Equilibrios de Fases y Transiciones de Fases: Parte I

Por Rodolfo Acevedo Chávez y María Eugenia Costas Basin

El trabajo presente aspira a abordar y atender en cierta medida una necesidad curricular no siempre contemplada, y que concierne tanto al capítulo de la revisión de la respuesta que arrojan instrumentos esenciales en el tema Equilibrios y Transiciones de Fases, como al del empleo de ciertas tecnologías y técnicas básicas relacionadas al mismo tema.
En esta Parte I y en relación al rubro Instrumentación, se presentan estudios experimentales diversos sobre sistemas manométricos, vacuométricos, de presión absoluta, y termométricos. En el rubro Tecnologías se abordan también estudios experimentales asociados a la medición y control de las propiedades de estado presión y temperatura. La intención general es la adquisición de los principios metodológico-experimentales previos a la incursión al problema sobre Equilibrios y Transiciones de Fases, y que constituye la Parte II."

• Idioma: Español
• Editorial: UNAM, Facultad de Química
• Fecha de lanzamiento: 31 mar 2024
• ISBN: 9786073079945

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PRIMERA PARTE

PRESIÓN

A. ESTUDIOS SOBRE MANÓMETROS

EXPERIMENTO 1. Verificación de un manómetro analógico de escala reducida

Objetivo

Estudiar la confiabilidad en las lecturas obtenidas de un manómetro analógico que opera en un rango moderado de presiones manométricas.

Experimento

A. Infraestructura

B. Técnica experimental

1. Establecer el arreglo siguiente:

En el arreglo referido se deben cumplir las condiciones siguientes:

a) Los ramales deben ser colineales al eje z.

b) En ambos ramales, los meniscos de H 2 O(l) deben encontrarse al mismo nivel (presión manométrica –al nivel (0)– dentro del ramal fijo, igual a 0.0).

c) La temperatura ambiental próxima al equipo debe ser constante. Esta condición debe cumplirse a lo largo de todo el experimento.

2. Bajo las condiciones acotadas anteriormente, tomar registro de la lectura obtenida en el manómetro instrumental analógico.

3. Liberar el ramal abierto (móvil) y practicar un ascenso moderado de él, de tal forma que se produzca una diferencia (Δh) en las posiciones de los meniscos de H 2 O(l), de ca. 10 cm. Fijar el ramal y esperar ~10 minutos, para así obtener constancia en el valor de Δh. Tomar registro de dicho valor, así como de la presión manométrica que registra el instrumento analógico.

4. Repetir el punto anterior, para valores sucesivamente mayores de Δh, sin rebasar el rango de operación del instrumento.

5. Repetir el punto anterior, pero ahora para valores sucesivamente menores de Δh.

6. Tomar registro de los valores para:

a) g local

b) ρH 2 O(l) local (θ exp )

Cálculos

1. Con ayuda de la ecuación

considerando que para el H2O(l):

a) ρ estd (a 3.98 ºC) = 1.0000 g/cm ³

b) g estd = 9.8067 m/s ² ,

obtener los valores respectivos de ΔhH2O(l) estd, a ser confrontados con los registros del instrumento analógico.

2. Construir la gráfica: lecturas instrumentales (cm H 2 O estd.) vs . Δhi (cm H 2 O estd.).

3. Practicar las regresiones pertinentes, a efecto de obtener la función que describa satisfactoriamente la relación entre ambas variables.

4. Con base en los resultados obtenidos, elaborar (extraer) las conclusiones pertinentes respecto a la calidad de la respuesta que se obtiene de las lecturas del instrumento analógico.

Resultados

En un experimento realizado, se obtuvieron los datos siguientes:

Datos

1) Manómetro analógico

Marca: Marshall town

Diámetro de la carátula: 2.5 pulg.

Rangos:0 – 20 ozf/pulg.²

0 – 35 pulg.H2O

0 – 8.6 kPa

(3 escalas)

2) θ = 20 ºC

ρH2O(l) = 0.9985 g/cm³

g = 9.78 m/s²

Lecturas originales

La tabla siguiente muestra los registros originales instrumentales y su conversión a cmH2O(l).

