MEDICIÓN DE PRESIÓN Y TEMPERATURA DURANTE UN CAMBIO DE FASE OBJETIVOS: Observar un cambio de fase líquido-vapor del etanol, y un cambio de fase vapor-líquido del etanol. Comprender experimentalmente el concepto de presión y cómo medirla con un sensor como el barómetro. Monitorear la temperatura y la presión que se presentan durante el cambio de fase. Calcular el calor latente de vaporización o evaporación del alcohol etílico o etanol. GENERALIDADES: En la práctica de calores latentes se estudiaron los cambios de fase sólido-líquido, líquido-vapor y se calcularon los calores latentes de fusión y vaporización o evaporación. En este experimento se estudiará el concepto de presión y se medirá el cambio de ésta y de temperatura durante un cambio de fase, en este caso, líquido- vapor. Se analizarán las gráficas obtenidas y se calculará el calor latente de vaporización o evaporación del alcohol etílico. Este experimento no presenta ningún peligro, ya que los vapores de etanol no son tóxicos, como lo serían los del metanol y el alcohol iso-propílico, por otro lado, el etanol no es calentado directamente, sino en un baño de agua, por lo que no representa peligro, ya que se trata de una sustancia muy volátil. PREGUNTAS DE PRE-LABORATORIO: 1. Qué es la presión absoluta? 2. Qué es la presión manométrica? 3. Cuál es el calor latente de vaporización del etanol, cuál es su punto de ebullición a nivel del mar? INTRODUCCIÓN: PRESIÓN: Es la fuerza que ejerce un fluido por unidad de área, por lo tanto la unidad de presión es Newtons por metro cuadrado (N/m 2 ), la cual se llama Pascal (Pa). 1 Pa = 1 N/m 2 = 1 J/ m 3
La tierra está cubierta por una capa de aire que es más densa a nivel del mar y se hace más ligera al alejarnos de la superficie. La fuerza causada por el peso del aire sobre la superficie terrestre y los cuerpos que se encuentran en ella, se denomina presión atmosférica (P atm ). La presión de la atmósfera se mide con un barómetro; por lo que con frecuencia se conoce como presión barométrica. El barómetro es un dispositivo en el cual un tubo delgado de vidrio sellado en uno de sus extremos se llena con mercurio y se invierte sobre un recipiente que contenga un poco de mercurio. Al invertir el tubo, el mercurio no se sale completamente sino se estabiliza a una altura que a nivel del mar es de 0.76 m (76 cm ó 760 mm). La altura donde se equilibra el peso del mercurio con la presión que ejerce la atmósfera es independiente del diámetro y de la longitud del tubo. A nivel del mar surge la unidad llamada atmósfera (at). 1 at = 760 mm Hg 1 at = 101.325 kpa = 1.01325 bars Se observa que a mayor altura la presión disminuye, así, la presión atmosférica estándar P atm cambia de 101.325 kpa a nivel del mar a 89.88, 79.50, 54.05, 26.50 y 5.53 kpa a alturas de 1000, 2000, 5000, 10 000 y 20 000 metros, respectivamente. En la Ciudad de México la altura promedio es de 2200 m sobre el nivel del mar, el valor de la P atm = 580 mm Hg. En Santa Fe la altura es mayor 2690 m sobre el nivel del mar, por lo tanto; la P atm = 549 mm Hg. DESARROLLO EXPERIMENTAL: Material: 1 matraz de bola de fondo plano de preferencia de 50 ml, con tapón horadado. 2 vasos de unicel, dependiendo del tamaño del matraz, será el vaso para poder intoducirlo, uno con agua de hielos y sal y otro con agua caliente Lab-Pro con sensor de temperatura y el barómetro con manguera 1 probeta de 25 ml ó 100 ml Etanol 1 calentador de inmersión 1 vaso de precipitados de 500 ó 600 ml Película de plástico adherente 1 soporte universal Pinzas tres dedos
Procedimiento: BARÓMETRO: 1. Conectar el barómetro y el sensor de temperatura al Lab-Pro (necesita adaptador) 2. Abrir Logger 3.3 3. El sensor de temperatura no es necesario calibrarlo y es reconocido por Lab-Pro. 4. Para calibrar el barómetro dar click en SET UP SENSORS donde a un lado del valor de la temperatura y según CH-1 ó CH-2 donde haya sido conectado al Lab-Pro, dar click y con choose sensor seleccionar barómetro y las unidades, se recomienda realizar este experimento en: mm Hg ó mbar. 5. Para calibarlo: CALIBRATE y dar el valor de la presión atmosférica en el laboratorio = 549 mm Hg = 73.15 kpa = 731.5 mbar. 6. Conectar el trozo de manguera al barómetro. Una vez reconocidos los sensores, aparecerán dos gráficas una para medir presión y otra para medir temperatura. 1. Cambiar el tiempo de recolección de datos a 15 minutos y 7 muestras por minuto. 2. Preparar en un recipiente de unicel agua con hielos y sal. 3. Calentar agua en un vaso de precipitados con un calentador de inmersión.
