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• Lucía Molina Ramírez

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“UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGA” FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y METALURGIA Departamento Académico de Ingeniería Química ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

ASIGNATURA: QU-244 FISICOQUIMICA PRÁCTICA Nº1 DENSIDAD Y HÚMEDAD DEL AIRE ATMOSFÉRICO (Método de Regnault y Método Psicrométrico) PROFESOR DE TEORÍA: M. Q. Hernán P. QUISPE MISAICO. PROFESOR DE PRÁCTICA: M. Q. Hernán P. QUISPE MISAICO. ALUMNA: MALLQUI BERROCAL, Anabel Victoria. DÍA DE PRÁCTICAS: MIERCOLES

HORA: 5 – 8 P.M.

FECHA DE EJECUCIÓN: 13 – 08 – 14

FECHA DE ENTREGA: 20 – 08 – 14

AYACUCHO – PERÚ

PRÁCTICA Nº1 DENSIDAD Y HUMEDAD DEL AIRE ATMOSFÉRICO (Método de Regnault y Método Psicrométrico) 1. OBJETIVOS: 

Determinar la densidad, la humedad, la composición y la masa molecular del aire atmosférico por el Método de Regnault.



Determinar el porcentaje de humedad relativa, la humedad, absoluta, la composición, la masa molecular y la densidad del aire atmosférico por el Método Psicrométrico.

2.

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA: INTRODUCCIÓN:

La densidad del aire varía de unos días a otros dependiendo de la cantidad de vapor de agua existente en la atmósfera. Además, esta densidad se ve afectada por los cambios tanto de la presión como de la temperatura atmosférica. El aire atmosférico está constituido por la mezcla de aire seco y vapor de agua en proporciones variables. El aire seco está constituido los componentes especificados en la tabla N°1: Tabla N°1: El aire seco y su composición promedio: Análisis del aire seco en volumen Componente

% (v/v)

N2

78,03%

Ar

0,94%

O2

20,99%

CO2

0,03% 99,99%

H2, Ne, He, Kr y Xe

0,01% 100,00%

Valores recomendados para el cálculo de combustión y otros Gas

% en volumen

% en peso

Peso molecular

Nitrógeno

79

76,80

28,16

atmosférico O2

21

23,20

32,00

Total

100

100,00

-.-

REGNAULT: El aire de un ambiente puro es una mezcla de aire seco y vapor de agua en diferentes proporciones de: nitrógeno, oxígeno, argón, anhídrido carbónico; y pequeñas cantidades e otros como hidrógeno, ozono, y óxidos de nitrógeno. Pero su pureza es relativa, incluso con anhídrido carbónico por encima de 0,5% y otros contaminantes (1%). La humedad varía según zonas, siendo superior al 4% de su volumen. La densidad del aire varía de unos días a otros dependiendo de la cantidad de vapor de agua existente en la atmósfera. Además, esta densidad se ve afectada por los cambios tanto de la presión como de la temperatura atmosférica. En esta práctica, se medirá la densidad del aire y la humedad atmosférica utilizando los métodos de REGNAULT y el PSICROMÉTRICO luego se hará una comparación de los resultados obtenidos. La importancia de la determinación de la densidad del aire radica en que permite comparar densidades en condiciones de presión, temperatura y humedad muy diferentes. Peso molecular (promedio) del aire seco = 28,97 g/mol. La densidad del aire seco a condiciones normales (01325 Pa y 273,15K) es 1,293 g/L. La masa molecular del vapor de agua es 18.015 g/mol. La masa molecular del aire atmosférico, por ser una mezcla de aire seco y de vapor de agua, asumiendo que el vapor de agua se comporta como un gas ideal, debe estar comprendido entre 28,97 y 18,015, y en la medida en que el contenido de humedad sea menor la masa molecular del aire atmosférico aumentará hasta valores cercanos a la masa molecular del aire seco. Considerando una mezcla ideal al aire atmosférico, a partir de su masa molecular (𝑀𝑎𝑎 ) , podemos determinar su contenido de aire seco (𝑌𝑎𝑠 ) y de vapor de agua (𝑌𝑤 ), utilizando: 𝑀𝑎𝑎 = 𝑀𝑎𝑠 𝑌𝑎𝑠 + 𝑀𝑤 𝑌𝑤

