INSTITUTO DE EDUCACIÓN SUPERIOR TECNOLÓGICO PÚBLICO “MANUEL SEOANE CORRALES” CARRERA PROFESIONAL “QUÍMICA INDUSTRIAL” SEMESTRE VI CURSO: MEDIDA DE VARIABLE FISICOQUÍMICA Zahara Patricia Prudencio Albino Bachiller en Ing. Industrial Profesional Técnico en Química Industrial Lima, Agosto 2020 Contenido Básico: Ley de Gay Lussac Ley de Charles Ley de Avogadro Volumen molar de gases OBJETIVO Adquirir conocimientos básicos de las leyes de los gases que permitan al alumno analizar y aplicar cada una de ellas para comprender el comportamiento del estado gaseoso. Desarrollar habilidades para el análisis y resolución de problemas que involucran las leyes de los gases, valorando la aplicación de dichas leyes en la vida cotidiana. Presión Es una magnitud física escalar que relaciona fuertemente la fuerza normal(F) o perpendicular sobre una determinada área(A). En el caso de los gases, la presión se produce cuando las moléculas colisionan con una fuerza sobre las pareces internas del recipiente , a mayor colisión mayor presión. Tipos de presión Absoluta. Es la presión que se ejerce sobre un cuerpo por la acción de algún elemento, más la presión atmosférica que sufre (todos los cuerpos en el planeta están sometidos a la presión atmosférica). Atmosférica. Es la presión que ejerce el conjunto de la masa de gases de la atmósfera sobre la superficie terrestre y sobre todo lo que repose sobre ella. A medida que uno asciende con respecto al nivel del mar (en un avión, o subiendo una montaña), la presión atmosférica disminuye ya que hay menos masa de aire sobre nosotros. Manométrica. llamada presión relativa, su valor corresponde a la diferencia entre el de la presión absoluta y el de la presión atmosférica. La presión relativa se mide utilizando un manómetro (de allí su nombre) y es es la que más se utiliza en la vida cotidiana. Hidrostática o hidrodinámica. Es la presión experimentada por fluidos, tanto debido al peso del propio fluido en reposo (hidrostática), como en constante movimiento (hidrodinámica). Usualmente se calcula una presión media entre las dos. ¿Cuáles son las diferentes presiones que podemos medir sobre la tierra? Presión absoluta: Toma como medida el cero absoluto y como su nombre lo indica por debajo de ella no existe ninguna presión negativa, o sea que todas las presiones son positivas o arriba de cero. Estas mediciones se realizan habitualmente solo para cálculos teóricos. Presión relativa: Sobre la superficie terrestre existe como ya mencionamos una presión atmosférica y para medir esa presión surge el concepto de la presión relativa, que es la medida de presión por encima de la presión atmosférica y toma como valor cero la presión atmosférica. El instrumento que se utiliza para medir la presión relativa es el manómetro; y cuando esta medición está por debajo de la presión atmosférica se denomina presión de vacío; y el instrumento que se utiliza para medirla es el vacuómetro. Algunos ejemplos cotidianos de la acción de la presión pueden ser: Las ollas de presión. Estas ollas diseñadas especialmente para ablandar rápido la comida operan en base a un agarre fuerte entre tapa y olla que, al incrementar la temperatura y, por lo tanto, la presión del contenido, hace que la comida se ablande más rápido. Refrigeración. Congeladores y otros aparatos de refrigeración operan haciendo circular un líquido o gas a presión por una tubería. Mediante un circuito en el que las presiones aumentan y disminuyen (aumentando y disminuyendo también la temperatura del líquido o gas circundante), el aparato de refrigeración retira el calor por contacto. Frenos hidráulicos. Diseñados para impedir volcamientos de automóviles y otros vehículos, funcionan manteniendo la presión del fluido de freno alta o baja según se requiera en el momento, para suavizar la acción de frenado y minimizar el riesgo de derrapamiento y volcada. La inmersión. Al estar bajo el agua, por ejemplo, haciendo buceo, se percibe la acción de la masa de agua sobre el cuerpo, como una forma más intensa de presión. Esto puede acarrear daños físicos cuando se está a kilómetros por debajo de la superficie. CONCEPTO PRESION