4. Medir con la probeta 20 ml de etanol y vaciar a un un matraz esférico de fondo plano de 50 ml, en caso de utilizar un matraz de mayor capacidad, i.e. 250 ml, medir 100 ml de etanol y vaciar al matraz. 5. Cuando el agua esté hirviendo vaciar con cuidado al recipiente de unicel de modo que se pueda introducir el matraz y el agua caliente cubra las ¾ del matraz. 6. Introducir el matraz con el tapón y el sensor de temperatura, agitar el matraz y medir la temperatura, no es necesario hacer un monitoreo de ésta, cuando esté arriba de 60 C, esperar unos minutos para que los vapores del etanol expulsen el aire, empezará a oler a etanol. 7. Colocar el la conexión del barómetro al tapón y sellar con un pedazo de película de plástico adherente. 8. Dar COLLECT y cambiar al vaso con agua con hielos, agitar el matraz y observar los cambios de temperatura y presión, el momento en el que empieza a disminuir la temperatura se observa una disminución drástica de presión resultado de la rápida condensación de los vapores de etanol seguida de un rápido incremento de la presión debido a que el sistema busca alcanzar el equilibrio, a partir de este momento se podrá observar que la presión y la temperatura tenderán a permanecer constantes. 9. Una vez que la temperatura se haya estabilizado, introducir nuevamente el matraz dentro del agua caliente y observar nuevamente el cambio drástico de presión por una rápida evaporación del etanol. 10. Se observará claramente la curva de calentamiento del etanol y el cambio de fase líquidovapor. 11. Se puede repetir el experimento varias veces en un tiempo relativamente corto. 12. Es importante medir el volumen de etanol después del cambio de fase. 13. El etanol se puede recuperar y re-utilizar.
Análisis de Resultados: 1. Observa tus gráficas y analiza que sucede con la presión y la temperatura cuando se observa el cambio de fase líquido-vapor; vapor-líquido. 2. A partir de la gráfica de temperatura vs. tiempo: con ANALYZE EXAMINE. Registra los datos de temperatura y tiempo para calcular el calor latente de vaporización (Lv) del etanol. Si tienes alguna duda puedes consultar la práctica de calores latentes. 3. Para este experimento 1g etanol 1 ml, como se consideró en otras prácticas para el agua por lo tanto necesitas los siguientes datos para el etanol: (además del punto de ebullición y calor latente de vaporización reportados). ETANOL (C 2 H 5 OH) Densidad (ρ) 0.789 g / cm 3 Calor específico 0.60 cal /g C 4. Recuerda: Calcular el %error teórico vs. experimental. Calcular la propagación de errores para cada uno de tus cálculos. BIBLIOGRAFÍA: Hewitt, P.G. FÍSICA CONCEPTUAL; 9ª.ed. Pearson Educación de México; 2004. México D.F. cap.14. Çengel,Y.A; Boles, M.A. TERMODINÁMICA. 4ª ed. Mc Graw-Hill Interamericana; 2003. México D.F. p.28-36.