Miscela Gassosa. Esercizio.

Antonio_80
Una miscela gassosa ha la seguente composizione volumetrica:
$H_2 = 10.0%; CO= 35.0%; N_2 = 55.0%$
Calcolare:
1) La pressione parziale di ciascun gas quando la pressione totale è di $760mm_(Hg)$
2) La densità del gas in condizioni standard ($0^oC$ ed $1.00 a t m$)
3) La composizione massica.
4) Le variazioni specifiche di entalpia, energia interna ed entropia della miscela al passaggio dalle condizioni standard alle condizioni di $3.00 a t m$ e $100^oC$ nell'ipotesi di comportamento piucchepperfetto.


Punto 1)

Le percentuali degli elementi, possono essere considerati come lo stesso quantitativo in grammi, quindi:

$H_2 = 10.0% = 10.0 g$
$CO= 35.0%= 35.0 g$
$N_2 = 55.0% = 55.0 g$

Massa totale della miscela: $10.0 + 35.0 + 55.0= 100 g$ le moli totali sono $5 + 1.25 + 1.96= 8.21mol$, quindi il volume $V$ sarà:
$V= (nRT)/(P)= (8.21 * 0.082 * 273.15)/(1 atm)= 183.89 l$

Le moli dei singoli saranno:

$H_2 = (10.0 g)/(2.0g/(mol))= 5 mol$

$CO= (35.0 g)/((12.01+16.00)g/(mol))= 1.25 mol$

$N_2 = (55.0 g)/(28.0g/(mol))=1.96 mol$

In condizioni standard, si hanno le seguenti grandezze termodinamiche:

$T = 273.15 K$
$P= 1 atm = 760 t o r r $( che sono $760mm Hg$)
$V= 22.414 l/(mol)= 0.022414(m^3)/(mol)$
$R = 0.082 (l * atm)/(mol * K)$

Per calcolare le pressioni parziali, si utilizza la Legge di Dalton, dove afferma che la pressione totale della miscela gassosa è data dalla somma delle singole pressioni parziali, quindi:

$P_(T o t) = p_1 + p_2 + p_3$

$p_1 = (n_1 RT)/(V) = (5 * 0.082*273.15)/(183.89)= 0.60 atm$ (di $H_2$)

$p_2 = (n_2 RT)/(V)= (1.25 * 0.082*273.15)/(183.89)= 0.15 atm $(di $CO$)

$p_3 = (n_3 RT)/(V)= (1.96 * 0.082*273.15)/(183.89)= 0.23 atm$ (di $N_2$)


Punto 2)

Calcolo la densità:
$d= (m)/(V) = (100g)/(183.89 l) = 0.54 g/l$

Punto 3)
La concentrazione massica (chiamata anche concentrazione mista) è il rapporto tra la massa del soluto ed il volume della soluzione. Costituisce una delle diverse grandezze per la concentrazione di una soluzione o l'entità della presenza di un elemento in una sostanza.
La formula è:
$alpha_i = (m_i)/(V)$

Quindi per ogni elemento della miscela sarà:

$alpha_(H_2)= (10g)/(183.89 l) = 0.05 g/l$ (di $H_2$)
$alpha_(CO)= (35g)/(183.89 l) = 0.19 g/l$ (di $CO$)
$alpha_(N_2)= (55.0g)/(183.89 l) = 0.29 g/l$ (di $N_2$)

Qualcuno potrebbe per favore darmi conferma se ho fatto tutto bene per questo primi punti :?:

Risposte
professorkappa
Ahahha. Qui ti volevo!!!!! Ora sono a pranzo, poi ti spiego. Il risultato e' corretto.
Non noti niente altro? Guarda bene!

Antonio_80
Ti do un buon Appetito!
Sinceramente non noto niente altro! :roll:
Aspetto te per i chiarimenti! :smt023

professorkappa
Ok, cominciamo a dire subito una cosa. In questo esercizio, la temperatura non influisce sul risultato.
Qualunque temperatura metti, le pressioni parziali rimangono le stesse. Lo hai visto a 273 o a 500K e vedrai che sara' lo stesso a 1000 o 938 o a 121.333343 K.

Perche? Perche data la pressione e scelta arbitrariamente la temperatura, quando aumenta il numeratore, aumenta con la stessa ragione il denominatore.

