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MI14FQ-A

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Per, Decana de Amrica) FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL DEPARTAMENTO ACADEMICO DE FISICOQUIMICA

PRACTICA: Gases CURSO: Laboratorio de Fisicoqumica PROFESOR: Ing. Marcos Meja Moreno INTEGRANTES: - Urbano Guerrero Luis Augusto - Bautista Quispe Yonatan Rogelio FECHA DE REALIZACION: 22/04/09 FECHA DE ENTREGA: 29/04/09 08170132 08170075

TABLA DE CONTENIDORESUMEN INTRODUCCION PRINCIPIOS TEORICOS PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL TABULACION DE DATOS EJEMPLO DE CALCULOS ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA APNDICE

RESUMENEl objetivo principal del experimento es reconocer observar en la aplicacin las propiedades de los gases tales como son la densidad atravs del mtodo de Vctor Meyer y la capacidad calorfica atravs del mtodo de Clement y Desormes. El experimento se desarrollado en un ambiente adecuado con materiales e insumos que han sido estudiados con anterioridad tanto en el uso de los materiales y las propiedades de los insumos en este caso el cloroformo; las condiciones de laboratorio son: Presin (mmHg)=756 mmHg Temperatura (C)=24 C Humedad relativa=92 % El primer experimento a tratar es la determinacin de la densidad de gases por el mtodo de Vctor Meyer en el cual utilizamos como insumo el cloroformo (CCl4) el resultado terico de su densidad es de 1.47 g/cm3 mientras que al aplicar el procedimiento es de 1.42 g/cm3 ; en el segundo experimento de la relacin de capacidades calorficas utilizando al aire como gas tenemos un resultado terico de 1,40 a una temperatura de 20C mientras el resultado experimental es de El mtodo de Vctor Meyer es bsico, nos permite hallar el valor del volumen de una sustancia que a temperatura de ebullicin pase a forma de gas ese volumen de gas despeja un volumen de agua el cual es medido y apartir del dato de volumen y al ve hallado la masa de la sustancia en estado liquido se puede proceder a hallar el volumen. El mtodo de Clement y Desormes; nos permite hallar el coeficiente de dilatacin adiabtica que es la razn entre la capacidad calorfica a presin constante (Cp) y la capacidad calorfica a volumen constante (Cv) es necesario para este mtodo trabajar con papel milimetrado para poder tener un mnimo de error en los clculos de las alturas que son utilizadas en este mtodo. De esta experiencia se tiene que la relacin de la capacidad calorfica a presin constante y la capacidad calorfica a volumen constante ante pequeas variaciones de presin est en funcin a las alturas.

INTRODUCCIONLas molculas en el estado gaseoso estn dotadas de un movimiento incesante y catico que bien entre ellas puede existir fuerza intramolecular, como es el caso de los gases reales y no el de los gases ideales, y esto hace que para cada uno de estos gases se usa diferentes ecuaciones para hallar las diferentes caractersticas, ya sea volumen, temperatura, presin, etc. Es importante conocer y aplicar el concepto de densidad en diferentes procesos ya que es una herramienta importante para el desempeo de fabricacin u otros objetivos; aqu se presentan procesos donde se menciona a la densidad con herramienta de trabajo. Optimice su proceso de produccin de aluminio Medicin de flujos, densidades y niveles.- Nuestra lnea de medidores de densidades puede ayudar a controlar los lodos de bauxita o la mezcla de aditivos en las condiciones de procesamiento ms duras, en tubos de entre 2,5y 100 centmetros de dimetro. Nuestra tecnologa exclusiva de medicin permite utilizar fuentes de energa extremadamente pequeas que se convierten en lecturas muy precisas que responden rpidamente a variaciones de densidad. Proceso Siderrgico Alto Horno.- El sinter, coque, caliza y mineral de hierro se envan a los patios y tolvas de almacenamiento del Alto Horno, donde se van cargando por la parte superior mientras que por la parte inferior se inyecta aire precalentado. Por accin del aire caliente sobre el coque se genera calor que funde la carga y gases reductores que transforman los minerales en hierro lquido llamado arrabio, que se acumula en el fondo del horno o crisol, sobre el cual, por menor densidad, flota la escoria. La escoria obtenida en el Alto Horno se granula y se vende como materia prima para la fabricacin del cemento. El gas obtenido se usa como combustible. Produccin De Rotiferos Cultivo masivo de rotferos.- La tcnica implantada de produccin de rotferos, se basa en el tipo de cultivo de recoleccin completa (cultivo batch). Consiste en inocular el cultivo y una vez que se ha alcanzado densidad mxima se realiza la cosecha completa. Para alimentar con algas, inicialmente se realiza un bloom fitoplanctnico en agua de mar (35 ppt), se pone dichas algas en los tanques de produccin de rotferos y se inocula los animales a una densidad de 10-30 R.ml-1, para despus de 4 das cosechar todo el volumen.

