UNIDAD III Estado líquido
CONCEPTO DE LÍQUIDO |
Tienen volumen constante.
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No tienen forma propia, adoptan forma del recipiente que los contiene.
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Poseen densidades mayores que los gases.
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Tienen una fuerte fricción interna llamada VISCOSIDAD.
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Son menos INCOMPRESIBLES que los gases.
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Tienen valores de calores específicos altos.
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Las sustancias no polares se ajustan mejor a las leyes Fisicoquímicas que las sustancias polares.
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS •
Densidad, se define como masa por unidad de volumen.
ρ = mV •
m3
Densidad específica, se define como la razón de la densidad de una sustancia a la densidad de alguna sustancia estándar (H20 a 4 ºC)
ρ esp = ρ ρ H •
kg
20
Peso específico, se define como el peso de una unidad de volumen de una sustancia
γ = ρg
N
m3
EJERCICIO 1.
Si 6 m3 de un aceite tienen una masa de 520 kg, calcular su peso específico, densidad y densidad específica.
TENSIÓN SUPERFICIAL (ΣS) Es el efecto de tracción sobre las moléculas del líquido en una interfase, causado por las fuerzas de atracción de las moléculas por unidad de longitud.
Cantidad de energía necesaria para estirar o aumentar la superficie de un líquido por unidad de área
http://www.youtube.com/watch?v=0Lq34R979xs
TENSIÓN SUPERFICIAL
Fluido
Agua:
Las unidades son: ergios/ cm2 dina/ cm N/m
0 ºC 20 ºC 100 ºC 300 ºC
Tensión superficial σs, N/m 0.076 0.073 0.059 0.014
Glicerina
0.063
Aceite SAE 30
0.035
Mercurio
0.440
Alcohol etílico
0.023
Gasolina
0.022
Solución de jabón
0.025
Queroseno
0.028
Algunos líquidos mojan las paredes de un tubo capilar , como el agua , cuando esto sucede el líquido adherido a las paredes va arrastrando el cuerpo del líquido hacia fuera. En éste caso la superficie del líquido libre es cóncavo. Otros líquidos no se adhieren a la superficie del tubo, como el mercurio, por lo tanto es empujado hacia abajo, formando una superficie convexa.
Adhesión
Cohesión
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El ascenso o descenso de un líquido en un tubo de diámetro pequeño insertado en un líquido, debido a la tensión superficial, se llama efecto de capilaridad.
2σ s h= cos φ ρgR |
Si un líquido moja la superficie φ<90º y si no la moja φ>90º. En el aire atmosférico, el ángulo de contacto del agua (y de casi todos los líquidos orgánicos) con el vidrio es casi cero, φ=0.
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h es inversamente proporcional a R, entre mas delgado sea un tubo, mayor es el ascenso de un líquido en él.
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El ascenso por capilaridad es inversamente proporcional a la densidad del líquido.
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El efecto de capilaridad es despreciable en tubos mayores de 1 cm.
EJERCICIOS |
Se inserta un tubo de vidrio de 0.6 mm de diámetro en agua a 20ºC que está en una copa. Determine el ascenso por capilaridad del agua en el tubo.
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Se introduce un tubo cuyo diámetro es de 0.03 pulgadas en queroseno a 68ºF. El ángulo de contacto del queroseno con una superficie de vidrio es de 26º. Determine el ascenso por capilaridad del queroseno en el tubo. Densidad del queroseno= 800 kg/m3
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Se introduce un tubo de diámetro de 1.9 mm en un líquido desconocido cuya densidad es de 960 kg/m3 y se observa que el líquido asciende 5 mm en el tubo y forma un ángulo de contacto de 15 º. Determine la tensión superficial del líquido.
