Ley de Dalton

La ley de Dalton se puede referir a 2 resultados importantes en química, formulados por John Dalton:

Ley de las presiones parciales, el cálculo de las presiones parciales de una mezcla de gases aplicando la ley de los gases ideales a cada componente.

Ley de las proporciones múltiples, utilizada en estequiometria.

Esta ley establece como enunciado

"La presión total de una mezcla es igual a la suma de las presiones parciales que ejercen los gases de forma independiente"

Observa la siguiente imágen, a través de la cual se puede comprobar el enunciado de ésta ley

 De acuerdo con el enunciado de ésta ley, se puede deducir la siguiente

expresión matemática:

Ptotal= P1 + P2 + P3 + ....

En donde: P1, P2, P3, ... = Se refiere a las presiones parciales de cada gas.

Para hallar la presión parcial de cada gas en una mezcla, es necesario multiplicar la presión total por la fracción molar respectiva al gas. Estableciendo la siguiente expresión matemática:

Pparcial= X(gas) . Ptotal X= Fracción Molar

La ley de las presiones parciales (conocida también como ley de Dalton) fue formulada en el año 1801 por el físico, químico y matemático británico John Dalton. Establece que la presión de una mezcla de gases, que no reaccionan químicamente, es igual a la suma de las presiones parciales que ejercería cada uno de ellos si sólo uno ocupase todo el volumen de la mezcla, sin variar la temperatura. La ley de Dalton es muy útil cuando deseamos determinar la relación que existe entre las presiones parciales y la presión total de una mezcla.

Se puede hacer una definición de la teoría mediante la aplicación de matemáticas, la presión de una mezcla de gases puede expresarse como una suma de presiones mediante:

       o igual      

Donde   representan la presión parcial de cada componente en la mezcla. Se asume que los gases no tienenreacciones químicas entre ellos, el caso más ideal es con gases nobles.

donde   es la fracción molar del i-ésimo componente de la mezcla total de los m componentes. La relación matemática así obtenida es una forma de poder determinar analíticamente el volumen basado en la concentración de cualquier gas individualmente en la mezcla.

Donde la expresión:   es la concentración del i-ésimo componente de la mezcla expresado en unidades de ppm.

La ley de las presiones parciales de Dalton se expresa básicamente con el siguiente enunciado:

La presión total de una mezcla es igual a la suma de las presiones parciales de sus componentes

Cuando Dalton formuló por primera vez su teoría atómica poco había elaborado la teoría acerca de la vaporización del agua y del comportamiento de las mezclas gaseosas. A partir de sus mediciones dedujo que dos gases son una mezcla y que actuaban de una manera mutuamente independiente.

Por ejemplo si se colocan tres gases distintos en un recipiente de determinado volumen (V), se puede considerar que cada uno de estos gases ocupara todo el volumen del recipiente, es decir, conformara el volumen del recipiente y tendrán la misma temperatura.

Si estudiáramos cada uno de estos gases en formas separadas, la contribución a la presión de cada componente esta directamente relacionada con el número de moles del componente y de los choques que tienen las moléculas con las paredes del recipiente. Dado que cada componente tiene el mismo volumen y la misma temperatura, la diferencia de las presiones que ejercen los tres distintos gases se deberán a los distintos números de moles.

Entonces la presión que ejerce un componente determinado de una mezcla de gases se llama presión parcial del componente. Las presiones parciales se calculan aplicando la ley de los gases ideales a cada componente. Así la presión parcial (Pc) para un componente consiste en nc moles a

la temperatura T en el volumen V, siendo R la constante universal de los gases ideales, está dada por la expresión:

Se puede calcular la presión parcial de cada componente, si se conoce el número de moles de cada uno de los gases que se encuentran en la mezcla encerrada en un volumen determinado y a una temperatura dada. Debido a que las partículas de cada gas componente se conducen de una forma diferente, la presión total que ejerza la mezcla será el resultado de todas las partículas.

Se establece que la presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales de los gases individuales. Así pues:

Siendo   la constante de los gases ideales,   la temperatura,   el volumen y   el número de moles del componente i de la mezcla. El número de moles de un componente de la mezcla   se define como el cociente entre la masa,  , de dicho componente y su masa molecular,  . En general, para una mezcla, el número de moles   total se puede obtener de la siguiente ecuación:

Ley de Amagat

La ley de Amagat o ley de los volúmenes parciales establece que en una mezcla de gases, cada gas ocupa su volumencomo 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

Ley de los volúmenes parciales de Amagat

Una ley similar a la de Dalton es la Ley de Amagat de los volúmenes parciales. Dice que en una mezcla de gases, el volumen total puede ser considerado como la suma de los volúmenes parciales de los constituyentes de la mezcla:

El volumen parcial de cada constituyente es el volumen que ocuparía el gas si estuviera presente solo a una temperatura dada y a la presión total de la mezcla. Se puede calcular mediante:

en donde Xi es la fracción mol del i-ésimo componente y esta dado por el cociente entre el número de moles de " i " (n i) respecto al número total de moles (nT):

Vapor de agua.

