UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO
FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS ESCUELA
PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MINAS
TRABAJO ENCARGADO:
“MEZCLA DE GASES”
CURSO: TERMODINÁMICA
DOCENTE: Ing. Alfonso Bravo Quispe
PRESENTADO POR:
✔ Porcel Quispe Roy Zuker Cod: 217613.
✔ Ramos Calsin Renzo Junior Cod: 217170.
✔ Humpire Supo Taylor Cod: 215368.
✔ Zúñiga Ticona Henry Cod: 105354.
✔ Huamán Coya Yull Leonel .
✔ Condori Calcina Cristian Maycol.
SEMESTRE: 5°
Puno, octubre del 2023
MEZCLA DE GASES
PRESENTACION:
El presente trabajo de investigación referido a la mezcla de gases en
termodinámica tiene como objetivo general en dar a conocer los fundamentos
teóricos y prácticos relacionados a dicho tema, como también dejar clara las
aplicaciones que esta tiene.
En esta presentación hablaremos acerca de la composición y de las propiedades
en mezcla de gases, también se abordará lo referido a la composición de una
mezcla, tales como la fracción de masa, fracción molar y fracción volumétrica.
Con estos conceptos también veremos predecir el comportamiento de P-v-T de
gas con base en la ley de presiones aditivas de Dalton y en la de volúmenes
aditivos de Amagat.
La mezcla de gases es un concepto fundamental en el campo de la
termodinámica que se encuentra en numerosos escenarios de la vida cotidiana
y en aplicaciones industriales. En termodinámica, estudiamos cómo interactúan
y se comportan los gases cuando se mezclan a diferentes temperaturas,
presiones y composiciones. Comprender este fenómeno es esencial para una
amplia gama de aplicaciones, desde la química y la física hasta la ingeniería y la
meteorología.
En esta introducción, exploraremos los principios básicos de la mezcla de gases
en termodinámica, abordando conceptos como la ley de los gases ideales, la
composición molar y las propiedades termodinámicas de las mezclas gaseosas.
También veremos cómo las leyes de la termodinámica se aplican a las mezclas
de gases para predecir su comportamiento en diversas condiciones.
A medida que profundicemos en este tema, descubriremos cómo la
termodinámica de las mezclas de gases desempeña un papel fundamental en la
optimización de procesos industriales, el diseño de sistemas de refrigeración, la
comprensión de la atmósfera terrestre y muchas otras aplicaciones esenciales
en la ciencia y la tecnología modernas.
INDICE:
1 FUNDAMENTOS…………………………………………………………………….
1.a) Ley de los gases ideales………………………………………………………..
1.b) Mezcla de gases………………………………………………………………….
1.c) Ley de Dalton de las presiones parciales…………………………………..
1.d) Ley de Amagat……………………………………………………………………
1.f) Ley de los gases reales………………………………………………………….
2 PROPIEDADES DE LOS GASES………………………………………………..
2.a) Comprensibilidad………………………………………………………………..
2.b) Expansibilidad…………………………………………………………………..
2.c) Forma no definida………………………………………………………………
3 PRESION, VOLUMEN Y TEMPERATURA…………………………………….
3.a) Presión, Volumen y temperatura…………………………………………….
4 LEYES DE LOS GASES………………………………………………………….
4.a) Ley de Boile- Mariotte………………………………………………………….
4.b) Ley de Charles……………………………………………………………………
4.c) Ley de Gay- Lussac…………………………………………………………….
5 EN QUE CONSSISTE LA MEZCLA DE GASES EN TERMODINAMICA…
6 RELACIONES P, v, T PARA MEZCLA DE GASES IDEALES………………
7 FORMULAS QUE PODEMOS EMPLEAR………………………………………
8 APLICACIONES DE LA MEZCLA DE GASES EN LA VIDA COTIDIANA..
9 MODELO DE DALTON…………………………………………………………….
10 LEY DE DALTON DE LAS PRESIONES PARCIALES……………………..
11 LEY DE AMAGAT…………………………………………………………………
12 CONCLUSIONES………………………………………………………………….
13 REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFIA……………………………………………..
1.1 FUNDAMENTOS
La mezcla de gases en termodinámica es un tema fundamental en la física que
se utiliza para analizar y comprender cómo se comportan los gases cuando se
mezclan a diferentes temperaturas, presiones y composiciones. Aquí tienes
algunos fundamentos clave de la mezcla de gases en termodinámica:
1.a) Ley de los gases ideales:
La ley de los gases ideales es una ecuación que describe el comportamiento de
los gases ideales. Esta ley establece que la presión (P), el volumen (V) y la
temperatura (T) de un gas están relacionados mediante la ecuación PV = n RT,
donde "n" es la cantidad de sustancia en moles y "R" es la constante de los gases
ideales.
