UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA Facultad de ingeniería civil
INFORME DE LABORATORIO I Practica Nº1 De Termodinámica
PRESENTADO POR: Johnny rojas choreque Edgar lazo correa Kevin Gonzales castro
PRESENTADO A: Dr. Gustavo Emilio Moreno Quispe
Sullana 2017
1. INTRODUCCIÓN En el siguiente informe estudiaremos la ley de boyle boyle y la ley de charles. Para ello debemos tener en cuenta los aspectos teóricos de dichas leyes Con la finalidad de entender sus funcionamientos.
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2. Objetivos
Comprobar experimentalmente la ley de Boyle
Comprobar experimentalmente la ley de Charles
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Índice Contenido
1.
INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................2
2.
Objetivos ................................................................................................................................................... 3
3.
Marco Teórico...........................................................................................................................................5 3.1Temperatura .............................................................................................................................................. 5 3.2 Presión ......................................................................................................................................................7 3.3 Volumen ................................................................................................................................................... 9 3.4 Ley de Boyle ..........................................................................................................................................10 3.5 Robert Boyle (1627-1691). .....................................................................................................................12 3.6 Ley de Charles .......................................................................................................................................13 3.7 Jacques Charles (1746-1823) .................................................................................................................15
4.
Procedimiento experimental ..................................................................................................................16
5.
Laboratorio: Sala Boyle ......................................................................................................................... 17
6.
Laboratorio: Sala Charles .....................................................................................................................18
7.
Discusión de resultados ..........................................................................................................................19
8.
Conclusiones ...........................................................................................................................................20
9.
Bibliografía .............................................................................................................................................21
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3. Marco Teórico 3.1 Temperatura Según la teoría cinética, la temperatura es una medida de la energía cinética media de los átomos y moléculas que constituyen un sistema. Dado que la energía cinética depende de la velocidad, podemos decir que la temperatura está relacionada con las velocidades medias de las moléculas del gas. Hay varias escalas para medir la temperatura; las más conocidas y utilizadas son las escalas Celsius (ºC), Kelvin (K) y Fahrenheit (ºF). En este trabajo sólo utilizaremos las dos primeras.
¿Cómo se calibra un termómetro? Mientras se está produciendo un cambio de estado la temperatura permanece constante y por ello consideramos los cambios de estado del agua (a 1 atm) como puntos de referencia.
Punto de fusión del agua: La fase líquida se encuentra en equilibrio con la fase sólida y la temperatura permanece constante. Los valores otorgados a este punto en cada escala son:
Celsius: 0
Kelvin: 273.15
Fahrenheit: 32
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Punto de ebullición del agua: La fase líquida se encuentra en equilibrio con la fase gaseosa y la temperatura permanece constante. Los valores otorgados a este punto en cada escala son:
Celsius: 100
Kelvin: 373.15
Fahrenheit: 212
En el intervalo de temperatura comprendido entre los puntos de fusión y ebullición, el agua permanece líquida. Este intervalo se divide en 100 partes en las escalas Celsius y Kelvin, mientras que en la escala Fahrenheit se divide en 180 partes.
Recuerda: En los cálculos que vamos a realizar en este t rabajo SIEMPRE habrá que expresar la temperatura en kelvin.
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3.2 Presión En Física, llamamos presión a la relación que existe entre una fuerza y la superficie sobre la que se aplica:
Dado que en el Sistema Internacional la unidad de fuerza es el newton (N) y la de superficie es el metro cuadrado (m2), la unidad resultante para la presión es el newton por metro cuadrado (N/m2) que recibe el nombre de pascal (Pa).
Otra unidad muy utilizada para medir la presión, aunque no pertenece al Sistema Internacional, es el milímetro de mercurio (mm Hg) que representa una presión equivalente al peso de una columna de mercurio de 1 mm de altura. Esta unidad está relacionada con la experiencia de Torricelli que encontró, utilizando un barómetro de mercurio, que al nivel del mar la presión atmosférica era equivalente a la ejercida por una columna de m ercurio de 760 mm de altura. En este caso la fuerza se correspondería con el peso (m ⋅g) de la columna de mercurio por lo que
Como la masa puede expresarse como el producto de la densidad por el volumen (m=d ⋅V), si sustituimos será:
y dado que el volumen es el producto de la superficie de la base por la altura (v=S⋅h), tenemos
y simplificando tenemos:
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que nos permite calcular la presión en función de la densidad, la intensidad del campo gravitatorio y la altura de la columna. Sustituyendo los correspondientes valores en la ecuación anterior tenemos que:
Según la teoría cinética, la presión de un gas está relacionada con el número de choques por unidad de tiempo de las moléculas del gas contra las paredes del recipiente. Cuando la presión aumenta quiere decir que el número de choques por unidad de tiempo es mayor. En este trabajo usaremos la atmósfera (atm) y el milímetro de mercurio (mmHg):
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3.3 Volumen El volumen es el espacio que ocupa un sistema. Recuerda que los gases ocupan todo el volumen disponible del recipiente en el que se encuentran. Decir que el volumen de un recipiente que contiene un gas ha cambiado es equivalente a decir que ha cambiado el volumen del gas. En el laboratorio se utilizan frecuentemente jeringuillas como recipientes de volumen variable cuando se quiere experimentar con gases.
Hay muchas unidades para medir el volumen. En este trabajo usaremos el litro (L) y el mililitro (mL) Su equivalencia es: 1L = 1000 mL
Como 1 L es equivalente a 1 dm 3, es decir a 1000 cm 3, tenemos que el mL y el cm 3 son unidades equivalentes.
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3.4 Ley de Boyle Relación entre la presión y el volumen de un gas cuando la temperatura es constante Fue descubierta por Robert Boyle en 1662. Edme Mariotte también llegó a la misma conclusión que Boyle, pero no publicó sus trabajos hasta 1676. Esta es la razón por la que en muchos libros encontramos esta ley con el nombre de Ley de Boyle y Mariotte. La ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante.
El volumen es inversamente proporcional a la presión:
Si la presión aumenta, el volumen disminuye.
Si la presión disminuye, el volumen aumenta.
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¿Por qué ocurre esto? Al aumentar el volumen, las partículas (átomos o moléculas) del gas tardan más en llegar a las paredes del recipiente y por lo tanto chocan menos veces por unidad de tiempo contra ellas. Esto significa que la presión será menor ya que ésta representa la frecuencia de choques del gas contra las paredes.
Cuando disminuye el volumen la distancia que tienen que recorrer las partículas es menor y por tanto se producen más choques en cada unidad de ti empo: aumenta la presión. Lo que Boyle descubrió es que si la cantidad de gas y la temperatura permanecen constantes, el producto de la presión por el volumen siempre tiene el mismo valor.
Como hemos visto, la expresión matemática de esta ley es:
Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V1 que se encuentra a una presión P 1 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V 2, entonces la presión cambiará a P2, y se cumplirá:
que es otra manera de expresar la ley de Boyle.
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3.5 ROBERT BOYLE (1627-1691)
Nacido en 1627, el menor de los catorce hijos del conde de Cork, estudió en las mejores universidades de Europa. Descubrió los indicadores, sustancias que permiten distinguir los ácidos de las bases. En 1659, con la ayuda de Robert Hooke, descubrió la ley que rige el comportamiento de los muelles, perfeccionó la bomba de aire para hacer el vacío que se utilizó en la minería para eliminar el agua de las galerías en las que trabajan los mineros. Atacó a la Alquimia y a los alquimistas, que anunciaban que podían convertir cualquier metal en oro. Definió la Química como una ciencia y enunció la primera definición moderna de elemento químico, como sustancia que no es posible descomponer en otras. En 1661 publicó el primer libro moderno de química El Químico Escéptico en el que explicaba la mayoría de sus descubrimientos. Fue miembro de la Royal Society, institución que perdura en la actualidad, y participó activamente en sus reuniones hasta su fallecimiento. En 1660, en una obra titulada Sobre la Elasticidad del Aire anunció su descubrimiento sobre la relación entre el volumen de un gas y su presión. Parece que Boyle no especific ó en sus trabajos que sus experiencias de la relación entre el volumen y presión los realiza a temperatura constante, quizá porque lo hizo así y lo dió por supuesto. Lo cierto es que, en defensa del rigor científico, hay que esperar a que en 1676 otro físico, el francés Edme Mariotte (1630-1684), encuentre de nuevo los mismos resultados y aclare que la relación PV=constante es sólo válida si se mantiene constante la temperatura. Por eso la ley de Boyle está referenciada en muchas ocasiones como Ley de Boyle y Mariotte.
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3.6 Ley de Charles Relación entre la temperatura y el volumen de un gas cuando la presión es constante En 1787, Jack Charles estudió por primera vez la relación entre el volumen y la temperatura de una muestra de gas a presión constante y observó que cuando se aumentaba la temperatura el volumen del gas también aumentaba y que al enfriar el volumen disminuía.
El volumen es directamente proporcional a la temperatura del gas:
Si la temperatura aumenta, el volumen del gas aumenta.
Si la temperatura del gas disminuye, el volumen disminuye.
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¿Por qué ocurre esto? Cuando aumentamos la temperatura del gas las moléculas se mueven con más rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Esto quiere decir que el número de choques por unidad de tiempo será mayor. Es decir se producirá un aumento (por un instante) de la presión en el interior del recipiente y aumentará el volumen (el émbolo se desplazará hacia arriba hasta que la presión se iguale con la exterior). Lo que Charles descubrió es que si la cantidad de gas y la presión permanecen constantes, el cociente entre el volumen y la temperatura siempre ti ene el mismo valor. Matemáticamente podemos expresarlo así:
(el cociente entre el volumen y la temperatura es constante) Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V 1 que se encuentra a una temperatura T 1 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V 2, entonces la temperatura cambiará a T2, y se cumplirá:
que es otra manera de expresar la ley de Charles. Esta ley se descubre casi ciento cuarenta años después de la de Boyle debido a que cuando Charles la enunció se encontró con el inconveniente de tener que relacionar el volumen con la temperatura Celsius ya que aún no existía la escala absoluta de temperatura.
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3.7 JACQUES CHARLES (1746-1823)
Jacques Alexandre César Charles, químico, físico y aeronauta francés, nació en Beaugency (Loiret) el 2 de noviembre de 1746 y falleció en París el 7 de abril de 1823. Al tener noticias de las experiencias de los hermanos Montgolfier con su globo aerostático propuso la utilización del hidrógeno, que era el gas más ligero que se conocía entonces, como medio más eficiente que el aire para mantener los globos en vuelo. En 1783 construyó los primeros globos de hidrógeno y subió él mismo hasta una altura de unos 2 km, experiencia que supuso la locura por la aeronáutica que se desató en la época. Su descubrimiento más importante fue en realidad un redescubrimiento ya que en 1787 retomó un trabajo anterior de Montons y demostró que los gases se expandían de la misma manera al someterlos a un mismo incremento de temperatura. El paso que avanzó Charles fue que midió con más o menos exactitud el grado de expansión observó que por cada grado centígrado de aumento de la temperatura el volumen del gas aumentaba 1/275 del que tenía a 0°C . Esto significaba que a una temperatura de -275 °C el volumen de un gas sería nulo (según dicha ley) y que no podía alcanzarse una temperatura más baja. Dos generaciones más tarde Kelvin fijó estas ideas desarrollando la escala absoluta de temperaturas y definiendo el concepto de cero absoluto. Charles no público sus experimentos y hacia 1802 Gay-Lussac publicó sus observaciones sobre la relación entre el volumen y la temperatura cuando se mantiene constante la presión por lo que a la ley de Charles también se le llama a veces ley de Charles y Gay-Lussac.
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4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Ley de Boyle
Tenemos una jeringuilla que contiene una cierta cantidad de gas que ocupa un volumen de 35ml a la presión de 1 atm y a una temperatura
que se
mantiene constante.
Cuando movemos el émbolo hacemos que el gas ocupe diferentes volúmenes a
la vez que se ve
sometido a diferentes presiones.
Los
valores
de
volumen
y
presión
que
corresponden a cada medida se va reflejando en la tabla de datos de la experimentación.
Ley de charles
Tenemos un gas que a la temperatura de 298.15k ocupa un volumen de 26 ml.
El gas está encerrado en un depósito de volumen variable, por lo que la presión se mantiene constante.
Cuando variamos la temperatura el gas va ocupando diferentes volúmenes.
Los datos obtenidos de cada proceso van quedando reflejados en la tabla de la experimentación.
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5. LABORATORIO: SALA BOYLE
Resultado de la práctica de boyle
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6. LABORATORIO: SALA CHARLES
Resultado de la práctica de charles
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7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
A medida que la presión sobre el aire disminuía, aumentaba el volumen del aire, con lo cual se comprobó que la presión es inversamente proporcional al volumen para cualquier gas, y cumple la relación PV=K, lo cual representa una constante que se mantiene al variar los valores de presión y volumen de cualquier gas.
Lo que Boyle descubrió es que si la cantidad de gas y la temperatura permanecen constantes, el producto de la presión por el volumen siempre tiene el mismo valor.
Cuando disminuye el volumen la distancia que tienen que recorrer las partículas es menor y por tanto se producen más choques en cada unidad de tiempo: aumenta la presión.
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8. CONCLUSIONES
La temperatura y el número de moles para demostrar la ley de Boyle deben ser constantes.
La presión para demostrar la ley de charle debe ser constante.
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9. BIBLIOGRAFÍA
Paginas http://www.juntadeandalucia.es/averroes/recursos_informaticos/andared02/leyes_gases/ http://www.educaplus.org/gases/gasesreales.html Libros
Química General 7Th edición. pdf, Raymond Chang. Capítulo 5.
Química General 8va edición, Ralph H. Petrucci. Capitulo 6.
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