El vapor de agua es un gas que se obtiene por evaporación o ebullicióndel agua líquida o por sublimación del hielo. Es inodoro e incoloro.

Muy enrarecido, el vapor de agua es responsable de la humedad ambiental. En ciertas condiciones, a alta concentración, parte del agua que forma el vapor se condensa y se forma niebla o, en concentraciones mayores, nubes

Podemos también apreciar el vapor de agua en nuestra exhalación en climas fríos y con alta humedad.

El estado de vapor es la fase gaseosa de una sustancia cuando ésta se encuentra por debajo de su temperatura crítica1 (el estado de vapor es un estado de agregación de la materia en el que

lasmoléculas interaccionan sólo débilmente entre sí, sin formar enlaces moleculares adoptando la forma y el volumen del recipiente que las contiene y tendiendo a separarse, esto es, expandirse, todo lo posible).

Procesos de Acondicionamiento de Aire - Unidad 5

Para mantener una vivienda o una construcción industrial a la temperatura y humedad son necesarios algunos procesos definidos como "acondicionamiento de aire". Algunas veces dos o mas de estos procesos son necesarios para llevar el aire al nivel de temperatura y humedad que se desea.

Varios Procesos de Acondicionamiento de Aire

Calentamiento

La temperatura del bulbo seco aumenta, la humedad especifica es constante.

Enfriamiento

La temperatura del bulbo seco disminuye, la humedad especifica es constante.

Humidificación

La humedad especifica aumenta a temperatura constante.

Deshumidificación

La humedad especifica disminuye a temperatura constante.

Calentamiento Simple

La humedad especifica es constante pero la humedad relativa disminuye.

Enfriamiento Simple

Se usa refrigerante o agua fría.

Durante el enfriamiento simple, la humedad especifica permanece constante, pero la humedad relativa aumenta.

Calentamiento con Humidificación

La humedad relativa baja, producto del calentamiento simple, se eliminan al humidificar el aire calentado.

Torres de Enfriamiento. Las torres de enfriamiento son equipos que se usan para enfriar agua en grandes volúmenes, extrayendo el calor del agua mediante evaporación o conducción. El proceso es económico, comparado con otros equipos de enfriamiento como los cambiadores de calor donde el enfriamiento ocurre a través de una pared.

Funcionamiento de una Torre de EnfriamientoEl agua se introduce por el domo de la torre por medio de vertederos o por boquillas para distribuir el agua en la mayor superficie posible. El enfriamiento ocurre cuando el agua, al caer a través de la torre, se pone en contacto directo con una corriente de aire que fluye a contracorriente o a flujo cruzado, con una temperatura menor a la temperatura del agua, en estas condiciones, el agua se enfría por transferencia de masa (evaporación), originando que la temperatura del aire y su humedadaumenten y que la temperatura del agua descienda; la temperatura límite de enfriamiento del agua es latemperatura del aire a la entrada de la torre. Parte del agua que se evapora, causa la emisión de más calor, por eso se puede observar vapor de agua encima de las torres de enfriamiento.

Para crear flujo hacia arriba, algunas torres de enfriamiento contienen aspas en la parte superior, las cuales son similares a las de un ventilador. Estas aspas generan un flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento. Además, en el interior de las torres se monta un empaque con el propósito de aumentar la superficie de contacto entre el agua caliente y el aire que la enfría.

Como ya hemos dicho, el enfriamiento de agua en una torre tiene su fundamento en el fenómeno de evaporación. La evaporación es el paso de un líquido al estado de vapor y solo se realiza en la superficie libre de un líquido, un ejemplo es la evaporación del agua de los mares.

Componente de una Torre de Enfriamiento.

1. Relleno: Distribuido dentro de la torre suministra el área superficial para la transferencia de masa y calor.

2. Eliminadores de desviación3. Base recolectora del agua fría4. El agua fría es recogida por la base del fondo5. Desviadores del flujo de aire6. Cubierta de redistribución

En torres de flujo cruzado se necesita romper la corriente de agua que baja.

Equipo mecánico

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1. Ventiladores2. Motores

Sistema de distribución del agua:

1. Las torres a contracorriente dispersan el flujo a través de un sistema de distribución de spray a baja presión, desde un sistema de tuberías distribuido a lo largo de toda la torre.