1.b) Mezcla de gases:
En la práctica, los gases rara vez son ideales, pero se pueden aplicar las leyes
de los gases ideales a mezclas de gases si se utilizan las fracciones molares o
las fracciones de volumen adecuadas. Las fracciones molares son la cantidad
de moles de un gas en una mezcla dividida por la cantidad total de moles de
todos los gases en la mezcla.
1.c) Ley de Dalton de las presiones parciales:
La ley de Dalton establece que la presión total de una mezcla de gases es igual
a la suma de las presiones parciales de cada gas en la mezcla. La presión parcial
de un gas es la presión que ese gas ejercería si ocupara todo el volumen de la
mezcla a la misma
temperatura.
1.d) Ley de Amagat:
La ley de Amagat es una extensión de la ley de Dalton que establece que el
volumen molar de una mezcla de gases es la suma de los volúmenes molares
de los gases individuales a la misma presión y temperatura.
Esto es válido para mezclas reales de gases no ideales. Composición y
fracciones molares: La composición de una mezcla de gases se refiere a la
proporción en la que se encuentran los diferentes gases en la mezcla. Las
fracciones molares son una forma de expresar esta composición y se calculan
dividiendo la cantidad de moles de cada gas por la cantidad total de moles en la
mezcla
1. f) Ley de los gases reales:
Los gases reales se desvían del comportamiento ideal a altas presiones y bajas
temperaturas. Para describir el comportamiento de los gases reales, se utilizan
ecuaciones de estado como la ecuación de Van der Waals y la ecuación del virial,
que tienen en cuenta las interacciones entre las moléculas de gas. Mezclas
de gases y cambios de fase: La mezcla de gases también se aplica a situaciones
donde los gases pueden experimentar cambios de fase, como la condensación
o la vaporización. En tales casos, es importante considerar las condiciones de
presión y temperatura para predecir cómo se comportarán los diferentes
componentes de la mezcla.
2. PROPIEDADES DE LOS GASES:
I Compresibilidad:
Los gases son altamente compresibles, lo que significa que pueden reducir su
volumen en respuesta a la aplicación de presión. Esto se debe a que las
partículas en un gas están separadas por distancias relativamente grandes, y la
aplicación de presión las acerca más entre sí, lo que disminuye el volumen
ocupado por el gas.
II Expansibilidad:
Los gases también son altamente expansibles, lo que significa que pueden
aumentar su volumen cuando se reduce la presión. Cuando se reduce la presión
sobre un gas, las partículas se alejan unas de otras y el volumen del gas
aumenta.
III Falta de forma definida:
Los gases no tienen una forma definida, lo que significa que adoptan la forma
del contenedor que los contiene. Esto se debe a que las partículas de gas están
en constante movimiento y llenarán cualquier espacio disponible en el
contenedor.
Además de estas propiedades, los gases también se caracterizan por otras
propiedades como la difusión (la tendencia de los gases a mezclarse con otros
gases), la expansión térmica (el aumento de volumen de un gas con el aumento
de temperatura) y la baja densidad en comparación con los líquidos y sólidos.
Estas propiedades hacen que los gases sean muy diferentes de los líquidos y
sólidos en términos de comportamiento y propiedades físicas.
3. La presión, el volumen y la temperatura son
variables clave para describir el comportamiento de los
gases.
El volumen y la temperatura son tres variables clave en la descripción del
comportamiento de los gases y están relacionadas entre sí a través de la
ecuación de estado de los gases ideales, conocida como la Ley de los Gases
Ideales. Estas variables se utilizan para comprender cómo se comportan los
gases en diferentes condiciones.