(𝐼 − 01)

1 = 𝑌𝑎𝑠 + 𝑌𝑤

(𝐼 − 02)

La masa molecular del aire atmosférico (𝑀𝑎𝑎 ), considerada como una mezcla gaseosa que se comporta idealmente se determina a la temperatura absoluta T y a la presión absoluta P, mediante: 𝑅𝑇 𝑀𝑎𝑎 = 𝜌𝑎𝑎 ( ) 𝑃

(𝐼 − 03)

La densidad del aire atmosférico (𝜌𝑎𝑎 ) puede determinarse por el Método de Regnault, que requiere conocer la masa de un determinado volumen de aire atmosférico a una determinada temperatura T y presión P. Para ello, se pesa un balón en el que se ha hecho vacío previamente, luego se llena con el gas cuya masa molecular se desea determinar y finalmente se determina el volumen del balón llenándolo con agua destilada o con mercurio para luego pesarlo. Se requiere seguir la siguiente secuencia de cálculo: 

Determinar el volumen del balón, que es igual al volumen de agua (𝑉𝑎 ) e igual al volumen del aire atmosférico (𝑉𝑎𝑎 ), utilizando:

𝑉𝑎𝑎 =

(𝑚3 − 𝑚1 ) 𝜌𝑤

(𝐼 − 04)

Dónde: 𝑚3 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑏𝑎𝑙ó𝑛 𝑐𝑜𝑛 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑡𝑖𝑙𝑎𝑑𝑎, 𝑔 𝑚1 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑏𝑎𝑙ó𝑛 𝑙𝑖𝑚𝑝𝑖𝑜, 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑦 𝑣𝑎𝑐í𝑜, 𝑔 𝜌𝑤 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑡𝑖𝑙𝑎𝑑𝑎 𝑎 𝑠𝑢 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑡𝑤 , 𝑔/𝑚𝑜𝑙 

Determinar la densidad del aire atmosférico (𝜌𝑎𝑎 ) utilizando: 𝑚2 − 𝑚1 𝜌𝑎𝑎 = (𝐼 − 05) 𝑉𝑎𝑎

Dónde: 𝜌𝑎𝑎 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑒𝑥𝑝𝑟𝑒𝑠𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑔/𝐿 𝑚2 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑏𝑎𝑙ó𝑛 𝑐𝑜𝑛 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑜, 𝑔 𝑚1 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑏𝑎𝑙ó𝑛 𝑙𝑖𝑚𝑝𝑖𝑜, 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑦 𝑣𝑎𝑐í𝑜, 𝑔 𝑉𝑎𝑎 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑜 ( 𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑏𝑎𝑙ó𝑛), 𝑒𝑥𝑝𝑟𝑒𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝐿 

Determinar la masa molecular del aire atmosférico (𝑀𝑎𝑎 ) utilizando: 𝑀𝑎𝑎 = 𝜌𝑎𝑎

𝑅𝑇 𝑃

(𝐼 − 06)

Dónde: 𝑀𝑎𝑎 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑜,

𝜌𝑎𝑎 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑜,

𝑔 𝑚𝑜𝑙

𝑔 𝐿

𝑅 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙𝑒𝑠 (𝑅 = 0,08205

𝑎𝑡𝑚 𝑥 𝐿 ) 𝑚𝑜𝑙 𝐾

𝑇 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑜, 𝑒𝑛 𝐾 𝑃 = 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑏𝑎𝑟𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑎𝑏𝑜𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟𝑖𝑜, 𝑒𝑛 𝑎𝑡𝑚. Si no dispone de un barómetro o de un altímetro polifuncional, se sugiere utilizar 548 mm Hg o 721 atm. PSICOMÉTRICO Conociendo la masa molecular del aire atmosférico y aplicando simultáneamente las ecuaciones (I – 01) y (I – 02) se determina la fracción molar de vapor de agua y del aire seco, y a partir de ellas la humedad expresada en Kg de vapor de agua / Kg de aire seco.

