto desordenado de partículas con movimiento aleatorio tridimensional. Se difunden con rapidez. Partículas extremadamente desordenadas; mov. Aleatorio tridimensional.

4 La energía interna de las moléculas esta compuesta por: E I Ec + Ep + Et + Ev + Ee Energía Cinética alta 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.

5 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 resistenciaa un esfuerzo cortante (o tangencial) que tiene a cambiar su 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.

6 Tipos de Fluidos

7 Viscosidad. Considere la siguiente figura para obtener una relación para la viscosidad: Placa inferior fija L distancia que separa las dos placas. F fuerza paralela aplicada V velocidad (ctte) de la placa superior, y la del fluido que esta en 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.

8 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: u ( y ) y l V du dy Durante el intervalo diferencial dt, los LADOS de las partículas del fluido a lo largo de una recta vertical MN giran describiendo un ángulo dβal mismo tiempo que la placa superior se mueve a una distancia diferencial: V l da da l d β dt Vdt V l du dy dt du dy dt d β d β τ ; τ dt du dy

9 El esfuerzo cortante se puede expresar entonces como: τ µ du dy µ Kg m * s N m * ^ s 2 Pa * s Donde µ es la viscosidad dinámica (o absoluta) de fluido. Ahora la Fuerza cortante seria: τ F A du F τ A µ A µ A dy V l ( N ) Fuerza requerida para mover la placa superior a una velocidad constante al mismo tiempo que la placa inferior permanece constante.

10 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): poisedina*s/cm2 g / (cm*s) 0.1 Pa*s centipoisepoise/ Pa*s

11 De que depende la viscosidad en los líquidos? µ depende de la temperatura y de la presión. En los líquidos la viscosidad disminuye al aumentar la temperatura, en los gases es al revés. La viscosidad de los fluidos aumenta con la presión.

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

13 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.

14 π Pr^ 4 t µ 8 LV Ley de Poiseuille 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: µ µ 1 2 π P π P 1 2 r r ^ ^ 4 4 t t LV LV P P 1 2 t t 1 2 ρ ρ 1 2 t t 1 2 Si se conocen las densidades de los dos líquidos y la viscosidad de uno de ellos (liquido de referencia) se pueden medir los tiempos y así determinar la viscosidad. A través del viscosímetro de Oswald

15 Viscosímetro de Oswald

16 Ley de Stokes Stokes baso sus estudios a los sólidos esféricos que fluyen a través de líquidos. D ^ 2 µ g ( ρ solido 18 V ρ fluido ) V inicial V Mayor V inicial V constante ; F. acelerantes y F. resistentes se igualan Dρ diámetro de la partícula ρp densidad de la partícula ρf densidad del fluido Ut velocidad terminal ggravedad; 9.8 m/s2 µ k ( ρ ρ solido fluido ) t K la constante de la bola t tiempo que tarda en caer

17 Ley de Stokes E Stokes encontró que la FUERZA ejercida sobre la esfera por el flujo del fluido alrededor de ella vale: Donde; F 3 π D µ V (1) F fuerza D diámetro de la bola µ viscosidad dinámica Al caer la esfera en un fluido VISCOSO aparecen V velocidad TRES FUERZAS limite actuando sobre el; estas fuerzas son: F W W F + E F W Donde; W peso F fuerza resistente E empuje W ρ solido * g * V E ρ fluido * g * V E (2) V Volumen del cuerpo (esfera) V 3 r ^ 3 D esfera π π 4 6 ^ 3

18 F Ley de Stokes Sustituyendo el volumen en W y E de la ecuación (2) se tiene que la FUERZA es igual a: π D ^ 6 3 g ( ρ solido ρ fluido ) (3) Igualando la ec (3) con la Ec (1), se tiene que: π D ^ 3 3 π D µ V g ( ρ solido ρ fluido 6 D ^ 2 µ g ( ρ solido ρ fluido ) 18 V ) Como la bola desciende a una velocidad constante haciendo V d / t, entonces queda así: D ^ 2 µ g ( ρ 18 d solido ρ fluido ) t µ k ( ρ ρ solido fluido ) t K es la constante de la bola y depende de la bola utilizada.

19 Ejercicio: Una esfera de 1mm de diámetro y una densidad 1.1 kg / L cae dentro de un liquido a una velocidad constante de 5.45*10 E-2 cm/s. Si la densidad del Liquido es de 100 kg /m3. Cuál es su viscosidad? D ^ 2 µ g ( ρ solido 18 V ρ fluido )

20 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 atracciones entre las moléculas impiden el flujo y por tanto la viscosidad es mayor

21 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. 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)

22 Tensión Superficial Mide las fuerzas que hay que vencer Energía necesaria para aumentar o estirar la superficie de un liquido por unidad de área. Las moléculas que están dentro del liquido son empujadas en todas las direcciones por las fuerzas intermoleculares, sin embargo las moléculas de la superficie son atraídas hacia abajo y hacia los lados pero no hacia arriba de la superficie. En consecuencia estas atracciones tienden a empujar a las moléculas hacia dentro del 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.