3.A) Presión (P):
La presión se refiere a la fuerza que ejerce un gas sobre las paredes de su
contenedor. Se mide en unidades como pascal (Pa), atmósferas (atm), o
milímetros de mercurio (mmHg). A medida que aumenta la presión, las moléculas
de gas se comprimen más cerca unas de otras.
3.B) Volumen (V):
El volumen se refiere al espacio ocupado por un gas. Se mide en unidades como
litros (L) o metros cúbicos (m³). A medida que disminuye el volumen, las
moléculas de gas tienen menos espacio para moverse y se comprimen más.
3.C) Temperatura (T):
La temperatura se refiere a la medida de la energía cinética promedio de las
moléculas de gas. Se mide en grados Celsius (°C) o kelvin (K). A medida que
aumenta la temperatura, las moléculas de gas se mueven más rápido y tienen
más energía.
La Ley de los Gases Ideales relaciona estas tres variables de la siguiente
manera:
PV= nRT
Donde:
P, es la presión del gas. V, es
el volumen del gas.
n, es la cantidad de sustancia del gas en moles. R, es la
constante de los gases ideales.
T, es la temperatura en Kelvin.
Esta ecuación describe el comportamiento de los gases ideales bajo una
variedad de condiciones, y muestra cómo los cambios en la presión, el volumen
y la temperatura están relacionados cuando la cantidad de gas y la constante de
los gases ideales son constantes.
Es importante tener en cuenta que esta ecuación es una simplificación y no se
aplica perfectamente a todos los gases en todas las condiciones, pero es una
herramienta útil para entender el comportamiento general de los gases.
4. Leyes de los Gases
existen tres leyes principales que describen el comportamiento de los gases
ideales en función de sus propiedades termodinámicas: presión (P), volumen (V)
y temperatura (T). Estas leyes son fundamentales en la física y la química y se
conocen como las leyes de los gases ideales. Aquí están las tres leyes
mencionadas:
I Ley de Boyle-Mariotte: Esta ley establece que, a temperatura constante,
la presión y el volumen de un gas son inversamente proporcionales.
Matemáticamente, se expresa como:
PV = constante
Donde:
P es la presión
V es el
volumen.
II Ley de Charles: Esta ley establece que, a presión constante, el volumen
de un gas es directamente proporcional a su temperatura en la escala
Kelvin. Matemáticamente, se expresa como:
V/T = constante
Donde:
V es el volumen
T es la temperatura en Kelvin.
III Ley de Gay-Lussac: Esta ley establece que, a volumen constante, la
presión de un gas es directamente proporcional a su temperatura en la
escala Kelvin. Matemáticamente, se expresa como:
P/T = constante
Donde:
P es la presión
T es la temperatura en Kelvin.
Estas tres leyes son conocidas como leyes de los gases ideales cuando se
cumplen ciertas condiciones ideales, como bajas presiones y altas temperaturas.
En la práctica, los gases reales pueden desviarse de estas leyes a condiciones
extremas, pero las leyes de los gases ideales siguen siendo una herramienta útil
para comprender y predecir el comportamiento de los gases en muchas
situaciones.
5. En que consiste
Termodinámica:
la
mezcla
de
gases
en
En termodinámica, la mezcla de gases se refiere a la combinación de dos o más
gases diferentes en un espacio o contenedor común. Esta mezcla puede ser de
interés en una variedad de situaciones, como en la industria química, la
ingeniería de procesos, la meteorología, la física y la química.
La termodinámica es una rama de la física que se ocupa del estudio de las
propiedades y el comportamiento de la energía y la materia. Cuando se trata de
mezclas de gases, se utilizan conceptos termodinámicos para analizar y
comprender cómo se comportan estos sistemas.
Algunos de los aspectos clave de la mezcla de gases en termodinámica. En
resumen, la mezcla de gases en termodinámica implica el estudio de cómo los
gases se comportan cuando se combinan en un espacio o contenedor común, y
se basa en principios termodinámicos como la ley de los gases ideales, la
fracción molar y la ley de Dalton de las presiones parciales para comprender y
calcular las propiedades de la mezcla.
6. Relaciones de P, v, T para mezcla de gases
ideales.