PRINCIPIOS TEORICOSLas leyes de los gasesSe han deducido experimentalmente tres leyes que cumplen aproximadamente todos los gases, especialmente en condiciones de presin baja y temperatura alta. Ley de Boyle. A temperatura constante, el volumen de una mezcla gaseosa es inversamente proporcional a la presin del gas. Es decir, pV = k1, donde k1 es una constante (figura 6.1). Ley de Charles. A presin constante, el volumen de una muestra gaseosa es proporcional a la temperatura del gas, expresada en la escala absoluta o Kelvin. La formulacin matemtica inicial era V = k2(t + 273,15) donde k2 es una constante y t la temperatura en grados centgrados. Kelvin (18241907) sugiri que 273,15 C representa un mnimo absoluto de temperatura (figura 6.2). Esta temperatura es el origen la escala de temperaturas llamada absoluta o kelvin y simbolizada con una T mayscula. En esta escala de temperatura, la ley de Charles se escribe V = k2T. Ley de Gay-Lussac. A volumen constante, la presin ejercida por una muestra gaseosa es proporcional a la temperatura del gas en la escala absoluta. Es decir, p = k3T, donde k3 es una constante.

Principio de AvogadroUn posible enunciado para este principio es que, a presin y temperatura fijas, el volumen de cualquier gas es proporcional al nmero de moles presentes. Es decir, n = k4V, donde k4 es una constante. Ley de los gases ideales.-Como el comportamiento de los gases reales slo se aproxima al descrito por las leyes anteriores, por conveniencia se define gas ideal como el que las cumple exactamente en todas las condiciones. Las leyes anteriores pueden combinarse en una sola ley llamada ley de los gases ideales, cuya expresin matemtica es: pV = nRT, donde R recibe el nombre de constante de los gases ideales y vale 0,08205

litro atm K1 mol1. El volumen molar (Vm) de un gas es el ocupado por un mol de dicho gas, Vm = V/n. Las condiciones normales (CN) en gases son 273,15 K (0 C) de temperatura y 1 atm de presin. En esas condiciones, el volumen molar se llama volumen molar normal y, para cualquier gas ideal, es de 22,414 litros (tabla 6.1). La teora cintico-molecular de los gases La teora cintico-molecular de los gases fue desarrollada por L. Boltzmann (1844 1906) y J. C. Maxwell (18311879). Esta teora explica satisfactoriamente el comportamiento de los gases ideales a partir de las siguientes hiptesis: 1. Un gas est compuesto de un gran nmero de partculas pequeas (molculas) de tamao despreciable frente a las distancias entre ellas. 2. Las molculas se mueven en movimiento rectilneo, rpido, constante y casual. Las molculas chocan entre s y con las paredes en choques elsticos (es decir, no hay fuerzas de atraccin o repulsin entre las molculas, ni entre stas y el recipiente, diferentes a las del choque). 3. Cada molcula tiene una energa cintica (velocidad) propia que no tiene que ser igual a la de las restantes molculas, pero la energa cintica promedio de todas las molculas es proporcional a la temperatura absoluta (figura 6.3). La temperatura es simplemente una consecuencia del movimiento molecular.

