Informe sobre Práctica virtual de laboratorio: Gases ideales

Centro Universitario de:

Período:

COMAYAGUA

TERCERO

Asignatura:

Código

Sección:

FÍSICA II

FS200

1401

Catedrático:

ING. JUAN CARLOS FIALLOS NOMBRE DEL ESTUDIANTE

NÚMERO DE CUENTA

ÁNGEL MOISÉS GARCÍA ZEPEDA

2011 1900 175

Fecha de realización de la práctica:

MARTES, 6 DE NOVIEMBRE DE 2012 Fecha de entrega del informe sobre la práctica:

VIERNES, 16 DE NOVIEMBRE DE 2012

UNAH CURC — FÍSICA II

INFORME SOBRE PRÁCTICA VIRTUAL DE LABORATORIO: GASES IDEALES

INTRODUCCIÓN En la presente práctica se llevó a cabo, en primer lugar, un estudio sobre las influencias de la presión, temperatura y cantidad de moléculas en un gas ideal y cómo éstas afectan o inciden en el volumen ocupado por dicho gas, auxiliándose de una animación que posibilita cambiar todas los parámetros antes mencionados, exceptuando al volumen. Posteriormente se le explicará más detalladamente la correcta funcionalidad de los applets aquí empleados. En la segunda animación se aplican o analizan los conceptos del Ciclo de Carnot. Este applet permite modificar los valores referentes a cada uno de los cuatro procesos; en este caso, nombrados convenientemente a, b, c y d; respecto a temperaturas, volúmenes y presión. Más adelante se indicarán las unidades de medición utilizadas en cada applet en cuestión y todo lo imprescindible a esto.

OBJETIVOS  Continuación del empleo de simulaciones de computadora, en este caso, applets para desarrollar una mayor comprensión de su importancia y beneficios en el estudio de fenómenos físicos.  Llegar a conocer mejor las influencias individuales y conjuntas de la cantidad de moléculas, la presión y la temperatura en el volumen de un gas ideal.  Dar una demostración visual y gráfica de un ciclo de Carnot y cómo varían los volúmenes, presiones y temperaturas a lo largo de los procesos y cambios dados entre cada uno.

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE HONDURAS

PÁGINA 1 DE 17

CENTRO UNIVERSITARIO REGIONAL DEL CENTRO



MARCO TEÓRICO GAS Estado de agregación de la materia que bajo ciertas condiciones de temperatura y presión permanece como tal. Las moléculas que lo componen casi no son atraídas unas por otras, por lo que se mueven en el vacío a gran velocidad y muy separadas unas de otras, explicando así las características o propiedades:    

Fácilmente compresibles, debido a los espacios vacíos entre unas y otras moléculas Adoptan la forma del recipiente que los contiene. Ocupan por completo el volumen de su recipiente contenedor. Las fuerzas gravitatorias y de atracción entre las moléculas son despreciables.

GAS IDEAL Un gas ideal es un gas teórico conformado por un conjunto de partículas puntuales con desplazamiento aleatorio sin interacción entre sí, es decir, sin atracción ni repulsión entre ellas y cuyos choques son perfectamente elásticos. En condiciones normales tales como condiciones normales de temperatura y presión, la mayoría de los gases reales se comportan en forma cualitativa como un gas ideal, pero los que más se aproximan al comportamiento del gas ideal son los gases monoatómicos en condiciones de baja presión y alta temperatura.

LEY DE LOS GASES IDEALES Esta ley describe el comportamiento de los gases ideales, con las características antes citadas. La teoría atómica de la materia define los estados, o fases, de acuerdo al orden que implican. Las moléculas tienen una cierta libertad de movimientos en el espacio. Estos grados de libertad microscópicos están asociados con el concepto de orden macroscópico. Las moléculas de un sólido están colocadas en una red, y su libertad está restringida a pequeñas vibraciones en torno a los puntos de esa red. En cambio, un gas no tiene un orden espacial macroscópico. Sus moléculas se mueven aleatoriamente, y solo están limitadas por las paredes del recipiente que lo contiene. Para los gases ideales hay una ecuación que describe con claridad y normalmente la relación entre presión, volumen, temperatura y cantidad de materia (en moles):

Donde:  P: Presión absoluta

 V: Volumen

 R: Constante universal de los gases UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE HONDURAS

PÁGINA 2 DE 17

 T: Temperatura absoluta  n: Número de moles de gas CENTRO UNIVERSITARIO REGIONAL DEL CENTRO



TIPOS DE PROCESOS TERMODINÁMICOS Los procesos termodinámicos pueden ser de varios tipos según lo que se mantenga constante:  Proceso adiabático: Aquel en el que no entra ni sale calor del sistema.  Proceso isocórico: El que se efectúa a volumen constante.  Proceso isobárico: El realizado con presión constante.  Proceso isotérmico: El llevado a cabo a temperatura constante.