En este apartado nos referimos acerca y exclusivamente a la mezcla de gases
ideales y en esto se va introduciendo dos modelos muy conocidos, los cules son
los de Dalton y Amagat.
Entonces, consideremos un sistema consistente en un determinado número de
gases contenidos en un recipiente cerrado de volumen V. La temperatura de la
mezcla gaseosa es T y la presión en P, la mezcla ideal e considera como un gas
ideal, de modo que p, v, T y el número total de moles en la mezcla, n, están
relacionado de la siguiente ecuación:
𝑃=𝑛
𝑅𝑇
𝑉
7. FORMULAS QUE PODEMOS USAR.
En termodinámica, las mezclas de gases se pueden describir utilizando varias
leyes y fórmulas que relacionan las propiedades de los gases en una mezcla.
Aquí tienes algunas fórmulas importantes para trabajar con mezclas de gases:
1. Ley de los gases ideales: La ley de los gases ideales es una ecuación
fundamental para los gases y se aplica a mezclas de gases bajo
condiciones apropiadas. La fórmula es:
PV = nRT
Donde:
● P es la presión del gas.
● V es el volumen del gas.
● n es la cantidad de sustancia en moles.
● R es la constante de los gases ideales (8.314 J/(mol·K) o 0.0821
L·atm/(mol·K), dependiendo de las unidades que uses).
● T es la temperatura en kelvins.
2. Ley de Dalton de las presiones parciales: Cuando tienes una mezcla
de gases, la presión total de la mezcla es la suma de las presiones
parciales de cada gas individual en la mezcla. La fórmula es:
𝑃𝑛 = 𝑃1+𝑃2+ … + 𝑃𝑁
Donde:
● P, Total es la presión total de la mezcla.
● P1, P2, ..., Pn son las presiones parciales de cada gas en la mezcla.
3. Ley de Dalton de las temperaturas parciales: La temperatura total de
una mezcla de gases es igual a la temperatura parcial de cada gas
individual en la mezcla. La fórmula es:
𝑇𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑇1 = 𝑇2 = ⋯ = 𝑇𝑁
Donde:
● T_total es la temperatura total de la mezcla.
● T_1, T_2, ..., T_n son las temperaturas parciales de cada gas en la
mezcla.
4. Ley de Graham de las velocidades de difusión: Esta ley describe la
velocidad a la que los gases se difunden a través de una membrana
porosa y está relacionada con la raíz cuadrada de las masas molares de
los gases. La fórmula es:
𝑀2
)
𝑀1
𝑟1
𝑟2
= √(
Donde:
● r1 y r2 son las tasas de difusión de dos gases.
● M1 y M2 son las masas molares de los dos gases.
5. Composición molar: Para determinar la fracción molar de un gas en
una mezcla, puedes usar la siguiente fórmula:
𝑋𝑖 = 𝑛𝑖
𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
Donde:
●
𝑋𝑖 es la fracción molar del gas i.
●
𝑛𝑖es la cantidad de sustancia del gas i.
●
𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 es la cantidad total de sustancia en la mezcla.
Estas son algunas de las fórmulas más comunes utilizadas en termodinámica
para describir mezclas de gases. Dependiendo del problema específico, otras
ecuaciones y relaciones termodinámicas pueden ser necesarias.
8. APLICACIONES DE MEZCLA DE GASES EN LA REALIDAD
La mezcla de gases tiene numerosas aplicaciones en la vida real en una variedad
de campos. Aquí te presento algunas de las aplicaciones más comunes:
✔ Industria Química: En la fabricación de productos químicos, la mezcla de
gases se utiliza en procesos como la síntesis de productos químicos, la
destilación y la reacción de gases para producir compuestos específicos.
✔ Industria Alimentaria: Envasado de alimentos al vacío, en donde se usa
una mezcla de gases (como nitrógeno, dióxido de carbono y oxígeno) para
preservar la frescura de los alimentos y prolongar su vida útil.
✔ Medicina: La mezcla de gases se utiliza en la administración de
anestesia, en la terapia de oxígeno y en la producción de gases
medicinales.
✔ Metalurgia: En procesos de soldadura y corte, se utilizan mezclas de
gases para controlar la temperatura y la composición del gas protector, lo
que ayuda a prevenir la oxidación y a mejorar la calidad de las soldaduras.
