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PRÁCTICA DE LABORATORIO Nº 03 TERMODINAMICA. GASES IDEALES. 1. OBJETIVOS 1) 2) 3) 4) 5) 6)
Cubrir los principios básicos de la termodinámica Desarrollar un aprendizaje intuitivo de la termodinamica en los estudiantes Verificar la Ley de Boyle de los gases ideales. Determinar el trabajo realizado sobre el sistema en un proceso isotérmico. Calcular el número de moles de una cantidad de aire. Ser capaz de configurar e implementar equipos para toma de datos experimentales y realizar un análisis gráfico utilizando como herramienta el software Data Studio. 7) Utilizar el software PASCO CapstoneTM para verificación de parámetros estadísticos respecto a la información registrada.
2. MATERIALES -
Computadora personal con programa PASCO CapstoneTM instalado Interfase USB Link (2) Sensor de presión absoluta Sensor de temperatura Jeringa
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3. FUNDAMENTO TEÓRICO
La termodinámica La base de la termodinámica es todo aquello que tiene relación con el paso de la energía, un fenómeno capaz de provocar movimiento en diversos cuerpos. La primera ley de la termodinámica, que se conoce como el principio de conservación de la energía, señala que, si un sistema hace un intercambio de calor con otro, su propia energía interna se transformará. El calor, en este sentido, constituye la energía que un sistema tiene que permutar si necesita compensar los contrastes surgidos al comparar el esfuerzo y la energía interior. La segunda ley de la termodinámica supone distintas restricciones para las transferencias de energía que, en hipótesis, podrían llevarse a cabo si se tiene en cuenta la primera ley. El segundo principio sirve como regulador de la dirección en la que se llevan a cabo los procesos termodinámicos e impone la imposibilidad de que se desarrollen en sentido opuesto. Cabe destacar que esta segunda ley se respalda en la entropía, una magnitud física encargada de medir la cantidad energía inservible para generar trabajo. La tercera ley contemplada por la termodinámica, por último, destaca que no es posible lograr una marca térmica que llegue al cero absoluto a través de una cantidad finita de procedimientos físicos. Entre los procesos termodinámicos, se destacan los isotérmicos (no cambia la temperatura), los isócoros (no cambia el volumen), los isobáricos (no cambia la presión) y los adiabáticos (no hay transferencia de calor). Lee todo en: Definición de termodinámica - Qué es, Concepto http://definicion.de/termodinamica/#ixzz3m6CqDfg7
Significado
y
Gases ideales Reciben este nombre los gases que se encuentran muy expansionados (enrarecidos), es decir que posean muy poca densidad y ejerzan poca presión. En otras palabras es un gas en el cual las interacciones entre las moléculas son despreciables y esto ocurre cuando la separación promedio de las moléculas sea mucho mayor que el tamaño de los átomos y esto hace que las moléculas interactúen muy poco con las demás. La necesidad de estudiar los gases ideales se explica porque los gases son fluidos ampliamente utilizados en una gran variedad de sistemas como son los compresores y las turbinas a gas.
La ecuación de estado del gas ideal:
PV = RTn Donde P: Presión del gas V: Volumen ocupado por el gas en el recipiente que lo contiene n: Numero de moles R: Constante Universal de los gases T: Temperatura absoluta en Kelvin 26
(1)
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Con valores de:
Robert Boyle hizo estudios sobre gases ideales mantenidos a temperatura constante (proceso isotermo) y obtuvo la ley que lleva su nombre.
PV = cte
(2)
De la cual podemos afirmar la dependencia de P vs 1/V o una V vs 1/P es lineal y la grafica son rectas que pasan por el origen. Las pendientes de las rectas dependen de la temperatura y se determinan de la ley del gas ideal. Existen otras escalas de temperaturas además de la Celsius y la Kelvin como la Fahrenheit y la Rankine. Es únicamente cuando usamos la escala de Kelvin que obtenemos la proporcionalidad entre volúmenes y temperatura, la demás escalas solo dan una dependencia lineal. El hecho de que todas las graficas de presión vs temperatura para gases ideales eran rectas cortando el eje temperatura en el mismo punto (-273.15 ºC) llevo a la idea del cero absoluto de temperatura y la escala de Kelvin. Ojo: La diferencia entre proporcional y linealmente independiente es que una grafica de dos variables proporcionales es una recta que pasa por el origen de coordenadas, mientras que dos variables con dependencia lineal la grafica una recta con un punto de intersección diferente de cero.