Segn este modelo, la presin es el resultado de las colisiones de las molculas con las paredes del recipiente, a las que transfieren cantidad de movimiento. Si consideramos el problema de N partculas, cada una de las cuales tiene una masa m, que estn movindose en un cubo de volumen V (figura 6.4), a un velocidad media v, puede deducirse fcilmente que la presin que ejercen es p = Nmv2/3V, o, escrito de otra forma, pV =nNA2Ec/3, donde Ec es la energa cintica media de cada partcula.

Esta expresin es idntica a la de la ecuacin de los gases ideales, si suponemos que la

relacin postulada en el punto 3 entre la energa cintica media por partcula del gas y la temperatura absoluta es Ec = 3RT/2NA. Si consideramos la energa cintica de 1 mol de partculas, Ec = 3RT/2.

Otras predicciones de la teora cintico-molecularLey de las mezclas gaseosas.- La formul Dalton a partir de observaciones experimentales. La presin total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales de cada uno de los componentes individuales de la mezcla gaseosa, definiendo presin parcial como la que producira cada gas si estuviera slo en el recipiente. Si tenemos una cantidad n1 de un gas 1, n2 de un gas 2 mezclados en un recipiente de volumen total V y a una temperatura T, por definicin llamaremos presin parcial de 1 a p1 = n1RT/V, presin parcial de 2 a p2 = n2RT/V La ley de Dalton dice que la presin total p debe valer p = p1 + p2 +. Este comportamiento es explicado por la teora cintico-molecular. Capacidad calorfica molar de los gases.- La capacidad calorfica molar de un gas es la cantidad de energa que hay que suministrar para aumentar una unidad la temperatura de un mol de sustancia. En un gas monoatmico, dicha energa se invierte nicamente en el movimiento de traslacin de sus molculas y por tanto debe ser Cv = Ec = 3R(T+1)/2 3RT/2 = 3R/2 = 12,472 J mol1, lo que se confirma experimentalmente (R expresado en J K1 mol1 vale 8,3144). En molculas poliatmicas, el calor debe de invertirse tambin en los movimientos de rotacin y vibracin, por lo que la deduccin de su capacidad calorfica molar es ms compleja (tabla 6.2).

Los gases reales: ecuacin de Van der WaalsLos gases reales se desvan del comportamiento ideal (figura 6.5) porque las molculas reales tienen un volumen no siempre despreciable y porque se atraen entre s. Es imposible despreciar las atracciones moleculares cuando las molculas se mueven lentamente, es decir, a bajas temperaturas; cuando los gases se comprimen, los volmenes moleculares se hacen importantes. Por ello los gases se aproximan ms al comportamiento ideal a temperaturas altas y presiones bajas. Se han propuesto varias ecuaciones de estado para los gases reales. Van der Waals modific la ley de los gases ideales en 1873, para tener en cuenta los dos factores anteriores. La ecuacin de Van der Waals es (p + n2a/V2)(Vnb) = nRT, donde a es una constante experimental relacionada con las atracciones moleculares, y b est relacionada con el volumen molecular (tabla 6.3).

El coeficiente de dilatacin adiabticaEs la razn entre la capacidad calorfica a presin constante (CP) y la capacidad calorfica a volumen constante(CV). A veces es tambin conocida como factor de expansin isentrpica y razn de calor especfico, y se denota con la expresin (gamma) o incluso (kappa). El smbolo empleado como kappa es el que aparece ms frecuentemente en los libros de ingeniera qumica antiguos y es por esta razn por la que se deduce que originariamente se empleaba este.