✔ Industria Electrónica: En la fabricación de circuitos integrados y
dispositivos electrónicos, se emplean mezclas de gases para crear
atmósferas controladas en los procesos de deposición química de vapor
y grabado.
✔ Industria Petroquímica: En la refinería de petróleo y la producción de
productos químicos a partir de materias primas derivadas del petróleo, se
usan mezclas de gases para controlar procesos de reacción y
proporcionar calor.
✔ Generación de Energía: En centrales eléctricas y plantas de energía, los
gases pueden utilizarse en turbinas de gas y motores de combustión
interna para generar electricidad.
✔ Alimentos y Bebidas: En la industria de bebidas carbonatadas, se
agrega dióxido de carbono a líquidos para crear burbujas y carbonatarlos.
✔ Exploración Espacial: En la exploración espacial, las naves espaciales
utilizan mezclas de gases para la propulsión y como parte de los sistemas
de soporte vital para astronautas.
✔ Medio Ambiente: En la monitorización y control de la calidad del aire, se
utilizan sensores de gases para detectar y medir la concentración de
gases contaminantes y gases de efecto invernadero.
✔ Almacenamiento de Energía: En baterías de ion-litio, se emplean
electrolitos líquidos que son mezclas de sales y solventes.
✔ Procesos de Combustión: En la industria de la metalurgia, la quema de
combustibles y otros procesos de combustión, las mezclas de gases se
utilizan para controlar la temperatura y la composición de la llama.
EJERCICIO PROPUESTO:
1. Por una tubería de 2 pulgadas de diámetro fluye una mezcla de 70 %
oxigeno y el 30 % de dióxido de carbono, por volumen. Si el fluido
tiene una presión de 1500 psia, una temperatura de 70° F y una
velocidad de 13 pies/ s, determinar el flujo volumetrico de la mezcla.
DATOS:
V= 13 pies/s
D= 2 pulgadas
Pm= 1500 psia
𝑦𝑜𝑥𝑖𝑔𝑒𝑛𝑜= 0,7
𝑦𝑑𝑖𝑜𝑥𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜= 0.3
Tm= 70°F
∀= ?
LongitudL
SOLUCION:
Tomándolo como gas ideal:
AREA
Volumen= Área x Longitud
V/t = A x L/t
Seconvierteenel
Flujovolumétrico
∀= 𝐴 × 𝑉 = 𝜋
Seconvierteenlaveloc
idad
∀
𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎
𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎2 4 × 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛
2
2
∀= 𝜋 (12)
× 13 = 0,2836 𝑝𝑖𝑒𝑠/𝑠
4
9. Modelo de Dalton
Este modelo es consistente con el concepto de gas ideal; esto es un gas
compuesto de moléculas que ejercen fuerzas despreciables unas sobre otras por
lo que el comportamiento de cada componente no se ve afectado por la
presencia del resto de los componentes y que además cada molécula ocupa un
volumen despreciable comparado con el que ocupa el gas de modo que puede
considerarse que cada componente ocupa todo el volumen disponible. En
resumen, el modelo de Dalton supone que cada componente de la mezcla se
comporta como un gas ideal que estuviera él solo ocupando todo el volumen
disponible a la temperatura de la mezcla.
Para cada componente se verifica, pues:
𝑝1𝑉 = 𝑛1𝑅𝑇
𝑝2𝑉 = 𝑛2 𝑅𝑇
𝑝𝑘𝑉 = 𝑛𝑘𝑅𝑇
Sumando ambos miembros de estas igualdades se obtiene:
(𝑝1 + 𝑝2 + ⋯ + 𝑝𝑘)𝑉 = (𝑛1 + 𝑛2 + ⋯ + 𝑛𝑘)𝑅𝑇
Teniendo en cuenta lo siguiente….
(𝑝1 + 𝑝2 + ⋯ + 𝑝𝑘)𝑉 = 𝑛𝑅𝑇
La relación entre la presión del componente i y la presión de la mezcla se obtiene
del cociente entre cada una de las ecuaciones (9.60) y la ecuación (9.59):
se le da el nombre de presión parcial del componente en la mezcla. Esta presión
parcial vemos que es igual al producto de la fracción molar del correspondiente
componente por la presión de la mezcla.