ATMOSFERICA O BAROMETRICA INSTRUMENTO DE MEDICION Toma como base BAROMETRO peso de la atmosfera sobre la superficie de la tierra PRESION Toma como base MANOMETRO y RELATIVA O la presión VACUOMETRO(si MANOMETRICA atmosférica solo medimos valores negativos) PRESION ABSOLUTA Toma como base P. absoluta=P. el 0 absoluto, se manométrica +P. utiliza solo para atmosférica realizar cálculos teóricos. LEY DE GAY_LUSSAC Fue enunciada por Joseph Louis Gay-Lussac a principios de 1800. Establece la relación entre la temperatura y la presión de un gas cuando el volumen es constante. La presión del gas es directamente proporcional a su temperatura: Si aumentamos la temperatura, aumentará la presión. Si disminuimos la temperatura, disminuirá la presión. ¿Por qué ocurre esto? Al aumentar la temperatura las moléculas del gas se mueven más rápidamente y por tanto aumenta el número de choques contra las paredes, es decir aumenta la presión ya que el recipiente es de paredes fijas y su volumen no puede cambiar. Gay-Lussac descubrió que, en cualquier momento de este proceso, el cociente entre la presión y la temperatura siempre tenía el mismo valor: (el cociente entre la presión y la temperatura es constante) Supongamos que tenemos un gas que se encuentra a una presión P1 y a una temperatura T1 al comienzo del experimento. Si variamos la temperatura hasta un nuevo valor T2, entonces la presión cambiará a P2, y se cumplirá: que es otra manera de expresar la ley de Gay-Lussac. Esta ley, al igual que la de Charles, está expresada en función de la temperatura absoluta. Al igual que en la ley de Charles, las temperaturas han de expresarse en Kelvin. PARTE EXPERIMENTAL ACTIVIDADES ACTIVIDADES Cierto volumen de un gas se encuentra a una presión de 970 mmHg cuando su temperatura es de 25.0°C. ¿A qué temperatura deberá estar para que su presión sea 760 mmHg? SOLUCION Un gas ocupa un recipiente de 1,5 litros de volumen constante a 50ºC y 550 mmHg. ¿A qué temperatura en °C llegará el gas si aumenta la presión interna hasta 770 mmHg? SOLUCION relacionamos temperatura con presión a volumen constante, por lo tanto aplicamos la Ley de Gay-Lussac: P1 / T1 = P2 / T2, donde: •T1 = 50ºC → 50 + 273 = 323ºK •P1 = 550 mmHg •P2 = 770 mmHg •T2 = ? Despejamos T2: •P1 / T1 = P2 / T2 → T2 = P2 / (P1 / T1 ) •T2 = 770/ (550 / 323) = 452,2 ºK CONVITIENDO DE 452,2ºk a ºC es: ºC=ºK-273ºK ºC =452,2 ºK-273º ºC= 179.2 K 4. En un cilindro metálico se encuentra un gas que recibe una presión atmosférica de 760 mm de Hg, y cuando su temperatura es de 10°C , con el manómetro se registra una presión de 950 mm de Hg. Si al exponer el cilindro a la intemperie eleva su temperatura a 45°C debido a los rayos del sol, calcular: a) ¿Cuál es la presión absoluta que tiene el gas encerrado en el tanque? b) ¿Cuál es la presión manométrica? Solución: En este problema vemos que se habla de una presión atmosférica y de una presión manométrica, pero ambas son en condiciones iniciales (antes de exponer el cilindro a los rayos del sol), por lo que nos piden calcular dos puntos importantes: •La presión absoluta final (cuando se expone al sol) •La presión manométrica final (cuando se expone al sol) Datos: Recordemos que en la Ley de Gay Lussac se deben tomar cantidades absolutas en las temperaturas, es por eso que hemos sumado 273 a los grados celcius, para tener una escala absoluta de temperatura, y así resolver sin complicaciones nuestro ejemplo. a) Obteniendo la presión absoluta final Para poder obtener la presión absoluta final, es necesario conocer la presión absoluta inicial, ¿cómo la obtenemos?, aplicamos la siguiente fórmula: b) Obteniendo la presión manométrica final Para obtener la presión manométrica final, solo debemos restar la presión absoluta final menos la presión atmosférica y listo. Sustituyendo los datos en la fórmula: Es decir: Ahora si podemos aplicar la fórmula de la Ley de Gay – Lussac Despejando a “P2” ( o sea la presión absoluta final) Sustituyendo nuestros datos en la fórmula: Por lo qué la presión absoluta final es de 1921.4 mm de Hg Por lo que la presión manométrica final a 1161.4 mm de Hg Resultados: LEY DE CHARLES EL VOLUMEN DE