Quindi, ovviamente, da qualche parte fai un passaggio corretto, ma non necessario ai fini della risoluzione. Il passaggio corretto, ma ridondante (ed arbitrario) e' il calcolo del Volume della miscela. Il conto e' corretto, ma inutile.

Per la definizione di pressione parziale di un gas all'interno di una miscela, basta ricordare che se P e' la pressione totale della miscela, $p_i$ la pressione del gas "$i$", N il numero di moli della miscela e $n_i$ il numero di moli del i-esimo gas, risulta

$p_i=n_i/N\cdotP$

Ma da qualche parte in questo thread, mi pare di averti gia' scritto (e se non l'ho fatto, lo faccio ora), che in un gas numero di moli e volume sono, parita' di tutte le altre condizioni, proporzionali. Quindi puoi scrivere

$n_i/N=v_i/V$.

Quindi la pressione parziale si puo' scrivere, con scrittura alternativa, $p_i=v_i/V\cdotP$.

Ma quel rapporto di volumi ti viene dato dal testo! Il testo ti da che la composizione in volume di ogni gas componente, cioe' ti dice direttamente il valore $v_i/V$.

Siccome il testo ti da una pressione totale di un'atmosfera, la pressione parziale di idrogeno (10% in volume) sara' 0.1 atm, quella del CO (presente al 35% in volume) sara' 0.35 atm e ovviamente l' N2, presente al 55% avra' 0.55atm.

Se la pressione della miscela fosse stata 3 bar, le pressioni sarebbero semplicemente

0.3 bar (3 x 0.1)
1.05 bar (3 x .35)
1.65 bar (3 x .55)

Fine del calcolo delle pressioni parziali.
Bada bene che questo ragionamento vale solo con le moli, non con i kg di gas, perche i kg e le moli variano a seconda della densita, che in un gas dipende dalla pressione e dalla temperatura. Quindi se la composizione fosse massica (kg di ogni gas presente riferiti ai kg di mix in percentuale), NON puoi usare quelle percentuali per il calcolo diretto delle pressioni parziali, devi convertirle in moli.

Ci siamo?

Antonio_80
E si che adesso ci siamo! Sei stato chiarissimo e ti ringrazio!
Penso che adesso possiamo proseguire con gli altri punti e allora ecco la soluzione del punto 2)

Punto 2)

Calcolo la densità della miscela.
Sapendo che la densità è data dalla formula $d= m/V$ allora sarà:

$d= (25.4 g)/(22.39l) = 1.13 g/l$

Punto 3)
La composizione massica l'abbiamo calcolata nella prima pagina del thread ed è:


Una mole di $H_2$ sono $2.00g$ quindi
$2.00 g * (10)/(100) = 0.2g$ di $H_2$

Una mole di $CO$ sono $28.01g$ quindi
$28.01 g * (35)/(100) = 9.80g$ di $CO$

Una mole di $N_2$ sono $28g$ quindi
$28 * (55)/(100) = 15.4 g $ di $N_2$

Dici che va tutto bene per questi punti 2) e 3) :?:

professorkappa
Si. A rigore, per il punto 3 dovresti esprimere le percentuali in peso, quella e' la composizione massica. Quelle che dai tu sono valori assoluti, validi per unita di massa totale che pero' tu non conosci (il testo non te lo dice), quindi dovresti esprimere tutto in percentuale.

Antonio_80
Quindi per il punto 3) esprimo tutti i componenti in percentuale ed ho che:

$25.4g : 100 = 0.2g : x -> x= 0.78%$ di $H_2$

$25.4g : 100 = 9.80g : x -> x= 38.58%$ di $CO$

$25.4g : 100 = 15.4g : x -> x= 60.62%$ di $N_2$

Va bene adesso il punto 3) :?:

professorkappa
Si

Antonio_80
Bene, allora adesso possiamo ragionare sul punto 4)!

