INTRODUCCION

En el laboratorio anterior pudimos demostrar prácticamente como es que el cambio de temperatura no influye en el calor que esta contenido dentro de un cuerpo, y comprobamos que todos los cuerpos poseen la capacidad de retener calor por sus propiedades térmicas internas.

En el presente laboratorio analizaremos la relación que existe entre el cambio de presión de un cuerpo (en este caso trabajaremos con el agua) y la temperatura que este tenga, haciendo uso del mercurio que tiene la característica de dilatarse de manera notoria teniendo en cuenta el vapor generado por el agua y el vapor condensado dentro del tubo en U.

PERSION DE VAPOR SATURADO

OBJETIVO

Estudiar la variación de la tensión de vapor de agua en función de la temperatura.

EQUIPO

Una base Leybold grande Una varilla de acero Dos pinzas Mechero Bunsen Una matraz con un tapón bihoradado Un tubo en forma de U invertido Un termómetro Un tubo de ensayo 180gramos de mercurio

FUNDAMENTO TEORICO

De acuerdo a la teoría cinética las moléculas de un liquido tienen una velocidad promedio para cada temperatura. Si bien a una determinada temperatura el promedio de las velocidades es característica, individualmente hay moléculas cuyas velocidades difieren entre sí, una son muy lentas y otras muy rápidas.

Sin embargo algunas de las moléculas de los vapores de un liquido pueden estudiarse realizando una experiencia similar a la realizada por Torricceli.

El comportamiento de los vapores de un liquido puede estudiarse realizando una experiencia de similar a la realizada por Torrirrelli.

En la figura tenemos un tubo intermedio sobre una cubeta de mercurio. La altura del mercurio en el tubo indica la presión atmosférica que supondremos es de 760 mm de Hg. Como el tubo ha estado lleno de mercurio (habiéndolo invertido con cuidado) al dejar que encuentre el equilibrio bajara dejando en la parte superior una zona vacía.

Si luego introducimos una gota de agua por la pate inferior del tubo observamos que ella asciende y que al llegar al vacio de torriccelli, dando lugar a que el nivel de mercurio descienda.

Podemos seguir introducinedo gotas de agua las cuales se convierten en vapor y hacen descender aun más el nivel de Hg, lo que significa que la presión en la cámara aumenta de acuerdo a la cantidad de vapor que en ella se acumula. Pero llega un momento en que la vaporización no se produce y el liquido que asciende queda sobre la uperficie del Hg sin cambiar su estado. Desde ese momento, si mantenemos la temperatura constante, no es posible aumentar mas la presión aunque se continúe agregando liquido. A esta presión máxima que alcanza ek vapor cunado ha saturado un espacio también se denomina tensión de vapor. Atención pero aumneta la cinetica de las moléculas.

¿Qué influencia tiene la temperatura sobre un vapor cuando este ha saturado un espacio?

Para responder esta pregunta, suponga un recipiente cerrado (figura 2) conteniendo únicamente agua y su vapor. La región encima del liquido esta saturado de vapor ose que se ha establecido un equilibrio entre la rapidez con la cual retornan de3l estado de vapor al estado liquido (esto es el numero de moléculas en el vapor es prácticamente constante).

Al elevar la temperatura, incrementamos la energía de las moléculas en estado líquido las cuales tendrán mayor probabilidad de escapar de la superficie y por consiguiente aumentara la cantidad de vapor. El aumento de la cantidad de moléculas en estado de vapor trae como consecuencia inmediata un aumento de la densidad de vapor por consiguiente un aumento en la presión. Además la presión también aumenta por la mayor energía cinética que adquieren las moléculas con la elevación de al temperatura. Deducimos por consiguiente que el incremento de la temperatura eleva la presión de vapor por doble motivo.

Esta elevación de la presión de vapor ocurre hasta que ella alcanza un valor tal que la rapidez con la cual las moléculas retornan al estado líquido, iguala la rapidez con la cual aumenta la tensión de vapor.

Mediante el desnivel que existe entre la columna de mercurio en el tubo de U y la superficie libre del mercurio en el tubo de ensayo, puede conocerse la tensión de vapor que corresponde a cada temperatura.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Figura 2

1. Llene con agua hasta la mitad del matraz y luego colocar el tapón con el tubo en forma de U invertida, teniendo cuidado que el bulbo del termómetro este bastante cerca del liquido pero sin tocarlo.