UN GAS VARIA CON LA TEMPERATURA Encerramos un gas en un recipiente tapado con un émbolo móvil. Al calentar el gas podemos hacer variar el volumen. LEY DE CHARLES LEY DE CHARLES Ley de Charles – Primera Ley de Gay-Lussac En 1787, Jack Charles estudió por primera vez la relación entre el volumen y la temperatura de una muestra de gas a presión constante y observó que cuando se aumentaba la temperatura el volumen del gas también aumentaba y que al enfriar el volumen disminuía. Relación entre la temperatura y el volumen de un gas cuando la presión es constante es directamente proporcional. LEY DE CHARLES ¿Por qué ocurre esto? Cuando aumentamos la temperatura del gas las moléculas se mueven con más rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Esto quiere decir que el número de choques por unidad de tiempo será mayor. Es decir se producirá un aumento (por un instante) de la presión en el interior del recipiente y aumentará el volumen (el émbolo se desplazará hacia arriba hasta que la presión se iguale con la exterior). Lo que Charles descubrió es que si la cantidad de gas y la presión permanecen constantes, el cociente entre el volumen y la temperatura siempre tiene el mismo valor. VIDA COTIDIANA ACTIVIDADES Esta ley, al igual que la de Gay-Lussac, está expresada en función de la temperatura absoluta, es decir, las temperaturas han de expresarse en Kelvin. EJEMPLO DE LA LEY DE CHARLES EJEMPLO DE LA LEY DE CHARLES EJEMPLO DE LA LEY DE CHARLES Una muestra de nitrógeno ocupa 117 ml a 100 °C . ¿A qué temperatura debería el gas ocupar 234 ml si la presión no cambia? V1 = 117mL T1 = 100 °C + 273 = 373 K V2 = 234 mL T2 = ? LEYES DE LOS GASES Ley combinada de los gases Las tres leyes siguientes, se encuentran de forma experimental. Para una cantidad fija de gas se cumplen las siguientes leyes empíricas: Ley de Boyle 𝟏 𝑽∝ 𝑷 𝒄𝒐𝒏 𝑻 𝒄𝒕𝒆 Ley de Charles 𝑽∝𝑻 𝒄𝒐𝒏 𝑷 𝒄𝒕𝒆 Ley de Guy Lussac 𝑷∝𝑻 𝒄𝒐𝒏 𝑽 𝒄𝒕𝒆 LEY DE AVOGADRO Cerca de año de 1811, Amadeo Avogadro postuló que a la misma temperatura y presión, igual volumen de todos los gases contienen el mismo número de moléculas. A temperatura y presión constantes, el volumen V ocupado por una muestra de gas, es directamente proporcional al número de moles, n, del gas. 1776- 1856 LEYES DE LOS GASES Volumen (L) LEY DE AVOGADRO n (moléculas) LEYES DE LOS GASES LEY DE AVOGADRO LEYES DE LOS GASES Masa molar El número de moles 𝒏 de una sustancia se relaciona con su masa 𝒎 por medio de la expresión 𝒎 𝒏= 𝑴 donde 𝑴 es la masa molar de la sustancia. Masa Molar EJEMPLO DE LA LEY DE AVOGADRO Ejemplo 1: sean 0,5 moles de un gas que ocupan 2 litros. Calcular cual será el nuevo volumen si se añade 1 mol de gas a presión y temperaturas constantes. •V1 / n1 = V2 / n2 • V1 = 2 litros • n1 = 0,5 moles • n2 = 0,5 + 1 = 1,5 moles • V2 = V1 · n2 / n1 = 2 · 1,5 / 0,5 = 6 litros VOLUMÉN MOLAR (LEY DE LOS GASES IDEALES) Esta relación es llamada ecuación de gas ideal y el valor numérico de R, la constante universal de los gases, donde una mol de un gas ideal ocupa 22.414 litros a 1.0 atmosfera de presión y 273.15 K (STP). Por lo tanto: LEYES DE LOS GASES EJEMPLO DE LA LEY DE LOS GASES IDEALES 6. ¿Cuál es el volumen de un globo que se llenó con 4.0 moles de helio cuando la presión atmosférica es 748 torr y la temperatura es 30 °C.? LEYES DE LOS GASES 7.1. EJEMPLO DE LA LEY DE LOS GASES IDEALES 6. ¿Cuál es el volumen de un globo que se llenó con 4.0 moles de helio cuando la presión atmosférica es 748 torr y la temperatura es 30 °C.? LEYES DE LOS GASES VIDA COTIDIANA https://www.youtube.com/watch?v=s0upXIngy4M&list=PLA604E2DCF1685C6D&index=11 https://www.youtube.com/watch?v=5pXAxNyTJAY ; https://www.youtube.com/watch?v=oHKp64xKoFk RESUMEN https://www.youtube.com/watch?v=OJ9_mgkwZAk https://www.youtube.com/watch?v=rkklHK1n0NY (laboratorio) https://www.youtube.com/watch?v=zTS_o0EDhdY (explicación) https://www.educaplus.org/gases/ejer_gay_lussac2.html (Ejercicio) https://www.youtube.com/watch?v=6XmLyHU2yU8 (presión) https://www.youtube.com/watch?v=6XmLyHU2yU8 (Presión) https://www.youtube.com/watch?v=JkOKpwmOe2w (presión) https://www.youtube.com/watch?v=43aPJLF6DYo (presión)