10. LEY DE DALTON DE LAS PRESIONES PARCIALES
La ley de Dalton o ley de las proporciones múltiples nos indica que cuando se
combinan 2 o más elementos y que como producto se forman más de un
compuesto, la masa de uno de ellos se une a la masa de otro.
Esto dará relaciones de números enteros y sencillos. La presión total de una
mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales ejercidas por cada
uno de los gases en la mezcla. Cada gas que participa en la mezcla ejerce una
presión que es independiente de la de los otros gases presentes. Estas
presiones se llaman presiones parciales.
Así, si tenemos una mezcla de tres gases A,B,C que ejercen presiones parciales
de 5 atm, 2 atm y 3 atm, respectivamente, la presión total será de 10 atm.
FORMULAS PARA MEZCLAS DE GASES
✓ La presión total (𝑃𝑡 ) es la suma de las presiones parciales de cada gas (𝑃𝑖 ).
EJEMPLO:
Dos tanques están conectados por una válvula cerrada. Cada tanque se llena
con gas.
Ambos tanques están a la misma temperatura. Se abre la válvula y dejamos
que los gases se mezclen.
A) ¿Cuál es la presión parcial de cada gas y la presión total?
B) ¿Cuál es la fracción molar de cada gas en la mezcla?
5L
𝑜2
𝑁2
32 atm.
24, atm
TOTAL: LEY DE BOYLE
3L
𝑽𝟏𝑷𝟏 = 𝑽𝟐𝑷𝟐
𝑶𝟐
𝑽𝟏 = 𝟓𝑳
𝑽𝟐 = 𝟖𝑳
𝑷 = 𝟐𝟒 𝒂𝒕𝒎
𝑷 =?
= 𝑽𝟏𝑷𝟏 =(𝟓𝑳)(𝟐𝟒𝒂𝒕𝒎) =
15atm
𝑷
𝟏
𝟐
𝑵𝟐
𝑽𝟏 = 𝟑𝑳
(𝟖𝑳)
𝑽𝟐
𝟐
𝑽𝟐
= 𝟖𝑳
𝑷𝟐 = (𝟑𝑳) (𝟑𝟐 𝒂𝒕𝒎) =
𝟏𝟐 𝒂𝒕𝒎
𝟖𝑳
𝑷𝟏 = 𝟑𝟐𝒂𝒕𝒎 𝑷𝟐 = ?
𝑷𝑶𝟐
=𝑿
𝑿𝑶𝟐
𝑶𝟐
= 𝑷𝒏𝟐 = 𝟏𝟐𝒂𝒕𝒎 = 𝟎, 𝟒𝟒
𝑿
𝒏𝟐
𝑷𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 = 𝟏𝟓𝒂𝒕𝒎 + 𝟏𝟐 𝒂𝒕𝒎 = 𝟐𝟕𝒂𝒕𝒎
=
𝑷𝑶𝟐
𝑷𝒕
𝟏𝟓 𝒂𝒕𝒎
= 𝟐𝟕𝒂𝒕𝒎
= 𝟎, 𝟓𝟔
𝑽𝒆𝒓𝒊𝒇𝒊𝒄𝒂𝒄𝒊𝒐𝒏: 𝟎. 𝟓𝟔 + 𝟎. 𝟒𝟒 = 𝟏
𝑷𝒕
𝟐𝟕𝒂𝒕𝒎
SEGUNDO EJEMPLO:
Encuentra la presión total de una mezcla que contiene nitrógeno (N) con una
presión parcial de 1,250 atm y helio (He) con una presión parcial de 0,760 atm:
Ptotal = PN + PHe PTotal = 2,01atm
Resolvemos un segundo ejercicio Supongamos que tienes nitrógeno (N),
oxígeno (O) e hidrógeno (H) en un recipiente cerrado. Si la presión parcial del
nitrógeno es de 3 atm, la del oxígeno de 2 atm y la del hidrógeno de 1,5 atm,
¿cuál es la presión total?
⮚ Como ya hemos visto, la suma de las presiones parciales de cada gas
individual presente en una mezcla es igual a la presión total de la
mezcla de gases. Por lo tanto, la presión total de la mezcla que se
encuentra en este recipiente cerrado será
Ptotal = PN + PO + PH Ptotal = 6,01
11.