23 La tensión superficial tiene como principal efecto la tendencia del líquido a disminuir en lo posible su superficie para un volumen dado, de aquí que un líquido en ausencia de gravedad adopte la forma esférica, 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

24 Tensión superficial y Capilaridad Las 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 de COHESION entre las mismas moléculas y ADHESION entre las paredes internas del recipiente. La capilaridad es el desbalance entre estas dos fuerzas Fuerzas de adhesión menisco es cóncavo Fuerzas de cohesión Fuerzas de adhesión menisco es convexo Fuerzas de cohesión

25 H2O Humedece el vidrio e incrementa su área superficial al ascender por los lados de la tubería del vidrio debido a las considerables fuerzas de cohesión entre el vidrio el agua ya que ambos son polares. Mientras mas delgado el tubo mas 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)

26 Hg En vez de trepar por las paredes, desciende por el tubo capilar introducido en el liquido. Mientras mas delgado el tubo más desciende el tubo. El valor deγdepende de la magnitud de las fuerzas intermoleculares en el seno del líquido. De esta forma, cuanto mayor sean las fuerzas de cohesión del líquido, mayor será su tensión superficial. Podemos ilustrar este ejemplo considerando tres líquidos: hexano, agua y mercurio. En el caso del hexano, las fuerzas intermoleculares son de tipo fuerzas de Van der Waals. El agua, aparte de la de Van der Waals tiene interacciones de puente de hidrógeno, de mayor intensidad, y el mercurio está sometido al enlace metálico, la más intensa de las tres. Así, laγde cada líquido crece del hexano al mercurio. Al aumentar la TEMPERATURA disminuye la tensión superficial.

27 Tensión Superficial de algunos líquidos a 20ºC Líquido ɣ(10-3 N/m) Agua 72, 01 Acetona 23,70 Benceno 28,85 Tetracloruro 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

28 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) h γ 1 2 rh ρ g

29 Evaporación y Presión de Vapor Energía Cinética dependen de la TEMPERATURA Evaporación o Vaporización es el proceso por el cual las moléculas de la superficie del liquido se desprenden y pasan a la fase gaseosa. Al aumentar la temperatura hay un numero mayor de moléculas que alcanzan la energía cinética mínima necesaria para pasar de liquido a vapor (gas). Solo las moléculas de energía mas alta pueden escapar de la fase liquida, por tanto la energía cinética molecular promedio de las moléculas que permanecen en estado liquido desciende, de manera que la temperatura del liquido baja, por tanto absorbe calor de sus alrededores (ambiente) Una molécula de vapor choca posteriormente con la superficie y es capturada por ella. Esto es el proceso inverso y se llama CONDENSACION.

30 Al producirse la evaporación en un recipiente cerrado, el volumen del liquido disminuye puesto que el numero de moléculas en fase gas aumenta. Como mas moléculas chocan con la superficie, la tasa de condensación aumenta también. El sistema compuesto por un liquido y sus moléculas de gas alcanza rápidamente el EQULIBRIO DINAMICO en el cual la velocidad de evaporación de hace igual a la velocidad de condensación. LIQUIDO evaporación condensación 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.

31 A una misma presión las presiones de vapor de distintos líquidos son diferentes porque sus fuerzas de cohesión son diferentes. Los líquidos con altas presiones de vapor son volátiles (se evaporan con facilidad). El éter tiene una presión de vapor bastante grande, por tanto es volátil. Sólidos como la Naftalina son Volátiles

32 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 (1atm760 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 H20 (liquida) condensación H2O (vapor)

33 Calor molar de Vaporización y Punto de Ebullición Para elevar la temperatura de un liquido es preciso suministrar calor. El calor especifico (J/gºC) de un liquido es la cantidad de calor que debe añadirse para elevar su temperatura de un grado Celsius. Si el calor se añade de forma constante a un liquido que se encuentra a presión constante, la temperatura se elevara de forma constante hasta llegar al punto de 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 E3J/g El AGUA y el ALCOHOL tienen un ( H vap) elevado y se deben a sus intensas fuerzas intermoleculares

34 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) Ebullición 2.- Convertir el agua liquida a vapor. ( H vap) 3.- Calentar el vapor de 100ºC a 105ºC. (Ce) Q m*ce* T Q1180g * 4.184J/gºC * (100-10)ºC 0.677*10E5 J Cantidad Q2 180g de * calor E3 total absorbida J/g 4.07*10E5 4.77*10E5 J J Q3 180g * 2.03 J/gºC * ( )ºC *10E5 J

35 Ecuación de Clausius- Clayperon Establece una relación CUANTITATIVA entre la presión de vapor P de un liquido y la temperatura absoluta T ln P Hvap 1 * R T + C y m * x + b 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 calores de vaporización.