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4. PROCEDIMIENTO 4.1 Experiencia de la ley de Boyle. Ingrese al programa PASCO CapstoneTM, haga clic sobre el icono tabla y gráfica y seguidamente reconocerá el sensor de temperatura previamente insertado a la interfase 850 Interface. Seguidamente procedemos a configurar dicho sensor, para lo cual hacemos doble clic sobre el icono CONFIGURACION y configuramos el de temperatura para que registre un periodo de muestreo de 10 Hz en K. Luego presione el icono del SENSOR DE TEMPERATURA luego seleccione numérico y cambie a 2 cifras después de la coma decimal, según datos proporcionados por el fabricante el sensor mide en el rango de -35 ºC a 135 ºC con un paso de 0.01 ºC. Una vez calibrado el sensor arrastramos el icono Gráfico sobre el icono sensor de temperatura y seleccionamos la gráfica temperatura vs tiempo, luego determina la temperatura ambiental T0 del laboratorio, para lo cual mide durante 30 segundos con el sensor de temperatura en el aire y luego calcula el promedio. Una vez anotado este dato borramos la grafica y la medición de nuestros datos. Retire el sensor de temperatura. Ahora insertamos el sensor de presión absoluta. Entramos al icono CONFIGURACION luego seleccione velocidad de muestreo a 10 Hz, luego vaya a opciones y en muestreo manual seleccione conservar valores de datos solo si se solicita. Renombre la medida a tomar como volumen y las unidades en mL, según como lo puede ver en la figura 4.1
Figura. 4.1. Configuración del sensor. 28
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Al empezar la grabación de los datos aparecerá una ventana en la cual deberá poner el valor del volumen y así en cada valor que selecciones entre 60 mL y 25 mL, el sistema grabará solo en el momento que se acepte el valor. Para finalizar la grabación se seleccionará e icono de color rojo al costado del icono CONSERVAR . Grabe con un paso de 5 mL, empezando de 60 mL.
Asegúrese que no existan fugas en las conexiones, de eso depende los resultados de su experimento.
Figura. 4.2. Montaje experimental. Obtenga la grafica de presión en función del volumen (grafica 1), Posteriormente defina la variable Inversa del volumen en la calculadora, luego levante un gráfico de presión absoluta (kPa) vs inversa del volumen (1/mL) (grafica 2). Asegúrese de hacer el correcto montaje como el de la figura 4.3.
Figura. 4.3. Curvas obtenidas en el experimento. Para dar validez a los datos obtenidos de la segunda grafica se aplicará el ajuste lineal y se debe tener el valor de 0.999 ó 1.000 en el coeficiente de correlación.
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4.2 Determinación del trabajo en un proceso isotérmico. Use el grafico 1 para determinar el área debajo de la curva la cual representa el trabajo realizado sobre el aire contenido dentro de la jeringa.
Datos obtenidos:
77,2×10 × 20 × 10−
C = P V I i= T = 304.1°K R = 8,314 J/mol.K
Calculamos el número de moles con la siguiente fórmula:
= 4.270 = 8,314 304.1 4.270 = 8,314 304.1 4.270 = 2528.2874 = . −
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Hallamos el trabajo teóricamente con la siguiente fórmula:
= = . − 8,314 304.1 ln 25 60 = . − 8,31 304.1 ln0,41 = . − 8,314 304.1 (0.875) =.
4.3 Determinación del número de moles de aire dentro de la jeringa. Determine el número de moles utilizando el valor de la pendiente y la ecuación (1) de una gráfica de volumen en función (temperatura/presión).
PV = RTn 79.1 KPa x 60 ml = 8.314 J/mol K x 301.4 K x n n= 1.89 mol 5. Cuestionario 5.1
Compare el trabajo en forma porcentual el hallado en 4.2 y la ecuación W=nRT ln(V /V f i). Explique las diferencias
−Á |×% (%) = |Áá Áá −(− ×100% (%) = −9. −9.
(%) = . %
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5.2
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El valor obtenido del número de moles en 4.3 es aceptable, Explique. Hallar un valor teórico del número de moles, conociendo su temperatura, densidad del aire, altitud, presión atmosférica y volumen inicial.