CICLO DE CARNOT Es un ciclo reversible que se compone de cuatro tramos o procesos: Dos isotérmicos y dos adiabáticos, lo cual significa o implica un transformación entre dos temperaturas. El rendimiento teórico, como ocurre en todas las transformaciones entre dos temperaturas, está dado por la ecuación:


PÁGINA 3 DE 17




DESCRIPCIÓN DE EQUIPO Y MATERIALES A seguir se describe brevemente los materiales requeridos para llevar a cabo esta práctica:

Cualquier calculadora científica. Guía o instructivo para la práctica

Cualquier computador preparado para con acceder a Internet y con Java instalado y actualizado

Hojas de papel en blanco tamaño oficio

Cuadernos de Física con el tema

Además de un lápiz grafito y un borrador.

PROCEDIMIENTO Y DATOS EXPERIMENTALES A continuación se mostrarán los procedimientos y datos recopilados por cada applet, claro que tras dar una explicación sobre los funcionamientos de cada uno donde corresponda.

(Obtendrá más información sobre esto en las próximas páginas…)


PÁGINA 4 DE 17




APPLET 1: INFLUENCIA DE PRESIÓN, VOLUMEN, CANTIDAD DE MOLÉCULAS Y TEMPERATURA EN UN GAS IDEAL ACCESO Y USO DEL APPLET. 1. Ante que todo ingrese a la dirección web: http://perso.wanadoo.es/cpalacio/GasesIdeales2.htm, allí hallará la primera animación donde podrá observar un gas, constituido de una pequeña cantidad de moléculas, con el objetivo de apreciar los desplazamientos de ellas, dentro de un cilindro con un pistón móvil (Izq.), un termómetro, conectado a éste, un recipiente pequeño (Der.) que posibilita el variar la cantidad del gas (amarillo) hacia el interior del cilindro.

2. Las barras de desplazamiento situadas debajo permiten variar temperatura (T), presión (P) y el número de moléculas del gas (N).

3. El pistón del cilindro ascenderá o descenderá según las condiciones que usted fije en las barras de desplazamiento descritas en el paso anterior. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE HONDURAS

PÁGINA 5 DE 17




PROCEDIMIENTO Y DATOS EXPERIMENTALES 1. Empiece con los valores T=50, P=15 y N=30 y fíjese en el movimiento del pistón.

2. Conforme cambian las otras variables y observando atentamente los valores generados por el applet para el volumen, haga un análisis de los procesos que se le dan: a. Proceso isobárico con P=15, modifique la temperatura de acuerdo a la tabla y deje por escrito los volúmenes donde corresponde. TEMPERATURA

VOLUMEN

25

39.5

50

82

75

123

100

162

125

203

150

245

b. Proceso isotérmico con T=50, varíe la presión según lo indicado y registre los volúmenes. PRESIÓN

VOLUMEN

10

122

20

61

30

39

40

30

49

27

c. Cambie la cantidad de gas, primero establezca dicha cantidad en N=15 y luego en N=45, mantenga constantes P y T conforme se le indique, y nuevamente deje registro del volumen para cada caso. TEMPERATURA

60 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE HONDURAS

PRESIÓN

30 PÁGINA 6 DE 17

N

VOLUMEN

15

23

45

75




APPLET 2: CICLO DE CARNOT ACCESO Y USO DEL APPLET. 1. Diríjase al sitio web con enlace: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/carnot/carnot.htm

2. Tómese su tiempo para efectuar el análisis puesto que se cuenta con una significativa cantidad de información sobre variables, más concretamente: a. Las variables utilizadas son P (presión), V (volumen) y T (temperatura) para los procesos nombrados A, B, C y D, siendo algunas manejables y otras ya dadas por los procesos, sus unidades se indican en paréntesis, cuide de considerarlas más adelante, lo necesitará.


PÁGINA 7 DE 17




Estos son los estados anteriormente menciones e indicados por las mayúsculas:

b. Al lado izquierdo de la pantalla del applet se brinda información referente a las variables necesarias para la formulación de la Primera Ley de la Termodinámica. Lo colores para W y Q representan los signos positivos (azul) o negativos (rojo) que manifiestan estas variables dependiendo del proceso del que hagan referencia, además se dan sus valores instantáneos. Aprécielo en la captura de pantalla más a la derecha. c. El diagrama para el ciclo incluye un punto móvil rojo que se desplaza y señala el estado por el cual transita. Este corresponde (como se ve en el diagrama P-V) al movimiento del pistón a la izquierda y a la derecha en el cilindro. d. El gas también es perceptible a través de los puntos de color azul alojados en el interior. Finalmente, es posible seleccionar el tipo de moléculas del gas de trabajo.