LEY DE AMAGAT:
Se conoce también como ley de los volúmenes parciales y su nombre viene del
físico y químico francés Emile Hilaire Amagat, quien la formuló por primera vez
en 1880.
Es análoga en volumen a la ley de las presiones parciales de Dalton. Es entonces
que según lo consignando citamos. La Ley de Amagat de los volúmenes
parciales o aditivos establece que el volumen de un gas multicomponente es
igual a la suma de los volúmenes parciales, que cada componente ocuparía si
éste fuera la única sustancia presente por la temperatura y presión total de la
mezcla. Esta ley se puede representar gráficamente de la siguiente manera
(Ríos, 2007, p. 483)
Aunque para los gases reales la Ley de Amagat es regularmente más exacta que
la Ley de Dalton siendo en consecuencia útil para algunos cálculos, el concepto
de los volúmenes parciales (a diferencia del concepto de las presiones parciales)
es puramente matemático y no tiene ningún significado físico (Ríos, 2007, p.
483). Esta ley permite hallar de forma matemática la presión total de una mezcla
de gases con sus respectivas presiones parciales que ejercen a merced de la
entropía y energía cinética que tengas las moléculas que forman estas
sustancias muy volátiles y con una alta capacidad de difusión a través de
cualquier medio o entorno.
La ley de Amagat o ley de los volúmenes parciales establece que en una mezcla
de gases, cada gas ocupa su volumen como si los restantes gases no estuvieran
presentes. El volumen específico de un determinado gas en una mezcla se llama
volumen parcial (v). El volumen total de la mezcla se calcula simplemente
sumando los volúmenes parciales de todos los gases que la componen. Esta es
la expresión experimental del volumen como una magnitud extensiva. La ley
honra al físico francés Emile Amagat (1841-1915), que fue quién la enunció por
vez primera en 1880. La ley nos indica que el volumen total de una mezcla de
gases es igual a la suma de los volúmenes parciales de los constituyentes de la
mezcla.
Como volúmenes parciales, se entienden aquellos que serían ocupados por los
componentes individuales de la mezcla, es decir la cantidad de un componente
en la mezcla (porcentaje de moles) para una determinada cantidad de volumen
a una presión y temperatura constante. La ley de Amagat es muy útil, porque
facilita algunos cálculos en las mezclas de gases, dando buenos resultados
sobre todo a altas presiones.
Las mezclas de gases abundan en la naturaleza, para comenzar los seres vivos
respiramos una mezcla de nitrógeno, oxígeno y otros gases en menor
proporción, así que esta es una mezcla de gases bien interesante de
caracterizar. A continuación, algunos ejemplos de mezclas gaseosas:
⮚ El aire en la atmósfera terrestre, cuya mezcla puede modelarse de
diversas maneras, ya sea como un gas ideal o con alguno de los modelos
para gases reales.
⮚ Motores de gas, que son de combustión interna, pero en vez de
usar gasolina usan una mezcla gas natural –aire.
⮚ La mezcla de monóxido-dióxido de carbono que expulsan los motores de
gasolina por el tubo de escape.
⮚ La combinación hidrógeno-metano que abunda en los planetas gigantes
gaseosos.
⮚ Gas interestelar, una mezcla que consiste mayormente en hidrógeno
y helio que llena el espacio entre las estrellas.
⮚ Mezclas diversas de gases a nivel industrial.
FORMULA:
𝑽𝑻 = 𝑽𝟏+𝑽𝟐+𝑽𝟑 + ⋯ += ∑ 𝐕𝐢 (𝐓𝐦, 𝐏𝐦)
Donde: V representa el volumen, siendo VT el volumen total. El símbolo de
sumatoria sirve como notación compacta. Tm y Pm son respectivamente la
temperatura y la presión de la mezcla.
EJEMPLO:
1- Una mezcla de 0,197 moles de CO2 (g) y 0,00278 moles de H2O (g) está a 30ºC en un tanque
de 3 L. ¿Cuál es el volumen parcial de cada gas?