2. Los diseños de flujo cruzado tienen un sistema de distribución del agua caliente por gravedad a través del empaque.

Tipos de Torres de EnfriamientoLas industrias utilizan agua de enfriamiento para varios procesos. Como resultado, existen distintos tipos de torres de enfriamiento. Existen torres de enfriamiento para la producción de agua de proceso que solo se puede utilizar una vez, antes de su descarga, así como torres de enfriamiento de agua que puede reutilizarse en el proceso.

Existen sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados. Cuando un sistema es cerrado, el agua no entra en contacto con el aire de fuera. Como consecuencia la contaminación del agua de las torres de enfriamiento por los contaminantes del aire y microorganismos es insignificante. Además, los microorganismos presentes en las torres de enfriamiento no son eliminados a la atmósfera.

Las torres de enfriamiento se clasifican según la forma de suministro de aire en:

Torres de circulación natural.

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1. Atmosféricas2. Tiro natural

Torres de tiro mecánico.

1. Tiro inducido2. Tiro Forzado

Torres de flujo cruzado.

Torres de Circulación natural.

1. Atmosféricas: El movimiento del aire depende del viento y del efecto aspirante de las boquillas aspersoras. Se usan en pequeñas instalaciones. Depende de los vientos predominantes para el movimiento del aire.

2. Tiro natural: El flujo de aire necesario se obtiene como resultado de la diferencia de densidades, entre el aire más frío del exterior y húmedo del interior de la torre. Utilizan chimeneas de gran altura para lograr el tiro deseado. Debido al inmenso tamaño de estas torres (500 pie alto y 400 pie de diámetro), se utilizan por lo general para flujos de agua por encima de 200000 gpm. Son ampliamente utilizadas en las centrales térmicas.

Influencias Externas sobre el funcionamiento de las Torres.Recirculación:

La recirculación en las torres de enfriamiento se define como una adulteración de la atmósfera de entrada a la torre por la atmósfera de salida de la misma. El efecto de la recirculación se ve en un inesperado aumento de la temperatura de bulbo húmedo del aire que entra a la torre de enfriamiento (por encima de la temperatura de bulbo

húmedo del aire ambiente) , y un correspondiente incremento en la temperatura del agua que sale de la torre.

Restricción del flujo de Aire:

A una determinada carga de calor, un flujo determinado de agua y una temperatura de bulbo húmedo particular la temperatura del agua fría producida por una torre de enfriamiento es totalmente dependiente de la cantidad de aire de entrada. Una disminución en la cantidad de aire y la temperatura del agua se incrementará. Debido a la importancia del flujo de aire, los fabricantes se preocupan en diseñar correctamente los ventiladores y sus motores, puesto que estos son los que mueven el aire contra la presión estática encontrada dentro de la torre.

Viento: Dependiendo de su velocidad y dirección, tiende a incrementar el potencial de la torre de enfriamiento a la recirculación.

No solamente la curvatura creada por el aire de salida en la dirección del flujo del viento, también se crea una zona de baja presión en la cual puede formarse una porción de niebla, si la admisión de aire a la torre esta en esa dirección, entonces puede contaminarse el aire de entrada con esa niebla.

El grado al cual puede afectar la dirección del viento aumenta dependiendo de la relación de la velocidad de descarga de la torre (Vj) respecto a la velocidad del viento (Va)

Interferencia:

Sumideros de calor ubicados cerca de una torre de enfriamiento pueden Interferir con el desempeño térmico de la misma.

Estas interferencias pueden ser causadas por otras instalaciones de la planta u otros equipos. Muchas veces consisten de contribución térmica del efluente de otra torre de enfriamiento cercana

La Carta Psicometrica

El estado del aire atmosferico a una presion especificada se establece por completo mediante dos propiedades intensivas independientes. El resto de las propiedades se calcula facilmente a partir de las relaciones anteriores. El dimensionamiento de un sistema comun de aire acondicionado implica un gran numero de esos calculos. Los datos se presentan en graficas que son faciles de leer. Dichas graficas reciben el nombre de cartas psicometricas, y se utilizan en aplicaciones de acondicionamiento de aire.

Las propriedades de mezclado de aire como el vapor de água pueden ser presentadas de forma gráfica através de las cartas psicrométricas. las cartas psicrométricas son muy usadas en las aplicaciones de acondicionamento de aire.Debe recordar que son necesarias tres propiedades termodinâmicas independentes para describir el estado de una mezcla binária (ex. presión, temperatura e composición de la mezcla).

Para comprender el uso de este tipo de carta, es necesario entender el significado de Psicrometría, que se define como la medición del contenido de humedad del aire. La carta psicrométrica es un diagrama de doble entrada, en el que se relacionan múltiples parámetros referentes a una mezcla de aire húmedo: temperatura, humedad relativa,

humedad absoluta, punto de rocío, entalpía específica o calor total, calor sensible, calor latente y volumen específico del aire.

Esquema de una Carta Psicometrica