VISCOSIDAD |
Es la medida de su resistencia a la deformación. La fuerza tangencial por unidad de área se llama esfuerzo cortante y se expresa como:
du τ =μ dy |
Donde μ es el coeficiente de viscosidad o viscosidad cinemática, u es la componente de la velocidad en la dirección de flujo y es la dirección normal a la dirección de ese flujo
Los fluidos que siguen esta relación se llaman fluidos Newtonianos http://www.youtube.com/watch?v=49Kor-zHQM0&feature=related
VISCOSIDAD CINEMÁTICA |
Es el cociente de la viscosidad entre la densidad
ν =μρ Sus unidades son m2/seg y el stoke (1 stoke = 1 cm2/s)
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Unidades de μ: kg.s/m2, N.s/m2, Pa.s, poise
g e s g. m c 1 = e s i o p 1
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EJERCICIOS |
Un líquido tiene una viscosidad de 0.05 poises y una densidad relativa de 0.85. Calcular la viscosidad cinemática.
MEDICIÓN DE LA VISCOSIDAD |
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El instrumento que sirve para medir viscosidades se llama Viscosímetro. Se realiza midiendo el tiempo que transcurre para que un volumen determinado de líquido discurra por un tubo capilar de medidas definidas y presión constante (tiempo que demora en pasar por unas marcas pre-establecidas).
VISCOSIMETRO DE OSTWALD Pπr 4t η= 8Vl Donde : η = viscosidad P = presión r = radio del tubo capilar l = longitud del tubo capilar V = volumen del líquido T = tiempo
TIPO DE FLUIDO |
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Flujo laminar: se caracteriza por líneas de corriente suaves y movimientos sumamente ordenado. Flujo turbulento: se caracteriza por fluctuaciones de velocidad y movimiento también desordenado. La transición de flujo laminar a turbulento no ocurre repentinamente; fluctúa entre flujos laminar y turbulento antes de volverse totalmente turbulento.
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Es posible verificar la existencia de dichos regímenes de flujo laminar, transicional y turbulento cuando se inyectan algunas líneas de colorante en el flujo en una tubería.
http://www.youtube.com/watch?v=XOLl2KeDiOg&videos=InIIHUsHBxo
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Osborne Reynolds observó hace mas de un siglo este fenómeno.
La transición de flujo laminar a turbulento depende de: |
La geometría
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La rugosidad de la superficie
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La velocidad del flujo
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La temperatura de la superficie
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El tipo de fluido
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Reynolds descubrió que el régimen de flujo depende principalmente de la razón de fuerzas inerciales a fuerzas viscosas en el fluido. Esta razón se llama Número de Reynolds.
Fuerzas inerciales V prom D ρV prom D Re = = = μ Fuerzas vis cos as v
V prom = velocidad de flujo promedio (m / s ) D = diámetro(m) v=μ
ρ
= vis cos idad cinemática del fluido (m 2 / s )
Re = a dim ensional
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El número de Reynolds en donde el flujo se vuelve turbulento se llama número de Reynolds crítico (Recr).
Clasificación del flujo en una tubería circular Intervalo
Tipo de flujo
Re ≤ 2300
Flujo laminar
2300 ≤ Re ≤ 4000
Flujo transicional
Re ≥ 4000
Flujo turbulento
EJERCICIO |
Determine si el flujo es laminar o turbulento, si circula agua a 70 °C en un tubo de cobre de 1 pulgada a razón de 28.5 m/seg. (Viscosidad del agua= 0.00101 N.seg/m2)
FUERZAS DE ATRACCIÓN MOLECULAR Fuerzas intermoleculares Son fuerzas de atracción entre moléculas | Fuerzas de Van der Waals | Puente de hidrógeno Fuerzas intramoleculares Son fuerzas de atracción dentro de la molécula | Enlace iónico | Enlace coovalente Las fuerzas intermoleculares | Enlace metálico son mucho más débiles que las fuerzas intramoleculares.
