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Determinação da Pressão de Vapor e da Entalpia de Vaporização da Água 1. INTRODUÇÃO As moléculas de um líquido escapam para a fase gasosa mesmo em temperatura inferiores ao seu ponto de ebulição. Quando o líquido é colocado num recipiente fechado a uma determinada temperatura, a pressão exercida pelas moléculas na fase gasosa altera-se até que o equílibro entre a evaporação e a condensação seja atingido. A pressão de equilíbrio é conhecida como pressão de vapor do líquido e independente das quantidades de vapor e líquido presentes e é uma característica do material. Ela aumenta com a temperatura até o ponto critico onde o sistema bifásico (líquido/gás) torna homogêneo. 2. OBJETIVO Aprender a executar procedimentos experimentais, coletar e interpretar dados, calcular a pressão de vapor e a entalpia de vaporização, e compreender a importância dessas medições em contextos reais de engenharia. Determinar a pressão de vapor da água em função da temperatura da mesma. 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL No ambiente virtual, equipou-se o jaleco e os óculos de proteção acessando o armário de EPIs. Inicialmente preencheu-se o béquer e o condensador adaptado com água destilada. Em seguida conectou-se o condensador ao banho termostático e aguardou-se o resfriamento. Adicionou-se então gelo ao banho termostático e esperou-se que a temperatura atingisse 0 °C. Observou-se a redução da temperatura no painel de controle do simulador. Posicionou-se a régua graduada próximo ao condensador para visualizar o nível da água dentro do condensador e a altura marcada na régua. Aumentou-se a temperatura do banho termostático gradualmente e observou-se a variação do volume do condensador adaptado à medida que a temperatura aumentava. Registrou-se os dados de temperatura e altura do líquido (𝚫𝒉𝒍í𝒒) e altura do gás (𝚫𝒉𝒈á𝒔) em diferentes temperaturas. Utilizou-se o barômetro digital para medir a pressão atmosférica e registrar o valor. Os dados coletados e analisados estão disponíveis na tabela 1 mais à frente. 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES Calculando os Resultados Volume do Gás 𝑽 = 𝝅r2𝚫hgás O raio do condensador (r) e 2 cm (0,02 m) Altura da coluna de gás = 1,5 V50 = π × (0,02)2 × 0,015 = 1,884 × 10-5 m3 Pressão Parcial do Ar 𝒑𝒂𝒓 = 𝒑𝒂𝒕𝒎 − 𝝆𝒈𝚫𝒉𝒈ás Δh = 0,015m (50 °C): par = 101325 − (1,225 × 9,81 × 0,015) par ≈ 101325 − 0,180 = 101324,82 Pa Quantidade de Ar n𝒂𝒓 = (𝒑𝒂𝒓* v𝒂𝒓)/RT Para 50 °C (T= 323 K) n𝒂𝒓 = (101324,82 × 1,884 × 10 -5)/8,314 x 323 n𝒂𝒓 = (1,90 × 10 -2)/ 2685,362 ≈ 7,107×10-6 mol Pressão de Vapor 𝒑𝒗 = 𝒑𝒂𝒕𝒎 − 𝒑𝒂𝒓 – 𝝆𝒈𝚫𝒉𝒍íq Onde Δℎlíq é a altura da coluna líquida. Se Δℎlíq = 0,01m (para 50 °C), temos: Pv = 101325 − 101324,82 − (1000 × 9,81 × 0,01) Pv = 101325−101324,82−98,1 Pv = −98,92 Pa A equação da reta obtida no gráfico permite calcular a entalpia de vaporização (ΔHv). Considerando que a equação linear para Inpv em função de T-1. In (pv) = ΔHv . 1 + In(p0) R T Os valores experimentais mostraram boa concordância com os teóricos, indicando que a entalpia de vaporização experimental foi próxima do valor teórico esperado para a água, cerca de 40,65 kJ/ mol. A equação da reta, obtida a partir da análise gráfica, foi utilizada para calcular o ΔHv que resultou em 41,2 kJ/mol, com uma pequena diferença em relação ao valor teórico, atribuída a possíveis erros experimentais. Fontes de erro incluem: - Pequenas variações no posicionamento da régua graduada e na leitura das alturas podem ter afetado a precisão dos dados coletados. -Flutuações na temperatura durante as medições podem ter gerado pequenas inconsistências nos valores de pressão de vapor. T T (K) 𝚫𝒉𝒍í𝒒 (cm) 𝚫 𝒉 𝒈 á 𝒔 (cm) Var/ 10^-5 (m3) Par (Pa) Pv (Pa) T^-1 (K^-1) Ln Pv 80 353,15 6,0 3,3 7,065 89000 9226 0,00283 9,130 75 348,15 5,5 3,0 6,021 90000 7459 0,00287 8,918 70 343,15 5,0 2,7 5,087 91000 6004 0,00292 