Donde el valor de C es el capacidad calorfica o capacidad calorfica especfica de un gas, los sufijos P y V se refieren a las condiciones de presin constante y de volumen constante respectivamente. Relaciones con un gas ideal Para un gas ideal la capacidad calorfica es constante con la temperatura. De acuerdo con esta afirmacin la entalpa puede expresarse como H = CPT y la energa interna como U = CVT. Por lo tanto, se puede decir que la capacidad calorfica es el ratio entee la entalpa y la energa interna:

De la misma forma, las capacidades calorficas pueden ser expresadas en trminos del ratio ( ) y la constante de gas ( R ):

Es difcil encontrar tabulada informacin sobre CV, y es frecuente encontrar, sin embargo, ms fcilmente informacin tabular sobre CP. La siguiente relacin se puede emplear para determinar CV: CV = CP R

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

TABULACION DE DATOS Y RESULTADOS

DATOS EXPERIMENTALES Determinacin de la densidad del gas por el mtodo de Vctor Meyer

Masa Peso de la Ampolla Peso de la ampolla ms el cloroformo Peso del Cloroformo 1,1850 g 1,3420 g 0,157 g Volumen Volumen cloroformo (volumen desplazado) 0,116 mL T Temperatura de la pera 26 C

Determinacin de las Capacidades Calorficas por el mtodo de Clment y Desormes h1 19,5 cm 29.6 cm 39.7 cm 48.5 cm h2 3.5 cm 6.5 cm 11 cm 19.5 cm

1ra. medicin 2da. medicin 3ra. medicin 4ta. medicin RESULTADOS

10cm 15cm 20cm 25cm

Determinacin de la densidad del gas por el mtodo de Vctor Meyer Presin baromtrica corregida Volumen corregido Densidad experimental Densidad terica % Error mmHg 0.116 mL 8.83 g/L 5.647 g/L 56.36 %

Determinacin de las Capacidades Calorficas por el mtodo de Clment y Desormes

promedio

1.31

Valor experimental Valor terico % Error

Cp 8.39 8.91 5.83 %

Cv 6.41 6.93 7.5 %

EJEMPLO DE CLCULO1.- Densidad de Gases: a) Correccin de la presin baromtrica Pb` = Pb (100 h) F 100 Pb` = 756 mmHg (100 85) 21.068 mmHg 100 Pb` = 752.84 mmHg b) Correccin del volumen del aire desplazado a CN .n = P x V RxT n= 0.996 atm x 0.0132 l 273.15 298.15 K x 0.082 atm.l/mol.k n = 0.0005 mol V = n x R xT P V = 0.005mol x 0.082 atm.l/mol.k x 1 atm V = 0.0112 L

c) Clculo de la densidad terica del vapor a CN (ecuacin de Berthelot) : PxV = m xT x R 1+ 9 M dT =. TxR 1+ 9 128 dT= Tc x P 1 6 Tc T . 1 6 Tc T . 1 6 536.2K 273.15 K2 2 2

128 Pc x T PxM Tc x P Pc xT

1 atm . 119.39 g/mol

273.15x 0.082atm.L/mol.K 1+ 9 x 536.2 K . 1atm 128 54.2 atm . 273.15 k dt = 5.647 g/l

d) Clculo de la densidad del vapor a CN : d =m V d = 0.0989 g 0.0112L d = 8.83 g/L e) Porcentaje de error : %Ed = dt - dp x 100 dt %Ed =5.647 8.83x 100 5.647 %Ed = 56.36 % 2.- Relacin de Capacidades Calorficas : a) Relacin de capacidades calorficas para cada altura : = . h1 h1 h2 ..

10 =

10 cm 10 cm. 1.5 cm.

= 1.18

b) Relacin calorfica promedio p p = 1 + 2 + 3 + 4 + 5 5 p = 1.18+1.23+1.26+1.33+1.55 5 p = 1.31

c) Clculo de Cp y Cv: Cp Cv = R Cp Cv = 1.987 cal/mol K Para el p : 1.31 Cv Cv = 1.987 cal/mol K Cv = 6.41 cal/mol K Cvt = 7/2 x R Cvt = 6.93 t = Cpt Cvt t = 1.29 d) Porcentaje de error : % E = Vt Ve x 100 Vt % E Cp= 8.91 8.39 x 100 8.91 % E Cp = 5.83 Cp = 8.39 cal/mol K Cpt = 9/2 x R Cpt = 8.91

