Presión de vapor de un líquido puro

PRESIÓN DE VAPOR DE UN LÍQUIDO PURO
OBJETIVO
El alumno determinará la presión de vapor de un líquido puro a diferentes temperaturas
mediante un método dinámico, calculará su entalpía de vaporización y su punto de ebullición
normal.
CONSIDERACIONES TEÓRICAS
Cuando un líquido a una temperatura definida se coloca en un recipiente evacuado, el
líquido se evaporará parcialmente para establecer una presión de vapor encima del líquido que
depende de la naturaleza de este y es, en el equilibrio, constante a cualquier temperatura
establecida. Esta presión es conocida como presión de vapor del líquido. En tanto se mantengan
ambas fases (gas y líquido) a la temperatura definida, la presión en el sistema se mantendrá
constante. Si se extrae o se suministra energía en forma de calor a éste sistema manteniendo
constante la temperatura se condensará vapor o se evaporará líquido respectivamente para que el
sistema conserve el equilibrio.
La presión de vapor aumenta con un incremento de temperatura. Cuando la presión de
vapor en el interior del líquido (burbujas) es igual a la presión aplicada sobre el líquido,
comienza la ebullición. La temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a una
atmósfera, se denomina punto o temperatura de ebullición normal. El aumento de presión de
vapor con la temperatura puede continuar hasta llegar a la temperatura crítica; por arriba de esta
temperatura no existe líquido.
Para un líquido cualquiera la vaporización va acompañada de absorción de calor y a la
cantidad de éste requerido para evaporar cierto peso de líquido a temperatura y presión
determinadas, se conoce con el nombre de calor latente de vaporización y equivale a la diferencia
de entalpía entre el vapor y el líquido, esto es: H°v = H°v – H°l donde H°v es el calor latente
de vaporización y H°v, H°l las entalpías del vapor y del líquido respectivamente.
En una evaporación, H°v siempre es positiva, mientras que en una condensación es
negativa y numéricamente igual al calor absorbido en la evaporación.
Una de las características principales de estos procesos de cambio de estado (o bien sus
equilibrios entre dos fases) es que la temperatura permanece constante a una presión definida
durante la coexistencia de las dos fases, tal efecto se puede explicar por la regla de las fases. Para
un sistema de un componente (c = 1) que presenta dos fases en equilibrio (p = 2), la varianza (en
algunos libros se puende encontrar éste término como variancia) esta dada por:
= c – p + 2 = 1 – 2 + 2 = 1
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=1 que es la temperatura o la presión los que describen al sistema.
Este resultado implica que la temperatura no está en nuestro control y queda definida
automáticamente al momento de imponer una presión al sistema (= 1 = P). La temperatura
permanecerá constante mientras coexistan las dos fases a la presión P. O bien, la presión no
estará en nuestro control y quedará definida al momento de imponer una temperatura constante al
sistema (=1=T). La presión permanecerá constante mientras coexistan las dos fases a la
temperatura T.
El calor latente que acompaña a un cambio de estado es una función exclusiva de la
temperatura, y esta relacionado con la temperatura y presión del sistema por una ecuación
termodinámica, conocida como la ecuación de Clapeyron. Para el caso particular de una
transición de fase de líquido a vapor, esta ecuación se escribe como
(1)
dP
H o v

dT T V -V 
 g
l 

donde P es la presión de vapor a la temperatura T, donde:
H°v = calor latente
Vg = el volumen del vapor
Vl = el volumen del líquido.
Normalmente Vl es muy pequeño comparado con Vg y a temperaturas muy cercanas a la
crítica es más notorio y puede despreciarse, además, si suponemos que el vapor se comporta
esencialmente como gas ideal, entonces Vg por mol viene dado por, V g  RT P . Sustituyendo
en la ecuación (1):
ΔH vo
ΔH vo P
dP


dT
T Vg
RT 2
H vo
dP

P
R
;
dT
T2
(2)
Al integrar la ecuación de Clasius-Clapeyron (2) es necesario que Hv se conozca como
una función de la temperatura. Si suponemos que durante todo el proceso Hv permanece
constante, la integración conduce a:
 H vo  1 
(3)
 K
ln P 
R


T 
La comparación de la ecuación (3) con la ecuación de una línea recta, sugiere que si ln P
para un líquido se grafica contra 1/T, la gráfica debe ser una línea recta con una pendiente:
m
H vo
R
entonces, de la pendiente se calcularía el calor de vaporización.
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Hay varios métodos para medir la presión de vapor de un líquido y se clasifican en
estáticos y dinámicos. En los primeros se deja que el líquido establezca su presión de vapor sin
que haya ningún disturbio, mientras que en los dinámicos el líquido hierve o se hace pasar una
corriente de gas inerte a través del mismo.
Mediante el método dinámico, se determina la presión de vapor de un líquido a diferentes
temperaturas, la presión se fija y se mide la temperatura de ebullición del líquido a esa presión.
GUÍA DE ESTUDIOS
1. ¿Qué es presión de vapor de un líquido?
2. ¿Cuál es la variable que más afecta a la presión de vapor de un líquido?
3. Explique la ecuación de Clausius-Clapeyron para la vaporización de un líquido.
4. Defina entalpía de vaporización.
5. Deduzca la ecuación (3).
6. Describa dos métodos para medir la presión de vapor de un líquido puro.
7. Defina punto de ebullición.
8. Defina punto de ebullición normal de un líquido.
9. Deduzca: a) la varianza para un sistema de un componente que presenta una fase.
b) la varianza para un sistema de un componente en equilibrio con dos fases.
10. Interprete los resultados de la varianza para los dos casos del inciso anterior.
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