Lecturas instrumentales

La gráfica siguiente muestra las lecturas instrumentales (2 escalas) convertidas a las unidades cmH2O(l). Como se puede observar, ambas escalas permiten lecturas satisfactorias.

La gráfica siguiente muestra los datos originales del instrumento (escala original: pulg.H2O y su conversión a cmH2O(l)) y del indicador tipo U. Como se puede observar (y es natural), los valores de Δh local son ligeramente sobrevaluados respecto a los homologados a las condiciones estándar.

La gráfica siguiente muestra los datos originales del instrumento (escala original: kPa y su conversión a cmH2O(l)) y del indicador tipo U. Como se puede observar aquí también, los valores de Δh local son ligeramente sobrevaluados respecto a los homologados a las condiciones estándar.

El procedimiento a seguir es transformar los valores de Δh local a sus equivalentes bajo condiciones estándar. Esto se ilustra a continuación:

La tabla siguiente presenta los valores de Δh homologados a las condiciones estándar.

La tabla siguiente compendia las lecturas originales, así como los valores a ser confrontados, una vez transformados a unidades comunes (cmH2O(l)) y bajo condiciones estándar.

La figura que sigue muestra las lecturas homologadas entre el instrumento bajo estudio y el indicador tipo U. Como se puede observar del valor de m, el cual es esencialmente unitario, los valores registrados por el instrumento analógico concuerdan ampliamente con los obtenidos del indicador empleado como referencia.

La figura siguiente muestra también las lecturas homologadas entre el instrumento bajo estudio y el indicador tipo U. Como se puede observar también aquí, existe una concordancia plena entre las lecturas obtenidas del instrumento bajo estudio y el dispositivo de referencia.

De los resultados obtenidos se puede concluir que el instrumento en estudio trabaja óptimamente y no muestra desviaciones respecto a los valores esperados.

EXPERIMENTO 2. Verificación de un manómetro instrumental analógico de escala reducida

Objetivo

Estudiar la respuesta de un manómetro instrumental analógico que opera en una escala reducida de presiones manométricas.

Experimento

A. Infraestructura

B. Técnica experimental

1. Establecer el arreglo siguiente:

En el arreglo anterior se deben cumplir las condiciones siguientes:

a) Los ramales del indicador tipo U deben ser colineales al eje z.

b) Los meniscos de H 2 O(l) de ambos ramales deben encontrarse al mismo nivel.

c) La temperatura circundante al equipo debe ser constante. Esta deberá ser así durante todo el experimento.

d) El ventilador deberá operar para cumplir la condición del inciso anterior.

2. Bajo dichas condiciones, tomar registro de la presión manométrica indicada por el instrumento analógico.

3. Liberar el ramal móvil; desplazarlo lentamente en forma ascendente hasta provocar una diferencia en los niveles (Δh) de los meniscos de H 2 O(l), de ~5 cm. Esperar ~10 minutos para asegurar la estabilidad en el valor del Δh. Constatarlo. Tomar registro de dicho valor, así como de la presión manométrica indicada por el instrumento de carátula.

4. Repetir el punto anterior para valores sucesivamente ascendentes de Δh. No rebasar el rango de operación del instrumento analógico.

Cálculos

1. Elaborar la tabla de valores originales:

Δhi (cmH2O(l), local) – lecturas manométricas (bajo condiciones estándar)

2. Transformar dicha tabla a la siguiente:

Δhi (cmH2O(l), conds. estándar) – lecturas manométricas (conds. estándar)

3. Construir la gráfica:

lecturas manométricas vs. valores de Δhi

(Emplear unidades comunes.)

4. Elaborar las regresiones correspondientes, a efecto de obtener la función analítica que relacione satisfactoriamente ambas variables.

5. Con base en el punto anterior, elaborar las conclusiones pertinentes respecto a la calidad de respuesta del instrumento analógico bajo estudio.

Resultados

En un experimento realizado, se obtuvieron los datos siguientes:

Datos

1) Manómetro

Marca: Marsh

Diámetro de la carátula: 2.5 pulg.

Rango: 0 – 60 mmHg

2) θ experimental = 15.0 ºC

3) ρ H 2 O(l) en indicador U = 0.9992 g/cm ³ ; g local =9.78 m/s ²

4) Lecturas experimentales originales: