Descripción de un método preciso para la determinación del volumen libre de una cámara

Description of a precise method to determine the free volume of a camera

Varias situaciones experimentales requieren el conocimiento del volumen libre de una cámara o recipiente de geometría irregular o que contiene otros elementos. En este trabajo, se describe un método para determinar con precisión el volumen libre de una cámara, sin necesidad de considerar sus características internas, mediante la expansión isotérmica de un gas.

Introducción

Varias situaciones experimentales requieren el conocimiento del volumen libre de una cámara o recipiente de geometría irregular o que contiene otros elementos. Dentro de ellas, particular interés tienen aquellas en las que sistemas gaseosos están involucrados. En un experimento de transferencia de masa en  estado gaseoso, se requiere conocer el valor del volumen del gas; si la medida de la variación de la presión en el recipiente se utiliza para calcular la cantidad de gas transferido. Lo anterior ocurre en las celdas de diafragma, que permiten medir coeficientes de difusión de gases en líquidos [1,2] y en instrumentos de solubilidad de gases en líquidos que utilicen el método de saturación [3], a través del descenso en la presión [2,4,5,6].

En general, existen dos métodos para determinar el volumen de una cámara: por gravimetría [6, 7,8] y por geometría [5]. El primer método que es el más empleado, utiliza un líquido de densidad conocida a la temperatura de trabajo (agua en la mayoría de los casos), que llena completamente la cámara. Conociendo los valores de la densidad, las masas de la cámara vacía y de la cámara con líquido, se calcula el valor del volumen. Esta operación puede presentar algunos inconvenientes cuando hay distintos elementos acoplados internamente como sensores de presión y de  temperatura,  sistemas de agitación, válvulas, diafragmas, etc., ya que no permiten que el líquido la llene completamente, llevando a un error en el valor de la medida. Por otra parte, si se utilizan las dimensiones de la cámara se encuentran más limitaciones aún, porque su aplicación requiere de cámaras con forma regular, y al igual que en la técnica gravimétrica, los distintos elementos que hacen parte de la cámara dificultan la medida precisa de su volumen.

En este artículo se propone un método para calcular el volumen de una cámara sin que éste valor dependa de su geometría, ni de los elementos que contiene en su interior. Para ello se divide la cámara en dos partes mediante una válvula. Si las condiciones no lo permiten, se puede utilizar una cámara externa acoplada. El procedimiento descrito a continuación, fue aplicado en un instrumento de solubilidad de gases en líquidos.

Parte experimental

Materiales

-Baño termostatado a 25,00 ± 0,01 ºC controlado por un circulador Lauda E-100

-Transductor de presión PMP 4030 Druck. Rango absoluto de 0-15 psi, salida de 0 a 10000 ± 1 mV DC

-Voltímetro digital Keithley 182 en modo 4 ½ de resolución

-Balanza Mettler Toledo AT261. Rango 200,0000 ± 0.0001 g

-Balón aforado 50,00 ± 0,05 mL Duran-Schott

-Cámaras en acero inoxidable 316 de volumen desconocido

-Bomba de vacío

-Varillas de vidrio borosilicato 3.3 DURAN de 2 mm de radio por 40 mm de alto