Radio mínimo del cilindro que contiene un gas en el que varía la presión y la temperatura (5926)

, por F_y_Q

25 g de gas metano, $$$ \text{CH}_4$$$, de densidad $$$ 0.656\ \frac{\text{kg}}{\text{m}^3}$$$, están contenidos en un recipiente cilíndrico de 10 cm de altura en condiciones normales de presión y temperatura. Calcula:

a) El radio mínimo necesario para contener el gas sin que varíen ni la presión ni la temperatura.

b ) El radio mínimo si la temperatura asciende 100 K.

c) El radio mínimo si la presión pasa a ser de 600 mm Hg y la temperatura a 75 ºF.

d) Si el radio fuese de 10 cm y se tratara de un proceso isotérmico, el valor de la presión.

P.-S.

En primer lugar, conviertes la masa de metano en moles:

$$$ \require{cancel} 25\ \cancel{\text{g}}\ \text{CH}_4\cdot \dfrac{1\ \text{mol}}{16\ \cancel{\text{g}}} = \color{royalblue}{\bf 1.56\ mol\ CH_4}$$$

a) Al estar en condiciones normales de P y T, puedes aplicar la ley de Avogadro para calcular el volumen de metano:

$$$ \require{cancel} 1.56\ \cancel{\text{mol}}\ \text{CH}_4\cdot \dfrac{22.4\ \text{L}}{1\ \cancel{\text{mol}}} = \color{royalblue}{\bf 34.9\ L\ CH_4}$$$

A partir de este dato, expresado en $$$ \text{cm}^3$$$, puedes determinar el radio del cilindro. El radio del cilindro puede ser expresado a partir de la fórmula del volumen:

$$$ \text{V} = \pi\cdot \text{r}^2\cdot \text{h}\ \to\ \color{forestgreen}{\bf r = \sqrt{\dfrac{V}{\pi\cdot h}}}$$$

Sustituyes y calculas:

$$$ \require{cancel} \text{r} = \sqrt{\dfrac{3.49\cdot 10^4\ \text{cm}\cancelto{2}{^3}}{3.14\cdot 10\ \cancel{\text{cm}}}} = \color{firebrick}{\boxed{\bf 33.3\ cm}}$$$


b) A partir de la ecuación de los gases ideales determinas el volumen del gas en las condiciones dadas:

$$$ \require{cancel} \color{forestgreen}{\bf{V = \dfrac{n\cdot R\cdot T}{P}}} = \dfrac{1.56\ \cancel{\text{mol}}\cdot 0.082\dfrac{\cancel{\text{atm}}\cdot \text{L}}{\cancel{\text{K}}\cdot \cancel{\text{mol}}}\cdot 373\ \cancel{\text{K}}}{1\ \cancel{\text{atm}}} = \color{royalblue}{\bf 47.7\ L}$$$

El cálculo del radio mínimo es análogo al caso anterior:

$$$ \require{cancel} \text{r} = \sqrt{\dfrac{4.77\cdot 10^4\ \text{cm}\cancelto{2}{^3}}{3.14\cdot 10\ \cancel{\text{cm}}}} = \color{firebrick}{\boxed{\bf 39.0\ cm}}$$$


c) Debes expresar la temperatura en kelvin y la presión en atmósferas:

$$$ \color{forestgreen}{\bf{K = \dfrac{^oF - 32}{1.8} + 273}} = \dfrac{75 - 32}{1.8} + 273 = \color{royalblue}{\bf 297\ K}$$$

$$$ \require{cancel} 600\ \cancel{\text{mm Hg}}\cdot \dfrac{1\ \text{atm}}{760\ \cancel{\text{mm Hg}}} = \color{royalblue}{\bf 0.789\ atm}$$$

Ahora calculas el volumen como en el apartado anterior:

$$$ \require{cancel} \color{forestgreen}{\bf{V = \dfrac{n\cdot R\cdot T}{P}}} = \dfrac{1.56\ \cancel{\text{mol}}\cdot 0.082\dfrac{\cancel{\text{atm}}\cdot \text{L}}{\cancel{\text{K}}\cdot \cancel{\text{mol}}}\cdot 297\ \cancel{\text{K}}}{0.789\ \cancel{\text{atm}}} = \color{royalblue}{\bf 48.1\ L}$$$

Ahora haces el cálculo del radio del cilindro:

$$$ \require{cancel} \text{r} = \sqrt{\dfrac{4.81\cdot 10^4\ \text{cm}\cancelto{2}{^3}}{3.14\cdot 10\ \cancel{\text{cm}}}} = \color{firebrick}{\boxed{\bf 39.1\ cm}}$$$


d) Calculas antes el volumen del cilindro con el valor del radio dado:

$$$ \color{forestgreen}{\bf V = \pi\cdot r^2\cdot h} = 3.14\cdot 10^2\ \text{cm}^2\cdot 10\ \text{cm} = \color{royalblue}{\bf 3.14\cdot 10^3\ cm^3}$$$

Despejas la presión de la ecuación de los gases ideales, sustituyes y calculas:

$$$ \require{cancel} \color{forestgreen}{\bf{P = \dfrac{n\cdot R\cdot T}{V}}} = \dfrac{1.56\ \cancel{\text{mol}}\cdot 0.082\ \dfrac{\text{atm}\cdot \cancel{\text{L}}}{\cancel{\text{K}}\cdot \cancel{\text{mol}}}\cdot 273\ \cancel{\text{K}}}{3.14\ \cancel{\text{L}}} = \color{firebrick}{\boxed{\bf 11.1\ atm}}$$$