Punto 4)
Io so che le formule dell'energia interna specifica è:

$u_2 - u_1 = c_v (t_2 - t_1)$

che la formula dell'entalpia specifica è:

$h_2 - h_1 = c_p(t_2 - t_1)$

che la formula dell'entropia specifica è:

$s_2 - s_1 = c_v ln((T_2)/(T_1))- R ln((p_2)/(p_1))$

e la stessa potrà essere anche in funzione delle pressioni e dei volumi, cioè:

$s_2 - s_1 = c_v ln((p_2)/(p_1))- R ln((v_2)/(v_1))$

Con questi informazioni, come posso risolvere la quarta domanda :?:
Il mio problema non è tanto sapere le formule in quanto come vedete le ho scritte e sono queste, ma il mio problema è sapere quale $c_v$ e $ c_p$ devo utilizzare :?:
Se fosse una sostanza tabellata, dalla letteratura tecnica saprei quale valore di $c_v$ prendere, ma questa miscela che viene detta nella traccia, io non so nemmeno come si chiama :?:
COme devo fare :?:

professorkappa
E' una miscela di gas biatomici.
Per i gas biatomici, $C_v=3/2R, C_p=7/2R$

Le unita' vengono fuori a seconda di quelle adottate per R

Antonio_80
"professorkappa":
E' una miscela di gas biatomici.
Per i gas biatomici, $C_v=3/2R, C_p=7/2R$


Ma dove hai trovate quei parametri $C_v$ e $C_p$ :?:
Non li ho mai visti prima d'ora!
Puoi dirmi cosa devo cercare per trovarli :?:
Il mio testo ancora non me li ha menzionati! :shock:

Solo adesso che me ne hai parlato ho trovato qualcosa in rete, ecco il link:
https://www.google.it/url?sa=t&rct=j&q= ... 15d4YHBV2w

professorkappa
Sono 2 regolette base dei gas perfetti. Dubito che tu non li abbia fatto se hai gia fatto tutta la parte relativa a entropia, energia interna ed entalpia. Le hai passate da diverse pagine.

Antonio_80
"professorkappa":
E' una miscela di gas biatomici.
Per i gas biatomici, $C_v=3/2R, C_p=7/2R$

Le unita' vengono fuori a seconda di quelle adottate per R

Allora uso la $R = 0.082(l * atm)/(mol*K)$ ed ho:

$C_v=3/2R = 3/2 * 0.082 = 0.123 (l * atm)/(mol*K)$

$C_p=7/2 R = 7/2 * 0.082 = 0.287 (l * atm)/(mol*K)$

Vanno bene i valori di $C_v$ ed $C_p$ per i gas biatomici :?:

In condizioni standard, si hanno le seguenti grandezze termodinamiche:

$T = 273.15 K$
$P= 1 atm = 760 t o r r $( che sono $760mm Hg$)
$V= 22.414 l/(mol)= 0.022414(m^3)/(mol)$
$R = 0.082 (l * atm)/(mol * K)$

Queste condizioni standard sono le condizioni di partenza, mentre le condizioni di arrivo sono a pressione di $3.00 atm$ e temperatura di $100^oC$, e dato che si deve scegliere di usare il $C_v$ oppure il $C_p$, siccome c'è un'aumento di temperatura e di pressione, quale devo utilizzare :?:
E' corretto utilizzare il $C_v$ :?:


Ecco le formule che dovrei usare:


professorkappa
Scusa errore, il per i biatomici $c_v=5/2R$, non $3/2$.

Ti conviene usare come unita' di misura per R quelle del sistema internazionale.
In quel modo ottieni direttamente $J/[kg]$ per energia ed entalpia e $J/[kg\cdotK]$ per l'entropia.

Non capisco il senso della domanda, ma comunque l'ultima formula della entropia non e' corretta, il CV in quelle formule e' associato sempre al rapporto di temperature, non al rapporto di pressioni come hai scritto tu al primo addendo del secondo membro

Antonio_80
Ok, per la costante, ma alla fine poi converto tutto in sistema internazionale!
Allora uso la $R = 0.082(l * atm)/(mol*K)$ ed ho:

$C_v=5/2R = 5/2 * 0.082 = 0.205 (l * atm)/(mol*K)$

$C_p=7/2 R = 7/2 * 0.082 = 0.287 (l * atm)/(mol*K)$

In condizioni standard, si hanno le seguenti grandezze termodinamiche:

$T = 273.15 K$
$P= 1 atm = 760 t o r r $( che sono $760mm Hg$)
$V= 22.414 l/(mol)= 0.022414(m^3)/(mol)$
$R = 0.082 (l * atm)/(mol * K)$

Queste condizioni standard sono le condizioni di partenza, la miscela viene poi portata le condizioni in cui si ha pressione di $3.00 atm$ e temperatura di $100^oC$.