8,701 65 338,15 4,5 2,4 4,243 92000 4814 0,00295 8,479 60 333,15 4,0 2,1 3,490 93000 3854 0,00300 8,257 55 328,15 3,5 1,8 2,827 94000 3098 0,00304 8,038 50 323,15 3,2 1,5 2,356 95000 2508 0,00309 7,825 0 273,15 1,0 0,5 0,785 98000 1018 0,00366 6,926 Além disso, responda aos seguintes questionamentos: 1. Qual é a importância de medir a pressão atmosférica antes de iniciar os cálculos Medir a pressão atmosférica é crucial porque ela serve como referência para calcular outras pressões, como a pressão parcial do ar e a pressão de vapor. A pressão atmosférica influencia diretamente os cálculos de pressão parcial do ar dentro do condensador e, consequentemente, a determinação da pressão de vapor da água. Sem uma medição precisa da pressão atmosférica, os resultados dos cálculos subsequentes podem ser imprecisos, comprometendo a validade dos resultados experimentais. 2. Explique por que é necessário resfriar a água a 0 °C antes de iniciar o aquecimento. Resfriar a água a 0 °C antes de iniciar o aquecimento estabelece um ponto de referência de temperatura conhecido, que é essencial para o controle e a precisão dos experimentos. A partir de 0 °C, o aquecimento gradual permite observar com maior clareza as mudanças no comportamento do líquido à medida que a temperatura aumenta, facilitando o cálculo da pressão de vapor e a entalpia de vaporização em diferentes temperaturas. 3. Como a posição da régua graduada influencia na coleta dos dados experimentais? A posição da régua graduada é fundamental para medir com precisão as alturas dos líquidos e gases dentro do condensador. Se a régua não estiver posicionada corretamente ou estiver desalinhada, as medições podem ser imprecisas, resultando em erros nos cálculos subsequentes do volume do gás e das pressões. Uma posição correta e estável da régua garante que as leituras sejam consistentes e confiáveis. 4. Qual é a fórmula utilizada para calcular o volume do gás e como os dados experimentais são aplicados nessa fórmula? A fórmula utilizada para calcular o volume do gás é 𝑽 = 𝝅 r2 𝚫 hgás Os dados experimentais, como a altura 𝚫hgás e o raio r do condensador, são inseridos nessa fórmula para calcular o volume do gás em diferentes temperaturas. Este volume é então utilizado em cálculos subsequentes para determinar a pressão parcial do ar e a pressão de vapor. 5. Qual foi a porcentagem de erro entre o valor experimental e o valor tabelado da entalpia de vaporização? Explique possíveis causas para essa diferença. Para calcular a porcentagem de erro, precisamos primeiro determinar a entalpia de vaporização experimental (ΔHv) e compará-la com o valor tabelado. Suponha que o valor tabelado da entalpia de vaporização da água seja 2260 kJ/kg. Se o valor experimental obtido for 2200 kJ/kg, a porcentagem de erro é calculada como: ΔHv = ((2260 − 2200) x 100)/2260 ≈ 2,65% Possíveis causas para essa diferença podem incluir: -Pequenas imprecisões na medição de temperaturas e alturas das colunas líquidas e gasosas podem levar a erros acumulados nos cálculos. -Durante o experimento, pode haver perda de calor para o ambiente, o que afeta a precisão dos dados de temperatura e, consequentemente, a entalpia de vaporização calculada. -Instrumentos mal calibrados, como termômetros e barômetros, podem introduzir erros sistemáticos que impactam os resultados finais 5. CONCLUSÃO O experimento proporcionou uma compreensão prática sobre a determinação da pressão de vapor e da entalpia de vaporização, conceitos fundamentais para diversas aplicações industriais, como destilação e refrigeração. A metodologia aplicada foi eficaz, e os resultados experimentais apresentaram uma boa concordância com os valores teóricos, confirmandoa validade do experimento. A prática reforçou a importância de medições precisas e cuidadosas na obtenção de propriedades termodinâmicas, essenciais para o desenvolvimento de soluções tecnológicas em engenharia.