En el estudio de las mezclas aire seco – vapor, hablaremos frecuentemente de temperatura de bulbo seco(𝑡𝑏𝑠 ) y temperatura del bulbo húmedo (𝑡𝑏ℎ ), además la temperatura de punto de rocío. La temperatura de bulbo seco es simplemente la temperatura de equilibrio de la mezcla y se mide mediante un termómetro ordinario. La temperatura del bulbo húmedo aquella indicada por un termómetro de bulbo húmedo, el cual tiene su elemento sensible a la temperatura cubierto por un material poroso a manera de gasa, bañado en agua (ver fig. N° I.03). Como se verá más adelante, la temperatura del bulbo húmedo para un aire no saturado siempre es menor que la temperatura de punto de rocío. Conociendo la temperatura de bulbo seco (𝑡𝑏𝑠 ) y la temperatura de bulbo húmedo (𝑡𝑏ℎ ) se puede determinar el porcentaje de humedad relativa (%𝐻𝑅) utilizando las fig. Nros: I – 04 y I – 05. La humedad relativa es la humedad de vapor de agua que lleva consigo un gas. Si el aire está saturado de vapor de agua a una temperatura determinada, su %𝐻𝑅 es de 100, es decir, contiene todo (el 100%) el vapor de agua puede tener. Si contiene solamente la mitad del vapor de agua que puede tener (está saturado al 50%), su HR es de 50%. La humedad relativa es por lo tanto, la relación entre la concentración del vapor de agua actualmente presente y la concentración que debería tener si el gas estuviera saturado de vapor de agua. El porcentaje de humedad relativa (%HR) se define como el cociente por cien de la presión parcial del vapor de agua (𝑝𝑣 ) presente en la mezcla entre la presión de saturación del agua correspondiente a la temperatura de bulbo seco (𝑃𝑠 ), determinada utilizando la tabla N°7: 𝑝𝑣 %𝐻𝑅 = ( ) 𝑥 100 … … … … … (𝐼 − 07) 𝑃𝑆 Termómetro de Bulbo Seco y bulbo húmedo En el acondicionamiento de aire, la temperatura del aire indicada es normalmente la temperatura de «bulbo seco» (bs), tomada con el elemento sensor del termómetro en una condición seca. En la figura se ilustran los termómetros de bulbo seco y bulbo húmedo. "A" representa la temperatura de bulbo seco, "B" la temperatura de bulbo húmedo y "C" la mecha que envuelve al bulbo húmedo. Nótese que la temperatura mostrada en el termómetro de bulbo húmedo, es considerablemente menor que la del termómetro de bulbo seco.

Temperatura de Bulbo Seco.En primer término, tenemos la temperatura de bulbo seco. Como ya sabemos, es la temperatura medida con un termómetro ordinario. Esta escala es la horizontal (abcisa), en la parte baja de la carta, según se muestra en la figura

Temperatura de Bulbo Húmedo.Es la segunda propiedad del aire de nuestra carta psicrométrica. Corresponde a la temperatura medida con un termómetro de bulbo húmedo. Como ya se explicó en la sección anterior, es la temperatura que resulta cuando se evapora el agua de la mecha, que cubre el bulbo de un termómetro ordinario.

Humedad Relativa.En una carta psicrométrica completa, las líneas de humedad relativa constante, son las líneas curvas que se extienden hacia arriba y hacia la derecha. Se expresan siempre en porciento, y este valor se indica sobre cada línea.

Utilizando la figura N° I – 04 se determina, a partir de la temperatura del bulbo seco y la temperatura del bulbo húmedo, la humedad expresada en kg de vapor de agua / kg de aire seco. Conociendo la humedad se determina la fracción molar del vapor de agua y del aire seco, para finalmente calcular con la ecuación (I – 01) la masa molecular del aire atmosférico. A partir de la masa molecular, la temperatura y presión del aire atmosférico se calcula la densidad del aire atmosférico a las condiciones experimentales.

3. MATERIALES, EQUIPOS Y REACTIVOS: 

Un balón de fondo plano de diseño especial con llave para alto vacío de 100 – 120 mL.



Una bomba mecánica para alto vacío.



Una estufa eléctrica o una compresora.



Una balanza analítica (sensibilidad */- 0.1 mg).