Formula dell'energia interna specifica è:

$u_2 - u_1 = c_v (t_2 - t_1)$

$Delta u = 0.205 (l * atm)/(mol*K)*(373.15K - 273.15K) = 20.5 (l * atm)/(mol)$

Formula dell'entalpia specifica è:

$h_2 - h_1 = c_p(t_2 - t_1)$

$Delta h = 0.287 (l * atm)/(mol*K) *(373.15K - 273.15K) = 28.7 (l * atm)/(mol)$

Formula dell'entropia specifica è:


$s_2 - s_1 = c_v ln((T_2)/(T_1))- R ln((p_2)/(p_1))$

$Delta s = 0.205 (l * atm)/(mol*K) *ln((373.15K)/(273.15K))- R ln((3.00 atm)/(1 atm)) = -0.02 (l * atm)/(mol) $

Ma cosa vuol dire in questo caso che l'entropia è negativa :?:
Se non erro quando il $Delta S <0$ vuol dire che trasformazione avviene spontaneamente, dici che in questo caso è possibile una cosa del genere :?:


Anche se non capisco perchè il mio testo scrive la seguente formula che come dici tu non ha senso quel secondo addendo ....:?:

$s_2 - s_1 = c_v ln((p_2)/(p_1))- R ln((v_2)/(v_1))$

Dici che i calcoli che ho fatto sono corretti :?:

professorkappa
Le formule per l'entropia sono

$ \DeltaS=c_vln(T_2/T_1)+Rln(v_2/v_1) $

Oppure

$ \DeltaS=c_pln(T_2/T_1)-Rln(p_2/p_1) $

Non so da dove pigli le tue formule, ma mi sembrano scorrette.

La R non e' la costante universale del gas, ma la R della miscela.

Ti ripeto che ti conviene utilizzare le unita di misura del SI per R cioe i $ J/[kg\cdotK $ Altrimenti ti perdi,

USa sempre le unita del SI quando puoi.

Prova a rifare e vedrai che ti viene positiva. Non ti puo venire entropia minore di zero se c'e' un aumento di temperatura.

Antonio_80
Perfetto, allora sara' un altro errore di battitura del testo, ti ringrazio per avermelo detto cosi' apporto la correzione!
Rifaccio i calcoli e poi ti faccio sapere cosa viene fuori! :smt023

professorkappa
Le formule sono quasi certo, sono quelle che ti ho dato.
Pero mi sa che la variazione di entropia puo' essere negativa, a causa di quel segno meno.

Ci devo pensare, puo essere che hai fatto i conti giusti, come ti ho detto sono piuttosto arrugginito

professorkappa
E' giusto che sia negativa!
Se fosse una compressione adiabatica, la $\DeltaS$ sarebbe nulla.
Compressioni a "sinistra" dell'adiabatica, cioe' che avvengono tra l'adiabatica e la isobara (ovviamente partendo dalle stesse condizioni di pressione e temperatura) hanno tutte $\DeltaS<0$.
In parole povere Il calore sottratto per realizzarle "pesa" piu dell'aumento di temperatura dovuto alla compressione e il disordine diminuisce.
Al contrario, compressioni a destra della compressione adiabatica fino alla isovolumica, riportano tutte $\DeltaS>0$, perche fornisci calore e quindi aumenti l'entropia.

La testa, la testa....

Antonio_80
Ok, adesso e' tutto chiaro!
:smt023
E continuo a dire che e' piacevole discutere questi concetti con te! Un esercizio risolto con te, non e' un esercizio finalizzato solo a risolverlo, bensi' a rivedere tanti altri concetti, questo fa del tuo modo di lavorare su un esercizio, uno dei migliori metodi!
Ti ringrazio!

Antonio_80
"professorkappa":
La R non e' la costante universale del gas, ma la R della miscela.

Ok, ma io da dove lo prendo questo valore di $R$ :?:
La traccia non me lo da e non so nemmeno di che miscela si tratta :!: :?:

Ho trovato qualcosa al senguente link:
http://pcfarina.eng.unipr.it/Dispense01 ... 131880.htm

Precisamente dove si tratta "Esempio dell'aria".
Anche il mio testo ne parla ovviamente ma è spiegata meglio sul link che ti ho inviato! :smt023

Adesso calcolo la $R$ della miscela e rifaccio i calcoli!

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