Lección
La teoría — Presión de vapor y punto de ebullición (Clausius-Clapeyron)
La presión de vapor de un líquido es la presión de su propio vapor en equilibrio con él, y aumenta de forma pronunciada con la temperatura. El líquido hierve a la temperatura en la que esa presión alcanza la presión exterior. La ecuación de Clausius-Clapeyron describe este aumento: ln(P2/P1) = −(ΔHvap/R)(1/T2 − 1/T1), por lo que ln P frente a 1/T es una recta de pendiente −ΔHvap/R. Leída en un sentido, convierte una presión en un punto de ebullición; leída en el opuesto, convierte dos puntos de ebullición en un calor latente.
Qué significa cada símbolo
P- la presión sobre el líquido, absoluta y en bar: 1,01325 al nivel del mar
T_b- el punto de ebullición, en kelvin dentro de la fórmula
ΔH_vap- el calor latente molar de vaporización: 40,65 kJ/mol para el agua a 100 °C
R- la constante de los gases, 8,314 J/(mol·K)
- Supone
- Asume tres cosas, cada una falsa en algún punto. El calor latente es el mismo a cualquier temperatura, cuando en realidad es de 45,05 kJ/mol en el punto triple y cero en el punto crítico. El vapor es un gas ideal. El líquido no ocupa espacio junto a él. En el rango medio que cubre esta página, los errores se cancelan en gran medida, lo que supone la segunda observación clave. El anclaje es 100 °C a 1 atm, igual que en la página de propiedades coligativas, que extrae su constante ebulloscópica del mismo valor de 40,65 kJ/mol; en la escala ITS-90 el punto de ebullición normal medido es de 99,97 °C. Además, la presión es absoluta: el manómetro de una olla a presión lee el exceso respecto al aire.
- Falla cuando
- Cerca del punto crítico, a 373,95 °C y 220,64 bar, donde el calor latente se reduce a cero y tanto el líquido como el vapor dejan de ser cosas distintas; el modelo carece de punto crítico y sigue de largo. Por debajo del punto triple no hay ningún líquido, y el hielo tiene su propia curva fijada por el calor latente de sublimación. En el caso de una mezcla, donde la presión de vapor se reparte entre los componentes y el punto de ebullición asciende a medida que el más volátil se escapa, la curva de un solo líquido no basta.
Problema resuelto al detalle
-
Una olla a presión en el campo base del Everest 4 pasos
El peso de una olla a presión mantiene el vapor a una presión fija por encima del aire circundante. Al nivel del mar, 10,5 psi en el manómetro alcanzan los 240 °F del USDA. En el campo base del Everest, donde la expedición de West midió 400,4 Torr, ¿qué presión manométrica hace falta para llegar a 240 °F? ¿Qué temperatura alcanza una olla con un peso de 15 psi? Pulsa Olla a 10,5 psi para ver el caso al nivel del mar.
Abre este problema en la herramienta
-
Un manómetro lee la presión sobre el aire, y el agua hierve a la presión absoluta. Al nivel del mar, 10,5 psi equivalen a 0,7239 bar por encima de 1,01325; es decir, 1,7372 bar en total. La página sitúa el punto de ebullición ahí en 116,01 °C.
-
En el campo base, el aire aporta 400,4 Torr (0,5338 bar). Esos mismos 10,5 psi ahora solo suman 1,2578 bar, y el agua hierve a 106,26 °C.
-
Ejecuta el modelo al revés: ¿qué presión absoluta hace hervir el agua a 240 °F, es decir, a 115,56 °C?
-
Resta lo que el aire ya aporta de por sí y convierte el resto a las unidades del manómetro.
Respuesta
17,08 psi en el manómetro, 1,1779 bar por encima del aire. Un peso de 15 psi en el campo base retiene 1,5680 bar, y el agua hierve a 112,86 °C según el modelo y a 112,69 °C según IAPWS-95. Se queda 2,69 K por debajo de los 240 °F según uno, y 2,87 K según el otro. El peso fija cuánto puede el vapor exceder al aire; como la montaña restó presión de aire, el USDA indica a todo el que envase a más de 1000 pies que añada presión.
-
Ruta de aprendizaje
Mezclas y disoluciones
Referencias (3)
- The measured curve the page holds its model against: water's saturation table, from the triple point to the critical point, as the NIST WebBook evaluates IAPWS-95: NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database 69: "Thermophysical Properties of Fluid Systems", water, saturation properties. Source equation: W. Wagner and A. Pruß, J. Phys. Chem. Ref. Data 31(2), 2002, pp. 387-535.
- The canner: 240 °F at 10.5 psi on the gauge at sea level, why low-acid food needs it, and the instruction to add pressure above 1,000 feet: U.S. Department of Agriculture, Complete Guide to Home Canning. Agriculture Information Bulletin No. 539, revised 2015.
- The two Everest pressures, 253.0 Torr on the summit and 400.4 Torr at base camp, measured on the American Medical Research Expedition to Everest: J. B. West, S. Lahiri, K. H. Maret, R. M. Peters Jr and C. J. Pizzo, "Barometric pressures at extreme altitudes on Mt. Everest: physiological significance." Journal of Applied Physiology 54(5), 1983, pp. 1188-1194. DOI 10.1152/jappl.1983.54.5.1188