Un termómetro de 10 – 50 °C.



Un psicrómetro.



Una piseta con agua destilada.



Vaselina para alto vacío.



10 mL de acetona (grado técnico) para secar.



1 mL de agua destilada.



Una jeringa

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: 4.1.

DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DEL AIRE ATMOSFÉRICO POR EL MÉTODO DE REGNAULT. La secuencia propuesta por el método es:  Pesar en una balanza analítica el balón de vidrio de fondo plano de diseño especial provisto de una llave para alto vacío de 100 a 120 mL completamente limpio y seco, y en el cual se ha efectuado vacío durante 3 a 4 minutos: 𝒎𝟏 .  Abrir la llave del balón lentamente y volver a cerrar, para llenar el matraz de aire atmosférico a la presión barométrica y temperatura del laboratorio: 𝒎𝟐 . Anotar la P y la T en la tabla de datos experimentales.  Volver

a

efectuar

los

dos

pasos

anteriores

para

determinar

𝒎𝟏

y

𝒎𝟐

correspondientemente a los ensayos 2 y 3.  Llenar el balón con agua destilada y pesarlo. Para ello, previamente se efectúa vacío y se sumerge el extremo en un recipiente con agua destilada y se abre la llave para permitir el ingreso del agua, volver a efectuar el mismo procedimiento hasta llenar el balón completamente. Secar exteriormente y pesar: 𝒎𝟑 . Anotar la temperatura del agua destilada: 𝒕𝒘 . Estos valores son válidos para los ensayos 1, 2 y 3.  Utilizar la tabla N°5 en la determinación de la densidad(𝝆𝒘 ) del agua destilada a la temperatura (𝒕𝒘 ).  Determinar el volumen del balón, que es igual al volumen de agua (𝑽𝒘 ) e igual al volumen de aire atmosférico(𝑽𝒂𝒂 ), utilizando la ecuación (I – 04).  Determinar la densidad del aire atmosférico (𝝆𝒂𝒂 ) utilizando la ecuación (I – 05).  Determinar la masa molecular del aire atmosférico (𝑴𝒂𝒂 ) utilizando la ecuación (I – 06). 4.2.

DETERMINACIÓN DE LA HUMEDAD EL AIRE ATMOSFÉRICO POR PSICROMETRÍA.  Utilizando el psicrómetro determinar la temperatura del bulbo seco(𝒕𝒃𝒔 ) y la temperatura del bulbo húmedo (𝒕𝒃𝒉 ) al inicio de la práctica (ensayo 1), en el intermedio (ensayo 2) y a la finalización (ensayo 3).

 Determinar el porcentaje de humedad relativa (%𝑯𝑹)utilizando las figuras (I – 04) y (I – 05).  Determinar el contenido de humedad del aire atmosférico utilizando la figura I – 04 conociendo el contenido de humedad. Determinar la fracción molar de vapor de agua y de aire seco. Luego utilizando la ecuación (I – 01).  Determinar la masa molecular del aire atmosférico. Conociendo la masa molecular, la temperatura y la presión del aire atmosférico, calcular su densidad a las condiciones experimentales, con la ecuación (I – 06). Compara los resultados conseguidos por el Método de Regnault y por el Método Psicrométrico. Proponer una secuencia de cálculo para el Método Psicrométrico partiendo de la tensión actual del vapor de agua determinando analíticamente con la ecuación (I – 07) o utilizando la figura I – 05. 5. TABLAS DE DATOS EXPERIMENTALES, CALCULOS Y RESULTADOS: TABLA N°1: Datos experimentales y cálculos de la densidad, humedad, composición y masa molecular del aire atmosférico por el Método de Regnault: Detalle

Símbolo, unidad

Masa del balón vacío

𝑚1 , 𝑔

Masa del balón más aire atmosférico

𝑚2 , 𝑔

Masa del aire atmosférico

𝑚𝑎𝑎 , 𝑔

Temperatura del aire atmosférico

𝑇, 𝐾

Presión del aire atmosférico

𝑃, 𝑎𝑡𝑚

Masa del balón más agua destilada

𝑚3 , 𝑔

Masa del agua destilada

𝑚𝑤 , 𝑔

Temperatura del agua destilada

𝑡𝑤 , °𝐶

Densidad del agua destilada (tabla N°5)

𝜌𝑤 , 𝑔/𝑚𝐿

Volumen del agua destilada

𝑉𝑤 , 𝐿

Volumen del aire atmosférico

𝑉𝑎𝑎 , 𝐿

Densidad del aire atmosférico

𝜌𝑎𝑎 , 𝑔/𝐿

Masa molecular del aire atmosférico

𝑀𝑎𝑎 , 𝑔/𝑚𝑜𝑙

Masa molecular promedio del aire seco

𝑀𝑎𝑠 , 𝑔/𝑚𝑜𝑙

Masa molecular del vapor de agua

𝑀𝑤 , 𝑔/𝑚𝑜𝑙

Fracción molar de agua

𝑌𝑤

Fracción molar del aire seco

𝑌𝑎𝑠

Número de moles de vapor de agua

𝑁𝑤 , 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

Número de moles de aire seco

𝑛𝑎𝑠 , 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

Humedad del aire atmosférico

𝐻, 𝑒𝑛 (∗)

(*) Se expresa en kg de vapor de agua/ kg de aire seco.

Ensayo N°1

TABLA N°2: Datos experimentales y determinación e porcentaje de humedad relativa, humedad, composición, masa molecular y densidad del aire atmosférico por el método psicométrico: Detalle

Símbolo, unidad

Temperatura de bulbo seco

𝑡𝑏𝑠 , °𝐶

Temperatura de bulbo húmedo

𝑡𝑏ℎ , °𝐶

Porcentaje de humedad relativa

%𝐻𝑅

Humedad del aire atmosférico

𝐻, 𝑒𝑛 (∗)

Peso molecular del vapor de agua

𝑀𝑤 , 𝑔/𝑚𝑜𝑙

Número de moles de vapor de agua

𝑁𝑤 , 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

Masa molecular promedio del aire seco

𝑀𝑎𝑠 , 𝑔/𝑚𝑜𝑙

Número de moles en 1 kg de aire seco

𝑛𝑎𝑠 , 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

Fracción molar de vapor de agua

𝑌𝑤

Fracción molar e aire seco

𝑌𝑎𝑠

Masa molecular del aire atmosférico Temperatura del aire atmosférico Presión del aire atmosférico Densidad del aire atmosférico

𝑀𝑎𝑎 , 𝑔/𝑚𝑜𝑙 𝑇, 𝐾 𝑃, 𝑎𝑡𝑚 𝜌𝑎𝑎 , 𝑔/𝐿

(*) Se expresa en kg de vapor de agua/ kg de aire seco.

Ensayo N°1

6. CONCLUSIONES: 

Los objetivos trazados al inicio de la práctica fueron alcanzados satisfactoriamente y concluidos por los estudiantes.



Se determinó la humedad, la densidad, la composición y la masa molecular del aire atmosférico, por el método de REGNAULT.



Se determinó la humedad relativa, humedad la composición y la densidad del aire atmosférico por el método PSICROMETRICO.

 7.

Se estableció la diferencia de peso del vacío y al aire libre.

RECOMENDACIONES: 

Se recomienda tener la mayor certeza de precisión puesto que cualquier dato malo nos llevaría a una conclusión mala del problema.



Realizar varias mediciones para disminuir errores, así obtener medidas promedio. Es decir, aumentar el número de medición y tratar los resultados con herramientas estadísticas.



Hacer las mediciones más exactas posibles para evitar errores de cálculo.



Se recomienda usar en los cálculos el Sistema Internacional de Unidades de medida



Evitar abrir la llave del balón para alto vacío, luego de someter a succión hasta determinar la masa.

8. BIBLIOGRAFÍA: 

http://www.quimica.urv.es/quimio/general/incert.pdf



FARRINTON DANIELS. “Fisicoquímica“. Primera edición en español. Edit. Continental. España. Pp.17-30.



ATKINS, P.K. “Fisicoquímica”. Tercera edición. Edit. Addison – Wesley Iberoamericana. EE.UU.1991.pp.- 30-40.