FUERZAS DE VAN DER WAALS Son interacciones entre moléculas de naturaleza electrostática, debidas a la polaridad de los enlaces covalentes. Se pueden distinguir tres tipos:
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Fuerzas dipolo-dipolo Fuerzas ion-dipolo Fueras de dispersión de London
FUERZAS DIPOLO-DIPOLO Las moléculas covalentes polares presentan interacciones de tipo permanente dipolo-dipolo, debido a la atracción de la carga positiva: δ+ del átomo de una molécula con respecto a la carga δ- del átomo de la otra molécula. Las fuerzas dipolo-dipolo, sólo son efectivas a distancias muy cortas. Cuanto mayor es el momento dipolar mayor será la fuerza atractiva. Orientación de moléculas polares en un sólido
Fuerzas de atracción entre moléculas polares
FUERZAS ION-DIPOLO Fuerzas de atracción entre un ion y una molécula polar
Interacción ion-dipolo
FUERZAS DE DISPERSIÓN DE LONDON Son demasiado temperaturas.
débiles,
actúan
especialmente
en
bajas
En los gases nobles, estas fuerzas son las responsables de su licuefacción. Tienen su origen en la posibilidad que poseen las nubes electrónicas de las moléculas de formar dipolos inducidos momentáneos. Como la nube electrónica es móvil, por fracciones de segundo se distorsionan y dan lugar a pequeños dipolos que son atraídos o repelidos por los pequeños dipolos de las moléculas vecinas.
Fuerzas de dispersión de London Fuerzas de atracción que se generan como resultado de los dipolos temporales inducidos en átomos o moléculas
Catión
Dipolo inducido
Interacción ion-dipolo inducido
Dipolo inducido Dipolo
Interacción dipolo-dipolo inducido
¿Qué tipo de fuerzas intermoleculares existe entre cada una de las moléculas siguientes?
HBr HBr es una molécula polar: fuerzas dipolo-dipolo. Hay también fuerzas de dispersión entre las moléculas HBr.
CH4 CH4 es no polar: fuerzas de dispersión. S
SO2
SO2 es una molécula polar: fuerzas dipolo-dipolo. Hay también fuerzas de dispersión entre las moléculas SO2.
PUENTE DE HIDRÓGENO Se forma entre moléculas polares con hidrógeno unido covalentemente a un átomo pequeño muy electronegativo, como flúor, oxígeno o nitrógeno (F-H, O-H, N-H ). Un puente de hidrógeno es en realidad una atracción dipolo-dipolo entre moléculas que contienen esos tres tipos de uniones polares. Los puentes dan pie a otra propiedad muy poco común del agua: la fase liquida es más densa que la fase sólida. Las moléculas de la mayor parte de las sustancias están "apretadas" en la fase sólida que en la líquida, por lo que el sólido es más denso que el líquido.
Puente de hidrógeno Es una interacción especial dipolo-dipolo entre ellos y el átomo de hidrógeno en un enlace polar N-H, O-H, o F-H y un átomo electronegativo de O, N, o F.
CURVA DE CALENTAMIENTO
Temperatura
Si registramos la temperatura cada cierto intervalo de tiempo al calentar un trozo de hielo hasta evaporarlo totalmente observaríamos esta gráfica:
320 300 280
Curva de Calentamiento
260 240 220 200 180 160
Gas La temperatura de fusión no cambia debido al calor latente de fusión
140 120 100 80 60 40
Líquido
La temperatura de ebullición no cambia debido al calor latente de ebullición
Sólido
20 0 -20 0
5
10
15
20
tiempo 25
Equilibrio líquido-vapor Si en un recipiente se coloca una cantidad de agua y en contacto con ella, un émbolo sobre el cual se pueden apoyar pesas, es posible estudiar el efecto de la presión y la temperatura en el estado del sistema. La temperatura puede ser modificada y registrada por medio de un termómetro. La presión depende de la pesa que se coloque sobre el émbolo, y se puede expresar en mm de Hg.
Supongamos que a partir de una presión de 30 mm de Hg, aproximadamente, y de una temperatura de 10°C, empezamos a calentar el recipiente.
Se observa al principio, que el agua se mantiene en estado líquido pero cuando la temperatura llega a los 29°C, comienzan a pasar moléculas del estado líquido al gaseoso hasta que se logra un equilibrio, donde la cantidad de moléculas que pasa del estado gaseoso al líquido es equivalente a las que vuelven al estado anterior, es decir se ha logrado un equilibrio dinámico.