PÁGINA 8 DE 17




PROCESAMIENTO DE DATOS Y CÁLCULOS Asimismo como en “Procedimientos y Datos Experimentales” esta parte se mostrará separada según la animación correspondiente.

APPLET 1: INFLUENCIA DE PRESIÓN, VOLUMEN, CANTIDAD DE MOLÉCULAS Y

TEMPERATURA EN UN GAS IDEAL

GRÁFICA “V VS T” PARA EL PROCESO ISOBÁRICO

Explicación del porqué de la forma de la curva obtenida. Ya que es un proceso isobárico, es decir, a presión constante, la recta generada se debe a que la temperatura es directamente proporcional al volumen (T∝V). Este proceso posee seis isotermas, por regla general se dice que conforme éstas se alejan del origen la temperatura ha de aumentar. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE HONDURAS

PÁGINA 9 DE 17




Significado del valor de la pendiente Calcule la pendiente y explique qué significado físico tiene ese valor que calculó P 1.632, al ver con detenimiento la tabla observaremos que conforme la temperatura se incrementa el volumen también, más o menos al doble, lo cual tiene por significado que la temperatura es Aprox. doblemente proporcional al volumen (T=∝2V).

GRÁFICA “P VS V” PARA EL PROCESO ISOTÉRMICO

Explicación del porqué de la curva obtenida La anterior curva es una isoterma debo a que la temperatura se mantiene constante durante el proceso. Posee esa forma ya que es una función racional y a la vez exponencial, tiene tanto asíntota horizontal como vertical.


PÁGINA 10 DE 17




GRÁFICA “P VS V-1”

Explicación del porqué de la curva obtenida La pendiente es Aprox. 0.00076320618, al fijarnos en la gráfica y discernir los valores conseguidos notaremos un aumento en el volumen cuando la presión disminuye. Lo cual quiere decir que el volumen es inversamente proporcional a la presión y viceversa.

CÁLCULOS DE VOLUMEN PARA CADA UNO DE LOS PROCESOS (A, B Y C) Y COMPARACIÓN CON LOS DATOS OBTENIDOS EXPERIMENTALMENTE. a. Proceso isobárico con P=15 TEMPERATURA

VOLUMEN (APPLET)

VOLUMEN (TEÓRICO)

25 50 75 100 125 150

39.5 82 123 162 203 245

41 82 123 164 205 246


PÁGINA 11 DE 17




b. Proceso isotérmico con T=50 PRESIÓN

VOLUMEN (APPLET)

VOLUMEN (TEÓRICO)

10

122

121

20

61

62

30

39

40

40

30

31

49

27

25

c. Cambie la cantidad de gas, primero establezca dicha cantidad en N=15 y luego en N=45 TEMPERATURA

PRESIÓN

60

30

N

VOLUMEN (APPLET)

VOLUMEN (TEÓRICO)

15

23

24

45

75

74

Explicación del porqué de lo ocurrido con los valores del volumen Las diferencias se quizás se deben a errores de aproximación ya sean originados por la calculadora o de la animación y al hecho de que los volúmenes anotados más bien son promedio de una cantidad desigual de distintos volúmenes, que tenían ligeras variaciones conforme se daban los procesos. Lo anterior se puede resumir en el volumen no es estable, sufre ligeros cambios.


PÁGINA 12 DE 17




APPLET 2: CICLO DE CARNOT

ANÁLISIS DEL CICLO UTILIZANDO LOS VALORES INICIALES QUE YA PRESENTA EL APPLET En el proceso AB la temperatura se mantiene constante, puesto que es isotérmico, la disminución de ésta inicia de B a C, lo cual indica que la temperatura mayor es la del foco caliente en lugar de ser la del foco frío, lo cual sí debería ocurrir. Al ser una compresión a igual temperatura o isotérmica, es imposible variar manualmente el volumen de C y D, lo que lleva a que el volumen se reduzca desde C hasta D. Únicamente nos está permitido cambiar el valor de la presión A, lo que significa que podemos nada más variar los puntos de partida y final del ciclo, el resto de variables y sus valores son generados por el applet sin necesitar nuestra intervención directa.