Datos: R = 0,082 atm L/ mol K = 8,314 J/ mol K
Datos: n CO2 = 0,197 moles
n H2O = 0,00278
moles T= 30ºC V=3L
Cálculo a partir de
Para utilizar esta ecuación, la temperatura debe expresarse en grados Kelvin
(K). Para pasar la temperatura expresada en grados centígrados a grados
Kelvin debe sumarse 273.
T= 30ºC +273 = 303 K
Antes de calcular la presión parcial de cada uno de los gases, necesitamos
calcular la presión total que ocupa la mezcla (P).
Donde n es el número total de moles gaseosos:
n = ∑ni
n = nCO2 + nH 2O = 0,197 + 0,00278 = 0,19978 moles
Puesto que tenemos el volumen expresado en litros, utilizaremos la R=0,082
atm L/ mol K
✔ Comprobamos que hemos hecho bien los cálculos sabiendo que:
V = ∑vi
V = vCO2 + vH 2O = 2,958 + 0,042 = 3 L
12.
CONCLUSIONES:
Concluimos que la mezcla de gases es un tema importante en la
termodinámica debido a su amplia aplicación en diversas áreas de la
ciencia y la industria. A continuación, se presentan algunas
conclusiones clave relacionadas con la mezcla de gases en el
contexto de la termodinámica:
1. Ley de los gases ideales: La termodinámica de los gases
ideales proporciona una descripción simplificada del
comportamiento de las mezclas de gases a bajas presiones y
temperaturas. Esta ley establece que el producto de la presión
y el volumen de un gas es proporcional a la cantidad de
sustancia y la temperatura, lo que se conoce como la ecuación
de estado de los gases ideales (PV = nRT).
2. Leyes de Dalton y Ley de Amagat: Estas leyes se utilizan para
describir cómo los gases se mezclan en términos de la presión
parcial y el volumen parcial de cada componente en una mezcla
gaseosa. La Ley de Dalton establece que la presión total de
una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones
parciales de los gases individuales. La Ley de Amagat se aplica
a volúmenes parciales.
3. Fracción molar: La fracción molar es una medida importante
para describir la composición de una mezcla de gases. Se
define como la relación de la cantidad de sustancia de un gas
en particular a la cantidad total de sustancia en la mezcla. La
fracción molar se usa en cálculos termodinámicos para
determinar propiedades como la presión parcial.
4. Mezclas no ideales: A menudo, las mezclas de gases reales
no siguen la ley de los gases ideales debido a las interacciones
entre las moléculas. En tales casos, se utilizan ecuaciones de
estado más complejas, como la ecuación de Van der Waals,
para describir el comportamiento de la mezcla de gases.
5. Efectos termodinámicos de las mezclas de gases: Las
mezclas de gases pueden experimentar cambios de
temperatura, presión y volumen que afectan sus propiedades
termodinámicas. Estos cambios pueden ser descritos utilizando
principios termodinámicos como la primera y segunda ley de la
termodinámica.
6. Trabajo y energía interna: En termodinámica, se estudia cómo
las mezclas de gases realizan trabajo o intercambian energía
interna con su entorno durante procesos de expansión o
compresión. Estos conceptos son esenciales para comprender
el funcionamiento de motores, turbinas y otros dispositivos que
involucran gases.
En fin, la termodinámica de las mezclas de gases es un campo
fundamental para comprender cómo los gases se comportan en
diversas situaciones, desde aplicaciones industriales y químicas
hasta procesos atmosféricos y espaciales. La aplicación adecuada
de las leyes y principios termodinámicos en el estudio de las mezclas
de gases es esencial para el diseño y la optimización de sistemas y
procesos relacionados con gases.
13.
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REFERENCIAS:
Smith, J. R. (2019). Termodinámica de las mezclas de gases. Editorial
Universitaria.
González, M. A., & Pérez, L. R. (2020). Comportamiento de las mezclas de gases
ideales. Revista de Termodinámica, 45(3), 210-225.
Lifeder. (2019). Ley de Amagat: Lifeder. Obtenido de Lifeder Web site:
https://www.lifeder.com/ley-de-amagat/ Valencia, I. (2019). Ley de
Amagat. Unidades de Apoyo para el Aprendizaje. CUAED/FESIztacalaUNAM.Obtenidode: