FACU ACUL LTAD DE INGE INGENIER NIERÍA ÍA QUÍM QUÍMICA ICA Informe DE EL DIABLILLO DE DESCARTES DESCARTES variación DE VOLUMEN VOLUMEN POR EFECTO DE LA TEMPERATURA TEMPERATURA
CÁTEDRA:
TERMODINÁMICA
CAT CATEDRÁTICO. EDRÁTICO.
Ing. Ms. FUENTES FUENTES LOPEZ LOPEZ Walter Walter S.
PRESENTADO POR: MEZA CAMPOSANO, Klns!ann A. SEMESTRE:
" #
%$&UANCA'O( )*+
I.
RESUMEN
Ingeniería química-informe-comportamiento de las variables físicas
El presente trabajo realizado en el laboratorio es acerca del análisis y la observación del comportamiento de las diferentes variables de estado como son las siguientes: la presión, temperatura y el volumen en el experimento trabajado y observado donde se usó una botella contenida de agua fría y esta también contenía un tubo de vidrio colocado boca abajo con volumen de aire. En este laboratorio trabajado se realizaron los experimentos referido al ludión de escartes y el efecto de la presión en su volumen y el movimiento de un cuerpo en una botella de plástico contenida de agua, el cual es muy importante tener en cuenta ya !ue son fenómenos !ue frecuentemente ocurren en nuestros alrededor día a día y no percibimos cómo es !ue funcionan. "or el cual deberíamos tener en cuenta cuando realizamos alg#n experimento sobre las influencias de las variables físicas en sistemas !ue se va estudiar.
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P$%ina &
Ingeniería química-informe-comportamiento de las variables físicas II. •
•
•
III.
OBJETIVOS
$omprobar el principio de "ascal y %r!uímedes.
emostrar !ue los gases se pueden comprimir con facilidad, pero esto en su estado lí!uidos no.
&bservar el comportamiento del ludión de descartes y su efecto referente a la presión.
MARCO TEÓRICO
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Ingeniería química-informe-comportamiento de las variables físicas
'.
"()*$)")& & +E E "%-$%+: En física, el -rn-/ 0e Pasal o le1 0e Pasal, es una ley enunciada por el físico y matemático francés laise "ascal /'0123'0014 !ue se resume en la frase: la presión ejercida sobre un fluido poco compresible en e!uilibrio den"ro de un recipien"e de paredes indeformables se "ransmi"e con i#ual in"ensidad en "odas las direcciones en "odos los pun"os del fluido. ' El principio de "ascal puede comprobarse utilizando una esfera 5ueca, perforada en diferentes lugares y provista de un émbolo. %l llenar la esfera con agua y ejercer presión sobre ella mediante el émbolo, se observa !ue el agua sale por todos los agujeros con la misma velocidad y por lo tanto con la misma presión. 6ambién podemos ver aplicaciones del principio de "ascal en las prensas 5idráulicas, en los elevadores 5idráulicos, en los frenos 5idráulicos y en los puentes 5idráulicos. 7si se aplica una presión a un fluido incompresible /un lí!uido4, la presión se transmite, sin disminución, a través de todo el fluido8 9igura /'4
El funcionamien"o de la prensa $idr%ulica ilus"ra el principio de &ascal.
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P$%ina (
Ingeniería química-informe-comportamiento de las variables físicas
).'. +% "(E*-% )(;<+)$%: +a prensa 5idráulica es una má!uina !ue se basa en el principio de "ascal para transmitir una fuerza. %provec5ando !ue la presión es la misma, una pe!ue=a fuerza sobre una superficie c5ica es e!uivalente a una fuerza grande sobre una superficie también grande, proporcionalmente iguales. +a prensa 5idráulica constituye la aplicación fundamental del principio de "ascal y también un dispositivo !ue permite entender mejor su significado. $onsiste, en esencia, en dos cilindros de diferente sección comunicados entre sí, y cuyo interior está completamente lleno de un lí!uido !ue puede ser agua o aceite. os émbolos de secciones diferentes se ajustan, respectivamente, en cada uno de los dos cilindros, de modo !ue estén en contacto con el lí!uido. $uando sobre el émbolo de menor sección S' se ejerce una fuerza ' ' la presión p' !ue se origina en el lí!uido en contacto con él se transmite íntegramente y de forma casi instantánea a todo el resto del lí!uido. "or el principio de "ascal esta presión será igual a la presión p1 !ue ejerce el fluido en la sección S1, es decir:
con lo !ue las fuerzas serán, siendo, S' > S1:
y por tanto, la relación entre la fuerza resultante en el émbolo grande cuando se aplica una fuerza menor en el émbolo pe!ue=o será tanto mayor cuanto mayor sea la relación entre las secciones:
F 1 S 1
=
F 2 S 2 9igura /14 F 1 , F 2 S 1 , S 2 9uerzas ' y 1. -uperficies ' y 1 de los émbolos. =
=
1.
"()*$)")& E %(?<)@EE-: 6odo cuerpo sumergido total o parcialmente en un lí!uido, está sometido a la acción de una fuerza vertical 5acia arriba aplicada por el lí!uido, denominado
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Ingeniería química-informe-comportamiento de las variables físicas
fuerza de empujeA esta fuerza es la resultante de todas las fuerzas !ue aplica el lí!uido sobre el cuerpo. El valor de esta fuerza es igual al peso del volumen del lí!uido desalojado. 1.'. &-E(B%$)&*E-: +a fuerza de empuje es la resultante de todas las fuerzas !ue aplica el lí!uido sobre el cuerpo. E ρ L .V S •
=
E
=
V S
ónde:
=
ρ L
=
Empuje. "eso específico del lí!uido. Bolumen del cuerpo sumergido.
9igura /24 emostración: E F 2 F 1 P 2 . A P 1 . A =
−
( P 2
=
P 1 ). A
E
=
E
=
ρ .( h2
E
=
ρ .h. A
−
−
−
=
h1 ). A
ρ L .V S
"or el principio fundamental de la 5idrostática:
"ara !ue exista empuje, sobre el cuerpo debe estar actuando por lo menos una fuerza inclinada dirigida 5acia arriba. 9igura /C4 •
•
El empuje act#a siempre en el centro de gravedad del volumen sumergido.
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P$%ina *
Ingeniería química-informe-comportamiento de las variables físicas
9igura /D4
•
2.
En el caso de !ue de un cuerpo esté sumergido total o parcialmente en varios lí!uidos no miscibles, el empuje se obtiene sumando los empujes parciales !ue ejerce cada uno de los lí!uidos. 9igura /04
EL LUDI3N O DIA$LILLO DE DESCARTES: En su versión original fue obra de escartes. El nombre +udión se debe a !ue su propósito era eminentemente l#dico. En una botella llena de agua, se encontraba sumergido un diablillo !ue se movía seg#n se presionase más o menos la botella.
2.+.
E4PLICACI3N DEL FEN3MENO: 6eniendo en cuenta el principio de %r!uímedes todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical 5acia arriba igual al peso del fluido !ue desaloja. En el momento inicial la pajita se encuentra en e!uilibrio ya !ue el empuje del agua iguala a su peso. -eg#n el principio de "ascal un aumento de presión en un punto de un fluido encerrado se transmite a todas los puntos del mismo. $uando apretamos la botella ejercemos una presión !ue se transmite 5asta el tubo !ue contiene agua, 5aciendo !ue se aplaste, con ello su volumen disminuye y el empuje, !ue depende del volumen de la pajita, será menor por eso el ludión se 5unde. %l dejar de apretar y recuperar su volumen vuelve al punto inicial.
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9igura /F4
I(.
A.
&ARTE E)&ERIMENTA*
MATERIALES: •
•
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P$%ina ,
Ingeniería química-informe-comportamiento de las variables físicas
•
$.
PROCEDIMIENTO: +. Para el -r!er e5-er!ent/ /6ser7are!/s el e8et/ 0e P 1 ": •
+lenamos agua fría en un botella de platico 5asta el ras de la boca de la botella, seguido colocamos el tubo de vidrio contenida de agua, aproximadamente la mitad y la otra parte solo !ueda aire.
a. 6apando el tubo con un dedo, lo introducimos boca abajo en la botella y la cerramos con el tapón. Es muy importante tener muc5o cuidado y no agregar agua al tubo más de lo previsto tiene !ue ser la cantidad adecuada, para !ue éste experimento tenga más precisión.
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b. a cerrado la botella tenemos !ue observar !ue el tubo se encuentre en la parte superior de la botella para seguir con nuestros proceso de experimento y listo todo esto procedemos a ejercer lentamente una presión a la botella en este casos cogiendo con las manos. espués observaremos, con muc5o cuidado, lo !ue le ocurre con el tubo de ensayo.
c. "or #ltimo paso observar y sacar nuestras conclusiones con ayuda de conocimientos encontrados en antiguas investigaciones y estudios.
). Para el seg9n0/ e5-er!ent/ /6ser7are!/s el e8et/ 0e T 1 " a. $alentar agua en una terma eléctrica aproximadamente GHIJHK$.
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6. 6apar la botella de plástico en su estado normal y asegurarnos !ue no se encuentre ning#n escape.
. )ntroducir la botella en el agua caliente por un aproximado de 2H segundos luego sacar. &bservar los fenómenos y tomar apuntes.
0. acer lo inverso a lo anterior estando la botella en el agua caliente !uitar la tapa, enseguida retirar y tapara la botella volver a poner en el agua caliente observar todo los sucesos.
ANÁLISIS DE O$SER"ACIONES: •
•
•
%l empezar a apretar el nivel del agua dentro del tubo sube, el aire se comprime fácilmente, pero el volumen del agua de la botella no varía, lo !ue aumenta por un sitio disminuye por otro. El tubo dentro del agua no se cae 5asta el fondo cuando tiene suficiente aire dentro. El aire !ue metemos con el tubo desaloja el agua !ue 5abía y esto produce una fuerza 5acia arriba !ue 5ace flotar al tubo.
+a fuerza !ue sujeta al tubo dentro del agua /!ue la llamaremos empuje4 disminuye al comprimirse el aire dentro del tubo. - ρ aire inicial : Densidad inicial del aire
- ρ aire final
: Densidad final del aire
- Vf , V0
: Volumen final e inicial respectivamente
-m
ρaireinicial =
: masa del aire
m V 0
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P$%ina ..
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ρaire final =
m V f
-iendo la densidad inversamente proporcional al volumen, y V f < V 0 entonces ρaire inicial <ρ aire final A así la densidad de la burbuja de aire llega a diremos !ue la ser muc5o mayor !ue la densidad del agua.
"ara ver el trabajo realizado, y la energía interna para este fenómeno se tiene:
∆ U =Q −W … ( 1)
F = P∗ A … ( 2 ) W =− F dx … ( 3)
∆U
: Variación de ener!a "nterna
#
: $alor en el sistema
%
: &ra'a(o reali)ado
*
: *uer)a aplicada al sistema
,
: rea
+
: +resión
(eemplazamos /14 en /24. V f
∫
W =− P A dx =− P dV =− P ( V f −V 0 ) … ( . ) V 0
-e tiene !ue V f
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P$%ina .&
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"ara el EFECTO T " se tiene la ecuación de Ban er Laals: en nuestro caso
manteniendo el volumen constante.
(
P +
´ − ) = ( ) ´ a
2
V
RT … ( / )
V b
e esta ecuación, se tiene !ue la presión y el volumen son directamente proporcionales a la temperatura/ +V dp & 4. - &0 : &emperatura inicial del sistema - &f : &emperatura inicial del sistema - Vf , V0 :Volumen final e inicial respectivamente - +f , +0 :+resión final e inicial respectivamente
-e tiene !ue la T 0 P0 y la V f > V 0 , para lograr el e!uilibrio de nuestro sistema P0 Patm . ≅
o
%l abrir la tapa de la botella con T f , se rompe el e!uilibrio liberando el aire y generando una Pf < P f . 9igura /'C4. 2
•
+a diferencia de presiones:
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∆ P = P f − P atm= negativa
P$%ina .'
2
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P$%ina .(
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B.
•
•
•
$&*$+<-)&*E-
&bservamos el "rincipio de "ascal, cuando la presión ejercida con las manos se transmite a todos los puntos del lí!uido generando disminución de volumen de aire en el tubo de ensayo peor manteniéndose contantes el volumen de agua.
emostramos el "rincipio de %r!uímedes, viendo !ue el tubo de ensayo, contiene en un parte agua y aire, y la botella de plástico lleno de agua más un presión se experimenta un empuje 5acia abajo. &bservamos y determinamos los modelos matemáticos para el fenómeno del ludión para así analizar algunos fenómenos !ue existen en nuestro entorno y averiguar sus funcionamientos en diferentes casos.
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(I.
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E)$$)N*. E)6. @$M(%L 3 )++ @EO)$& 'JJJ. Porge @endoza . 79Q-)$%, 6eoría y problemas8. Editorial @antaro, a=o 1HH0, páginas: C20ICC'.
5ttp:RRes.SiTipedia.orgRSiTiR"rincipioUdeU"ascal
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5ttp:RRes.SiTipedia.orgRSiTiR"rincipioUdeU"ascalVmediavieSerR9ile:ydraulicU9 orce,UlanguageUneutral.png
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5ttp:RRSSS.acienciasgalilei.comRpublicRforobbRvieStopic.p5pWfXCJYtX21'0 5ttp:RRSSS.mailxmail.comRcursoIiniciacionIfisicaR!ueIflotanIcuerpos. 5ttp:RRibor!uez1.blogspot.comR1H'HRH1RporI!ueIflotanIlosIbarcos.5tml. 5ttp:RRneuro.!i.fcen.uba.arRricutiR*oUmeUsalenR9+<)&-R96Upascal.5tml.
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5ttp:RRSSS.laSebdefisica.comRexperimRdiablilloR
ttp:RRSSS.sc.e5u.esRsbSebRfisicaRfluidosRestaticaRludionRludion.5tm
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