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Ciencias Básicas y Aplicadas
PRÁCTICA DE LABORATORIO Nº 07 TERMODINAMICA. GASES IDEALES
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1. OBJETIVOS 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. 5) Utilizar el software PASCO Capstone TM para verificación de parámetros estadísticos respecto a la información registrada 1) 2) 3) 4)
2. MATERIALES o o o o o
Computador con programa PASCO Capstone instalado USB Link marca (2) Sensor de temperatura Sensor de presión Jeringa para gases ideales
3. FUNDAMENTO TEÓRICO
La termodinámica La termodinámica es una ciencia experimental que estudia los cambios producidos en un sistema por el intercambio de calor. En ella se mide magnitudes macroscópicas como la presión el volumen y la temperatura, sin importarle la causa microscópica de los fenómenos observados. A pesar que los sistemas térmicos resultan ser muy complejos, la termodinámica ha tenido gran éxito en resumir estas observaciones en algunas sencillas leyes muy generales para dar una explicación a los fenómenos de ori gen térmico. Existe una teoría microscópica de los los gases ideales y en sí de todos los procesos térmicos, la mecánica estadística, pero nuestro enfoque será netamente macroscópico.
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 31
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mucho mayor que el tamaño de los átomos y esto hace que las moléculas interactúen muy poco con las demás. La ecuación de estado del gas ideal: P V = R T n (1)
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 Con valores de:
Robert Boyle hizo estudios sobre gases ideales mantenidos a temperatura constante (proceso isotermo) y obtuvo la ley que lleva su nombre. P V = cte
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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
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 y presión, previamente conectados al computador
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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 gráfica 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 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. 33
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Asegúrese que no existan fugas en las conexiones, de eso depende los resultados de su experimento.
Figura. 4.2. Montaje experimental
Obtenga la gráfica de presión en función del volumen, la cual debe ser lo más cercana a una hipérbola equidistante, avisar al docente para su verificación.
5. FUNDAMENTO TEÓRICO El movimiento puede definirse como un cambio continuo de posición. En la mayor parte de los movimientos reales, los diferentes puntos de un cuerpo se mueven a lo largo de trayectorias diferentes. Se conoce el movimiento completo si sabemos como se mueve cada punto del cuerpo; por ello, para comenzar, consideraremos solamente un punto móvil, o un cuerpo pequeño denominado partícula. 6. Cuestionario 6.1. Compare el trabajo en forma porcentual el hallado en 4.2 y la ecuación W = n R T ln(V f /Vi). Explique las diferencias
W = 1.72 * 8.31 * 300.85* ln (22/60) W = -4314.3086 kPa.mL -------------- Valor Experimental W = 4310 kPa.mL ---------------------- Valor Teórico Las diferencias se deben al error a la hora de realizar las mediciones, sea por los instrumentos, o por error humano .
6.2. El valor obtenido del número de moles en 4.3 es aceptable?, Explique. Hallar un valor teórico del número de moles, conociendo su 34
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temperatura, densidad del aire, altitud, presión atmosférica y volumen inicial
Presión atmosférica = 75.516KPa Temperatura =300.85K Volumen =60 ML n= P*V/R*T n=(75.516)(60)/(8.314)(300.85) n=1.81moles ---------valor termico n=1.71moles ---------valor experimental %error =((1.81 – 1.71)/1.81)*100 %error =5.52
6.3. Si grafica Volumen vs inversa de la presión, ¿Qué tipo de ajuste le toca hacer ahora? ¿Qué significado físico posee la pendiente?
En este de grafica la razon es de proporcionalidad entre el volumen y la inversa de la presión es decir si el volumen aumenta la inversa de la presión tambien. Cada isoterma presenta una línea recta cuya relación matemáticas es y = ax + b Entonces el volumen estaría dado por : V=K*1/P Donde K es la pendiente de la recta y debe ser una constante.
6.4. ¿Se cumple la ley de Boyle?, ¿Por qué?. Fundamente su respuesta Si se cumple la ley de Boyle por que a medida que el volumen de la jeringa disminuye la presión aumenta en proporción y temperatura constante en todo experimento.
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6.5. En la realización de esta práctica ¿Cuál fue el comportamiento de la temperatura del aire dentro de la jeringa?. Explique mediante un gráfico
Según el grafico temperatura vs volumen a medida que el volumen fue disminuyendo la temperatura aumentaba ligeramente. 6.6. 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
Es un proceso isotérmico la variación de la energía depende de la variación d la temperatura como esta en 0 entonces no existe variación de la energía interna y el calor viene a ser el trabajo del sistema Q = -W Variación de la energía interna = 0
6.7.Grafique y describa otros procesos termodinámicos (utilice gráficos y esquemas) y ¿Cómo estos se podrían implementar en el laboratorio?
De que si se podría implementar en el laboratorio si se puede pero trabajar con gases es un poco más dificultoso ya que me implicaría muchas reglas adicionales al trabajo. 7. Aplicación a la especialidad. Se presentarán un mínimo de 2 aplicaciones del tema del laboratorio referido a su especialidad. Electricidad a presión:
La electricidad producida por presión se denomina piezoelectricidad. Está generada por la comprensión y decomprensión de determinados materiales de crista l, como el cuarzo. La capacidad de los cristales para desarrollar una carga eléctrica cuando son sometidos a presión, es muy útil cuando se necesitan señales de referencia muy precisas. Así, se utilizan los cristales en múltiples equipos electrónicos que necesitan realizar cálculos con errores despreciables, o incluso para la calibración de otros equipos menos precisos. 36
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Para ello, mediante circuitos osciladores se les hace vibrar permanentemente, es decir comprimirse y descomprimirse, a miles e incluso millones de veces por segundo. Qué es un cristal Un cristal es una sustancia en donde las moléculas están colocadas de una manera uniforme. Puede ser un cuerpo simple o compuesto, pero generalmente es si mple. Las materias cristalinas naturales son escasas, así, los diamantes y la mayoría de las piedras preciosas son cristales. Por motivo de simplicidad se supone que las moléculas cristalinas son esféricas. En el estado no cristalino las moléculas están situadas de forma irregular, mientras que en el estado cristalino se sitúan de una manera uniforme y regular. Características piezoeléctricas de los cristales Los cristales de algunas sustancias, tales como las sales de Rochela o el cuarzo, tienen características piezoeléctricas peculiares. Cuando se comprime un cristal de cuarzo, los electrones tienden a moverse en una dirección. Esta tendencia crea una diferencia de potencial en las caras opuestas del cristal que puede ser medido con un voltímetro. Si se conectase un hilo conductor entre la cara positiva y la negativa del cristal los electrones fluirían del polo negativo hacia el positivo a través del hilo.
Electrcidad por calor
Otro método de producir electricidad es mediante calor aplic ado a la unión o junta de dos metales distintos (par térmico), por ejemplo cobre y hierro. Este fenómeno se puede demostrar retorciendo entres si dos hilos, uno de cobre y otro de hierro, y calentando esta unión. Si se conecta un voltímet ro entre los extremos fríos indicará que la corriente fluye a través de los dos hilos. La corriente suministrada por un par térmico es muy pequeña, pero resulta práctica para su uso en dispositivos sensores de temperatura de precisión. Características del par térmico Cuando un hilo de metal, tal como el cobre, se calienta por un extremo, los electrones tienden a moverse desde el lado caliente hacia el más frío. Esto sucede en la mayoría de los metales. Sin embargo, en algunos, tales como el hierro, sucede lo contrario, es decir, los electrones tienden a moverse del lado frío al más caliente. 37
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A una unión de este tipo se le denomina par térmico, termopar o termocupla, y puede producir electricidad tanto tiempo como se le esté aplicando calor. Aunque dos hilos trenzados forman un par térmico, es mucho más eficiente uno construido con dos piezas de metal remachadas o embutidas una en la otra.
8. OBSERVACIONES
En la realización de le experiencia se observó que al realizar las mediciones se debe tener en cuenta que el aire en la jeringa inicie con un volumen de 60 ml. Y así cada medición se disminuía en 5 ml a la medición anterior. Si por algún motivo el paso de un volumen a otro era mayor a 5 ml entonces se reiniciaba el experimento para evitar errores.
Se observó que a través de las comparaciones de fórmulas, podemos deducir el significado de la pendiente, dado el experimento. Así como por ejemplo el significado de la pendiente que era el trabajo ejercido en el sistema para esta experiencia nos ayudaba a poder encontrar el número de moles
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9. CONCLUSIONES
Se verificó la Ley de Boyle de los gases ideales.
Se determinó el trabajo realizado sobre el sistema en un proceso isotérmico.
Se calculó el número de moles de una cantidad de air e.
5.
Se logró configurar e implementar equipos para toma de datos experimentales y realizar un análisis gráfico utilizando como herramienta el software Data Studio. Se utilizó el software PASCO CapstoneTM para verificación de parámetros estadísticos respecto a la información registrada
BIBLIOGRAFIA (según formato de la APA)
https://es.wikipedia.org/wiki/Proceso_termodin%C3%A1 mico http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/13primera-ley-de-la-termodinamica.html https://www.fisic.ch/contenidos/termodinámica/ley-delos-gases-ideales
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