2. Mediante un calentador lleve el liquido al punto de ebullición y mantenerlo en estas condiciones hasta desalojar todo el aire contenido en el matraz y en el tubo.

3. A continuación introduzca el extremo libre del tubo en U en el interior del tubo de ensayo que continúe una determinada cantidad de mercurio, quitando al mismo tiempo la fuente de calor. Verifique que el extremo inferior del tubo en U llegue al fondo del tubo de ensayo.

4. A medida que disminuya la temperatura del vapor observe que el mercurio asciende por el tubo en U lo cual indica que la tensión del vapor esta descendiendo. Mediante el desnivel que existe entre la columna del mercurio en el tubo de ensayo puede conocerse la tensión de vapor que corresponde a cada temperatura.

5. Finalizada la experiencia, recupere el mercurio abriendo lentamente la valvula que hay en el tapón del matraz.

CALCULOS Y RESULTADOS

1. A partir de la temperatura de ebullición y cada 5®C determine la tensión de vapor que corresponde a diferentes temperaturas durante el enfriamiento.

2. Con los valores obtenidos trace una curva en un sistema de coordenadas rectangulares representado la presión en el eje de coordenadas y la temperatura absoluta en el eje de abscisas.

3.

Teóricamente se sabe que la presión y la temperatura en la experiencia realizada están relacionadas por la ecuación

330 335 340 345 350 355 360 3650

10

20

30

40

50

60

70

80

90

P vs T

P vs T

T˚ C T˚ K h ( Hg) cm h (H2O) cm

90 363,15 13 11,5

85 358,15 28 22

80 353,15 35,7 23,6

75 348,15 43,6 23,8

70 343,15 49,2 24

65 338,15 53,2 24,2

60 333,15 58 24,3

PRESION

82527.77 Pa

61485.32 Pa

51055.32 Pa

40495.84 Pa

33004.92 Pa

27648.66Pa

21234.89Pa

P= Po ℮-α/T

Para los valores de T cercanos a la ebullición entre 343˚ K y 373˚K aproximadamente. Con los valores de P y T obtenidos experimentalmente determine el valor de α.

Patm = P(vapor) + P(cond) + P(Hg)

Patm= 1.01x105 Pa Pcond= ρ(H2O)xgxh(H2O)

P Hg= ρ(Hg)xgxh(Hg)

P( vapor) = 1.01x105 – 103x9.81x h(H2O) – 9.81x(13.6x103)x h(Hg)

Entonces:

P vapor (363.15˚K)= 82527.77 Pa

P vapor (358.15˚K) = 61485.32 Pa

P vapor (353.15˚K) = 51055.32 Pa

P vapor (348.15˚K) = 40495.84 Pa

P vapor (343.15˚K) = 33004.92 Pa

Ademas:

α= T. ln(PO/P)

α (358.15˚K) = 105.41

α (353.15˚K) = 65.64

α (348.15˚K) = 80.67

α (343.15˚K) = 70.188

OBSERVACIONES:

Observamos que a los 95°C el mercurio sube de manera violenta a través de un extremo del tubo en U mientras que del otro lado el vapor sube también de manera violenta hasta llegar al mercurio.

Observamos que el vapor de agua va condensándose progresivamente sobre la superficie de mercurio que se ha elevado.

Observamos que cuando disminuye la temperatura en el termómetro el aumento de mercurio es mucho mayor que la capa de agua condensada sobre este.

Observamos que a medida que le temperatura disminuye, el agua condensada va cesando su aumento en volumen, mientras el mercurio aun se eleva considerablemente.

Observamos que al llegar a los 60°C el agua condensada prácticamente ya no aumenta en volumen, pero el mercurio ya ha dado la vuelta al tubo en U.

Observamos que a pesar que a los 60°C a pesar que el agua condensada esta sobre el recipiente de agua hirviendo, este no cae.

CONCLUCIONES:

Mediante la grafica podemos comprobar que a medida que aumenta la temperatura, aumenta también la presión.

Concluimos que en la realidad, el aumento de la presión en función de la temperatura no es lineal, sino exponencial (curvo).

Concluimos que el coeficiente de dilatación volumétrica del Hg es mayor que la del H2O, por la gran diferencia de aumento en volumen observado durante el experimento.

RECOMENDACIONES:

Tener cuidado al tratar con el mercurio.