Sí se cumple porque se realiza en un proceso isotérmico, en este proceso la temperatura no varía, por lo tanto la Presión por el V olumen es constante.
1 → 22.4 → 20 − 20∗10 = 22.4 =.∗−
Ú = , − Si. El valor obtenido en la experiencia es cercano a el valor obtenido teóricamente. Esto se da debido a que los valores de presión y temperatura varían de los valores a condición normal.
5.3
Si grafica Volumen vs inversa de la presión, ¿Qué tipo de ajuste le toca hacer ahora? ¿Qué significado físico posee la pendiente?
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Tendríamos que hacer un ajusto lineal, debido a que, al hacer este ajuste las variables volumen vs inversa de la presión van a ser directamente proporcionales La pendiente viene a ser el trabajo realizado en el sistema 5.4
¿Se cumple la ley de Boyle?, ¿Por qué?. Fundamente su respuesta.
Si. Al realizar un proceso isotérmico en el laboratorio la temperatura del sistema fue casi invariable De donde podemos analizar que la Presión por el Volumen son constantes y cumpliendo así la ley de Boyle. 5.5
En la realización de esta práctica ¿Cuál fue el comportamiento de la temperatura del aire dentro de la jeringa?. Explique mediante un gráfico
La temperatura fue constante obteniendo un valor medio de 304.1 Kelvin Aunque hubo variaciones de temperatura ya que el trabajo que hicimos fue experimentalmente, haciendo que el sistema absorba calor.
5.6
Si en la pregunta anterior la temperatura se podría decir que fue constante, si es así. ¿Cuál es el cambio de su energía interna del sistema?. Muestre el valor.
En un proceso isotérmico la temperatura es constante y solo depende de esta, por lo tanto el calor tomado por el sistema es igual al trabajo realizado
Q = W Q=
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5.7
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Grafique y describa otros procesos termodinámicos (utilice gráficos y esquemas) y ¿Cómo estos se podrían implementar en el laboratorio?.
Isocóro: Proceso en el cual el volumen permanece constante. o
El proceso térmico que se desarrolla en una olla presión de uso doméstico, desde el momento que se coloca al fuego hasta que escapa por primera vez aire a través de la válvula, corresponde a un proceso a volumen constante.
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Isobárico: Proceso en el cual la presión permanece constante o
o
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Un ejemplo, es la ebullición del agua en un recipiente abierto, como el contenedor está abierto el proceso se realiza a presión atmosférica constante
Adiabático: Proceso en el cual no existe intercambio de calor con el entorno.
Utilizando un simple termo colocar dentro agua caliente y cubos de hielo Ambos llegaran a un equilibrio térmico Sin embargo no hubo transferencia de calor del exterior del termo ni al interior Asiendo así posible el proceso adiabático
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6. PROBLEMAS 6.1
La parte interior de un neumático de automóvil está bajo una presión manométrica de 30 lb/in2 a 4°C. Después de varias horas, la temperatura del aire interior sube a 50°C. Suponiendo un volumen constante, ¿cuál es la nueva presión manométrica?
Escriba aquí la ecuación.
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6.2
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Un depósito de 5000 cm3 está lleno de dióxido de carbono (M = 44 g/mol) a 300 K y 1 atm de presión. ¿Cuántos gramos de CO, se pueden agregar al depósito si la presión absoluta máxima es de 60 atm y no hay cambio alguno de temperatura?
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7. OBSERVACIONES
El resultado obtenido en el programa Pasco CAPSTONE mediante una grafica lineal tenia q estar en un rango de 0.99 a 1.00 Nuestro resultado fue muy cercano obteniendo un valor de 0.99
Tuvimos que hacer el trabajo experimental lo mas rápido, evitando que el sistema absorba calor ya que estamos trabajando en un proceso isotermico
8. CONCLUSIONES El trabajo obtenido mediante calculo teorico basándonos en los datos calculados por el programa PASCO CAPSTONE ES -3.73628 J de donde podemos concluir q el trabajo es negativo por que realizamos trabajo sobre el sistema Pudimos comprobar la ley de gases ideales planteada por Boyle
Se concluye que al trabajar con orden y responsabilidad obtendrás resultados óptimos y permitirá el buen desarrollo de todo el laboratorio.
9. BIBLIOGRAFIA (según formato de la APA)
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