Ecuación de Van der Waals: Comprensión de Gases Reales y Transiciones de Fase

Pregunta 1: Ecuación de Gases Reales de Van der Waals

¿Es correcta la siguiente ecuación de gases reales desarrollada por Van der Waals en 1873?
( P + n²a / V² ) ( V - nb ) = nRT

Pregunta 1.1: Error Estimado de la Ecuación de Van der Waals

¿Cuál es el error estimado de esta ecuación en unidades porcentuales?

Respuesta 1.1: 5.3%

Pregunta 1.2: Significado del Parámetro "b" en la Ecuación de Van der Waals

¿Qué representa el parámetro “b”?

Respuesta 1.2: Representa el volumen que ocupan las moléculas de gas por unidad de masa. Este parámetro refleja el espacio de “exclusión” debido a la repulsión a corta distancia entre las moléculas, por lo que se resta del volumen total disponible.

Pregunta 1.3: Significado del Parámetro "a/V²" en la Ecuación de Van der Waals

¿Qué representa el parámetro “a/V²”?

Respuesta 1.3: Explica las fuerzas intermoleculares.

Pregunta 1.4: Orden de Magnitud de los Parámetros "a" y "b"

Señale el orden de magnitud de estos parámetros; es decir, ¿tienen magnitudes en millones de unidades, cientos de unidades, decenas, décimas, centésimas?

Respuesta 1.4:

• a: Décimas de unidad
• b: Centésimas de unidad

Pregunta 1.5: Diferencias entre la Ecuación de Van der Waals y la Ley de Gases Ideales

¿Qué logra resolver la ecuación de Van der Waals que no logra la ley de gases ideales? (Enfoque en aspectos termodinámicos, no en el error del 33% de la ley de gases ideales). Es decir, indique qué considera la ecuación de Van der Waals que no considera la ley de gases ideales, teniendo en cuenta las diferencias químicas entre los distintos tipos de gases.

Respuesta 1.5: La ecuación de Van der Waals resuelve y reconoce que las moléculas de gases químicamente distintos ocupan volúmenes diferentes, y este volumen es significativo al considerar el volumen que las moléculas demandan. Además, reconoce que las fuerzas intermoleculares varían dependiendo del tipo de moléculas.

Pregunta 2: Variables Termodinámicas en la Ecuación de Van der Waals

¿Qué dos variables termodinámicas se consideran en las ecuaciones para obtener los valores de “a” y “b” en la ecuación de Van der Waals?

Respuesta 2:

• T_cr: Temperatura crítica
• P_cr: Presión crítica

Pregunta 3: Importancia de las Transiciones de Fase en Procesos de Ingeniería

¿Por qué es importante considerar las transiciones de fase en los elementos y compuestos químicos en procesos de ingeniería? Argumente en base a los conceptos de energía y costos asociados, mencionados en la descripción del “punto crítico” y consideraciones sobre la “operación de reactores”.

Respuesta 3: Permite advertir la coexistencia de fases y sus transiciones, que pueden provocar el colapso de los reactores con sistema cerrado. Todas las transiciones de fase involucran generación o demanda de energía. Esto lleva directamente a la herramienta para hacer ingeniería de costos de procesos.

Pregunta 4: Punto Crítico en Procesos Químicos Industriales

¿Qué es el punto crítico de una sustancia en procesos químicos industriales? Refiérase con claridad a las dos variables que lo definen termodinámicamente.

Respuesta 4: La temperatura crítica de un gas es la temperatura máxima a la que puede licuarse. La presión crítica es aquella necesaria para licuar el gas a esa temperatura.

Pregunta 5: Volumen Crítico

¿Qué es el volumen crítico? Defínalo necesariamente en función de las variables termodinámicas críticas.

Respuesta 5: Es el volumen que ocuparía un mol de gas a su temperatura crítica y presión crítica. Estas tres variables se denominan conjuntamente las constantes críticas de una sustancia.

Pregunta 6: Presión de Vapor y Volumen en un Sistema Cerrado

Señale por qué la presión de vapor de un gas contenido en un volumen constante no es función del volumen.

Respuesta 6: Porque la presión de vapor de un gas es una propiedad termodinámica intensiva de dicho gas, y no extensiva. Si lo fuera, bastaría con diseñar reactores de diferente tamaño para, a igual superficie de evaporación, conseguir mayor capacidad de evaporación. Dicho de otro modo, podríamos construir un dispositivo extremadamente pequeño y ser más eficiente que uno extremadamente grande, lo cual no es posible.

Pregunta 7: Variable Termodinámica que Afecta la Presión de Vapor

¿De qué variable termodinámica es función la presión de vapor de una sustancia?

Respuesta 7: Temperatura