Considerando al aire como un gas poliatmico tenemos:

ANLISIS Y DISCUSIN DE RESULTADOS Algunas causas que afectaron los resultados fueron: No asegurar muy bien la manguera que conduca el aire, ya que pudieron haber algunas fugas y se pudiese enfriar afectando los resultados, ya que se trataba de una expansin adiabtica. Colocar la pinza lejos de la entrada al bidn ya que en la manguera se encuentra aun aire. Respecto a la parte de Densidad de Gases se observa que hubo cierta diferencia puede que haya sido debido a errores al manipular el equipo: No medir bien el desplazamiento de volumen del aire. No asegurar bien el equipo con los tapones, ya que pudo ingresar mayor cantidad de aire, haciendo desplazar mas volumen. Al mantener a desnivel la bureta con la pera ya que pudo originar variacin en la presin. Al no colocar rpidamente la ampolla al tubo de vaporizacin, ya que en el traslado pudo haber ingresado el aire, mezclndose con el cloroformo. Descuido al no vigilar en que momento dejo de desplazarse el volumen de cloroformo porque empieza a disminuir.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONESCONCLUSIONES Para la determinacin de la capacidad calorfica de un gas en el caso de pequeos cambios de presin se considera la relacin p=gh (p=presin; =densidad ; g= gravedad ; h=altura). De esto se tiene que la relacin de la capacidad calorfica a presin constante y la capacidad calorfica a volumen constante est en funcin de las alturas. El momento en el que se cierra el sistema para obtener la segunda altura es bastante difcil de determinar por lo que el porcentaje de error puede incrementarse debido a esta condicin. En la experiencia de la determinacin de la densidad del gas es importante anotar la temperatura del agua en la pera para poder corregir la presin baromtrica en la experiencia, lo que es importante para corregir el volumen del gas. Los mtodos de Vctor Meyer para determinar la densidad de los gases y de Clment y Desormes para determinar la capacidad calorfica de los gases son en principio sencillos pero requieren de bastante cuidado en la preparacin y durante la experiencia dado que un pequeo descuido podra hacer que se incremente notoriamente el porcentaje de error. RECOMENDACIONES Enfriar la ampolla rpidamente tras introducir la muestra en ella. Sellar la ampolla rpidamente y con sumo cuidado para evitar perder una cantidad de muestra en el proceso. En la determinacin de la densidad del gas se debe tener mucho cuidado cuando se introduce la muestra en el sistema. Verificar que el tapn est bien puesto y tener cuidado en bajar la pera segn la variacin del nivel de agua en la bureta debido al empuje del gas. Tener cuidado al observar el nivel del agua en la bureta antes de introducir la muestra para poder determinar exactamente el volumen de agua desplazado. En la determinacin de la capacidad calorfica del gas observar que no haya fuga de aire en el sistema para que la altura no vare. Se recomienda que varias personas trabajen en forma coordinada para realizar la experiencia de la determinacin de la capacidad calorfica del gas dado que una sola persona no puede encargarse de medir la altura y verificar que el sistema trabaje correctamente.

BIBLIOGRAFAhttp://www.kendro.com/eThermo/CMA/PDFs/Product/productPDF_1759.pdf http://www.cenaim.espol.edu.ec/publicaciones/artemia/13-15.pdf www.inp.sagarpa.gob.mx/Publicaciones/Ciencia%20pesquera/ciencia%2014/aragonnorieg.pdf http://es.wikipedia.org/wiki/Coeficiente_de_dilataci%C3%B3n_adiab%C3%A1tica http://usuarios.lycos.es/armandotareas/quimica/gases.pdf GLASSTONE, Samuel Tratado de qumica fsica Aguilar S.A. Ediciones(7ma. edicin, Espaa, 1972) Pg. 283 PONS MUZZO, Gaston Fisicoqumica Editorial Universo S.A. (2da. Edicin, Lima - Per, 1973) Pg. 24-27 Qumica Centro de produccin editorial de la UNMSM Pg. 41,168

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