CONSTRUCCIÓN DE DOS CICLOS CON UNA EFICIENCIA DEL 18% Primer ciclo

(

)

(

)(

)

Segundo ciclo

(

)

(


)(

)

PÁGINA 13 DE 17




Datos del applet Con los datos anteriores:

ESTADOS

TEMPERATURA (K)

VOLUMEN (L)

PRESIÓN (ATM)

A

450

3

101.137

B

450

9

33.712333

C

369

12.120533

20.526903

D

369

4.0401777

61.580710

RESPUESTAS Y CÁLCULOS PARA ALGUNAS DE LAS INTERROGANTES DEL CUESTIONARIO

Razones por las cuales los valores de P, V y T, únicamente en los estados que pide el applet y no en todos, son más que necesarios y número de moles hacia el interior del cilindro La principal razón es porque se puede hacer uso de las fórmulas de (

)(

(

⁄

para cada uno de los procesos. Y

) )(

)

Demostración mediante la primera ley de la termodinámica de porqué se absorbe calor en el proceso A→B y porqué se desprende en C→D

Proceso A→B ( )

(

)(

⁄

)(

)

Calor absorbido UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE HONDURAS

PÁGINA 14 DE 17




Proceso C→D

(

)

(

⁄

)(

Calor cedido o perdido

)(

)

(

)

.

Elección de un gas monoatómico o diatómico y su influencia El hecho de si el gas está compuesto de moléculas de un solo átomo o dos no ejerce influencia en los valores obtenidos puesto que el applet sea asegura de cambiar los valores de la compresión a igual temperatura de modo que los resultados y datos ingresados sean iguales.

¿Tal como se realiza el ciclo es de una máquina térmica o de un refrigerador? Respecto al trabajo neto, ¿en qué difiere uno del otro? El ciclo tal como se realiza pertenece a una máquina térmica no a un refrigerador. El trabajo W con una diferencia de temperatura ΔT = 400 K tiende, o se acerca mucho, o se aproxima a ser la octava parte del trabajo neto.


PÁGINA 15 DE 17




DISCUSIÓN GENERAL  A varias de las instrucciones descritas en el material del laboratorio les faltaron claridad y más detalles, en algunas no se sabía exactamente lo buscado o pedido.  En la animación de gases ideales, la diferencia entre datos teóricos y datos prácticos o del simulador fue bastante pequeña, pero para que eso sea así es requerido ver las variaciones del volumen durante un tiempo y buscar el valor más pequeño y el más grande, luego sacarle el promedio de ambos y ese dato se anota en las tablas correspondientes.  No hubo problemas respecto a las condiciones de la práctica, es decir, al ser ésta virtual, se eliminan muchos otros factores que podían haber creado más variaciones. El hecho de realizarse por simulación facilita el controlar mejor las condiciones del experimento y los resultados.  Pudo haber sido útil una explicación general previa a la realización de los experimentos, quizás con ella el tiempo se habría aprovechado mucho mejor y las dudas habrían sido menos.

CONCLUSIONES  A pesar de que en un proceso termodinámico para un gas ideal, alguna de sus variables, sea ésta presión, temperatura o cantidad de moléculas, sea constante, el volumen no se mantiene exactamente constante, en todo tiempo varía ligeramente producto del movimiento aleatorio de las moléculas y sus efectos.  Las animaciones por ordenador facilitan la realización de experimentos y el estudio de diversos fenómenos, puesto que son más económicos y fáciles de montar, y además, los errores en cierta forma son más predecibles.  Es interesante cómo en los gases ideales los cambios en las variables y relaciones de proporcionalidad entre algunas de ellas pueden representarse bastante bien con funciones matemáticas.  Un determinado valor para la eficiencia no está confinado a un único ciclo de Carnot, es decir, existe la posibilidad de hallar distintos ciclos con la misma o muy cercana eficiencia. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE HONDURAS

PÁGINA 16 DE 17




BIBLIOGRAFÍA SITIOS WEB     

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/carnot/carnot.htm http://perso.wanadoo.es/cpalacio/GasesIdeales2.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_los_gases_ideales http://es.wikipedia.org/wiki/Gas_ideal http://es.wikipedia.org/wiki/Gas

LIBROS  FÍSICA UNIVERSITARIA, 12ª EDICIÓN de Francis W. Sears, Roger A. Freedman, Hugh D. Young y Mark W. Zemansky

OTRAS FUENTES  MICROSOFT STUDENT ENCARTA 2009, enciclopedia de consulta


PÁGINA 17 DE 17


Informe sobre Práctica virtual de laboratorio: Gases ideales

Recommend Documents