Si aumentamos la presión a 31 mm de Hg, el número de moléculas que pasa del estado de vapor al líquido aumenta y el proceso continúa hasta que la fase gaseosa desaparece totalmente, sin embargo si la presión se lleva exactamente a 30,043 mm Hg, el vapor y el líquido se mantienen en estado de equilibrio.
A partir de esta figura, decimos que: para cada temperatura existe una presión determinada que permite la coexistencia de ambas fases. Si en tales condiciones la presión aumenta, todo el vapor pasa al estado líquido, y si la presión disminuye, se produce la transformación inversa.
La presión a la que debe estar sometido el sistema para que el estado líquido y gaseoso coexistan a una determinada temperatura recibe el nombre de presión de vapor.
La presión de vapor depende de la temperatura. Esta relación se representa gráficamente mediante un sistema de coordenadas donde en el eje de las x se expresa la temperatura y en el eje de las y, la presión.
a) Éter dietílico, b) benceno, c) agua, d) tolueno, e) anilina
Cuando la presión de vapor se iguala con la presión atmosférica, el líquido entra en ebullición. Para el caso particular del agua a nivel del mar (760 mm Hg.), esto ocurre a los 100°C
Cuando Pvap = Pext
Es posible la formación de burbujas de vapor en el interior del líquido.
Punto de ebullición Punto de ebullición normal: temperatura a la que la presión de vapor del líquido es igual a la presión de 1 atm.
Aplicación P ≈ 2 atm ⇓ Teb (agua) ≈ 120ºC
Olla express
Tiempos de cocción más rápidos
ECUACIÓN DE CLAPEYRON La ecuación de Clapeyron indica como es la variable de la pendiente de cada una de las líneas de equilibrio de fases
ECUACIÓN DE CLAUSIUS-CLAPEYRON |
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Esta ecuación se aplica a los equilibrios entre fases en los que intervenga una fase condensada y un gas (al que se supone comportamiento ideal), de forma que
Se puede obtener una expresión integrada considerando que la entalpía del cambio de estado permanece constante con la temperatura a lo largo de la línea de equilibrio, de forma que
EJERCICIOS |
Los siguientes datos muestran la variación de la presión de vapor del agua en función de la temperatura.
P/mmHg
17.54
31.82
55.32
92.51
149.38
233.7
Determine molar de40vaporización del T/°C la entalpía 20 30 50 60 agua.70
EJERCICIO |
La presión que ejerce un patinador de 60 kg sobre el hielo es de aproximadamente 300 atm. Calcule la caída de presión a una temperatura de -2°C. Los volúmenes molares son VL= 0.0180 Lmol-1 y Vs=0.0196 Lmol-1. (ΔH= 3.34X105 J/kg)
EJERCICIO Se ha determinado la presión de vapor de mercurio a diferentes temperaturas de la siguiente manera: T/K
P/mm Hg
323
0.0127
353
0.0888
393.5
0.7457
413
1.845
433
4.189
Calcule el valor de ΔvapH del mercurio
EJERCICIO El punto normal de ebullición del etanol es de 78.3°C y su entalpía molar de vaporización es de 39.3 kJ/mol. ¿Cuál es su presión de vapor a 30°C?
EJERCICIOS DE REPASO |
Se introduce un tubo de diámetro de 1.9 mm en un líquido desconocido cuya densidad es de 960 kg/m3 y se observa que el líquido asciende 5 mm en el tubo y forma un ángulo de contacto de 15 º. Determine la tensión superficial del líquido.
EJERCICIOS DE REPASO |
Las presiones de vapor del sodio líquido son P (mm Hg) 1 10 100 T (°C) 439 549 701 Representando apropiadamente estos datos, determinar la temperatura de ebullición del sodio, el calor de vaporización y la entropía de vaporización a la temperatura de ebullición.
