INTRODUCCIÓN En la siguiente práctica se realizará un estudio detallado de los procesos isotér isotérmic micos os para gases gases ideales ideales desde un punto punto de vista vista termod termodiná inámic mico, o, el comportamient comportamiento o general de los gases gases describe describe la ecuación ecuación de estado de los gases. Se basa en los parámetros como la la presión, temperatura y volumen; volumen; que relacionados entre sí, permiten relacionar las leyes que los rigen. En todos los procesos físicos físicos y químicos ya estudiados el de mayor importancia es la termodinámica de gases donde se realizan dos procesos esenciales, el proceso isotérmico. isotérmico. ara lograr resultados resultados claros y precisos precisos de los procesos procesos se requiere que las mediciones sean !ec!as con el mayor cuidado posible "al #.$ ml% referencia mínima de traba&o.
TERMODINÁMICA DE GASES 1. OBJETIVOS: '. (eterminar las funciones termodinámicas en un proceso isotérmico para un ). a. b. c. d.
gas ideal "aire%. Específicamente* (eterminar la presión manométrica para cada ampolla de nivel. (eterminar la presión absoluta para cada medición. (eterminar la presión del gas seco para cada medición. +as funciones termodinámicas tales* , -, ∆ y ∆ E.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO TERMODINÁMICA: +a termodinámica es la parte de la física que estudia los mecanismos de transformación o transferencia de energía de un cuerpo a otro dentro de un sistema. Se llama sistema termodinámico a toda porción o cantidad de materia definida o limitada por barreras, ya sean estas reales o imaginarias. +as barreras de un sistema pueden clasificarse de la siguiente manera*
'islante, que no permite el paso de la materia de energía. /i&as o rígidas, que impiden los cambios de volumen. 'diabáticas, que no permiten la transferencia de energía en forma de calor ni de materia.
0n sistema termodinámico puede estar confinado por barreras dotadas simultáneamente de varias de las anteriores características, pudiendo ser, por e&emplo, diatérmicas y rígidas al mismo tiempo.
VARIABLES TERMODINÁMICAS: Se llama variables termodinámicas a las propiedades macroscópicas de los sistemas termodinámicos. or su parte, se denominan estado a cada una de las diferentes formas en que se puede presentar un sistema termodinámico. +as variables de estado son aquellas que definen un sistema en equilibrio. Estas variables son la presión, el volumen, y la temperatura. Si varía una de ellas, se
producirá una alteración en el valor de otras variables relacionada entre sí por medio de la ecuación de estado* 1 2 n.3. 4 +as variables termodinámicas se pueden dividir en e5tensivas e intensivas.
ESTADO DE EQUILIBRIO: Se considera que un sistema se encuentra en equilibrio cuando sus variables termodinámicas no varían y son iguales en todos los puntos del sistema.ara determinar el estado de equilibrio basta con tener en cuenta las variables ", 1, 4% las cuales son capaces por si solas de definir en estado de un sistema. +as diferentes formas en virtud de las cuales los sistemas intercambian energiza materia con otro sistema se llaman procesos. Son procesos reversibles aquellos en que la transformación de un punto a otro e5perimenta un cambio casi estático y sus puntos de equilibrio están infinitamente pró5imos. +as transformaciones que se realizan a presión constante se denominan isóbaros. 6socóricos son aquellas transformaciones que se realizan a volumen constante. +as transformaciones e5perimentadas a temperatura constante se denominan isotermas. +as transformaciones que se realizan sin intercambio de calor con el e5terior se denominan adiabáticas.
SISTEMAS TERMODINÁMICOS: S6S4E7'S ')6E348S* En los que es posible intercambio de energía y materia con el medio e5terior. El !ec!o de que pueda e5istir un intercambio de materia indica que al menos una de las paredes del sistema es imaginaria. ' su vez los sistemas abiertos pueden ser estacionarios o no estacionarios. En los primeros, la cantidad de materia que entra en el sistema es igual a la que sale es decir el flu&o de masa es constante en los sistemas no estacionarios, la materia que entra no es igual a la que sale.
S6S4E7'S 9E33'(8S* Sistemas termodinámicos en los que no pueden e5istir intercambio de materia, pero sí de energía del e5terior. S6S4E7'S '6S+'(8S* Sistemas termodinámicos en los que no es posible ni el intercambio con el e5terior de materia ni de energía. S6S4E7'S
4:3769'7E4E
'6S+'(8S
8
'(6')<4698S*
Sistemas
termodinámicos en los que no se produce intercambio de materia ni de energía en forma de calor con el e5terior, pero si e s posible la transferencia de energía en forma de traba&o.
LEY FUNDAMENTAL DE LA TERMODINÁMICA 367E3 369668 (E +' 4E378(6<769' +a ley física conocida como primer principio de la termodinámica regula los intercambios de energía en los sistemas termodinámicos este principio postula que en todo proceso termodinámico el balance energético global es siempre constante. El primer principio de la termodinámica para una transformación elemental se puede e5presar mediante la siguiente ecuación* d 2 d0 = dEs decir, la cantidad infinitesimal de calor que se comunica a un sistema se emplea una parte en aumentar su energía interna e introducir un traba&o. 389ES8S 6S>9838S* En el tipo de transformaciones denominadas isocoras, el volumen es constante por lo que d1 2 # y por lo tanto el traba&o será nulo. (e ellos se deduce que en una transformación isocórica el calor absorbido por el sistema se utiliza en incrementar o disminuir su energía interna. 389ES8S '(6')<4698S* +os procesos adiabáticos son aquellos en los que no se produce intercambio s de energía en forma de calor. Estas transformaciones son reversibles por naturaleza 389ES8S 6S>)'38S* Son procesos isóbaros aquellos que se realizan a presión constante. El traba&o producido en este tipo de procesos se puede educir
muy fácilmente si se tiene en cuenta su función en los e&es cartesianos presión = volumen. 389ES8S 9?9+698S* 'plicando el primero principio de la termodinámico a una transformación cíclica, como en ella es, 2 - la energía interna será nula. or tanto, no es posible si un sistema cerrado e5perimenta un proceso cíclico proporciona mayor cantidad de energía en forma de traba&o de la que recibe en forma de calor.
3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
(eterminar el volumen muerto de la bureta. 7onte el equipo de&ando la mitad de aire en el tubo neumometrico. 9ierre con una pinza el empalme del tubo de goma. 1erifique que no e5ista escape de gas, para lo cual cambie "subiendo o ba&ando la ampolla de nivel% a una posición fi&a y después de variar el nivel del líquido manométrico en el tubo neumometrico, verifique que este nivel permanezca constante. Si varia es porque !ay escape de gas en tal caso
resuelva esta situación. +uego regrese la ampolla de nivel a una posición tal que los niveles de agua de la ampolla se encuentren enrasados con un error menor de #.$ml, para observar me&or trate de acercar cuanto sea posible el tubo
neumometrico con la ampolla de nivel. aga la lectura del volumen en el tubo neumometrico. +uego levante la ampolla de nivel apro5imadamente #.@m y posteriormente $.# m utilice una regla y mida e5actamente la diferencia de niveles. 'note
estas lecturas y las de los volAmenes del gas '. aga lo mismo ba&ando la ampolla de nivel primero a #.@m y luego a $.#
m 3egistre la presión barométrica y la temperatura del agua y la ampolla de nivel, agitando el agua !asta temperatura constante. o mueva la pinza del tubo neumometrico.
4. DATOS EXPERIMENTALES: osiciones de la ampolla de nivel y volumen de nivel del gas '
A!"#$ %& $'()$ %& *+,& -'. V)"'&* $($#&*!& %& $ -'.
/
/0
#
BC,@
10/ BB,@
/0 B$,C
10/ B#,D
4emperatura del agua en la ampolla de nivel* $FG9 1olumen muerto del tubo neumométrico* H ml. resión barométrica* ID#mmg.
. CÁLCULOS @.$. 9alcular las presiones manométricas en mmg para cada nivel de la ampolla man 2 abs = barométrica
ara nivel de ampolla* #.@ m. ( ↑ )
man 2 man 2 man2
r H
2
ghH O
O
2
-g H O hH O 2
-9800
2
N m
3
�(0.5 m)
man2 -4900 Pa �0.007501 man2 -36.75 mmHg
ara nivel de ampolla* $.# m. "
man2 man2
↑¿
-g H O hH O 2
-9800
2
N m
3
�(1.0m)
man2 -9800 Pa �0.007501 man2 -73.51mmHg
ara nivel de ampolla* #.@ m. "
↓¿
man2 CD.I@mmg.
ara nivel de ampolla* $.# m. "
↓¿
man2 IC.@$mmg.
@.J. 9alcular las presiones absolutas en mmg para cada nivel. abs 2 man K barométrica
ara nivel de ampolla* #.@ m. ( ↑ )
abs 2 man K barométrica abs 2 CD.I@mmg K ID#mmg abs 2 IJC.J@mmg
ara nivel de ampolla* $.# m. "
↑¿
abs 2 man K barométrica abs 2 IC.@$mmg K ID#mmg abs 2 DFD.BHmmg
ara nivel de ampolla* #.@ m. "
↓¿
abs 2 man K barométrica abs 2 CD.I@mmg K ID#mmg abs 2 IHD.I@mmg
ara nivel de ampolla* $.# m. "
↓¿
abs 2 man K barométrica abs 2 IC.@$mmg K ID#mmg abs 2 FCC.@$mmg
@.C. 9alcular las presiones de gas seco en mmg para cada nivel. gas seco 2 atm = " J# K columna%
ara nivel de ampolla* #.@ m. ( ↑ )
gas seco 2 atm = " J# K columna% ID#mmg L L 2 $D.$Hmmg.
$#CC cm J8 JJ cm J8
gas seco 2 atm = " J# K columna% gas seco 2 ID#mmg = "$I.@mmg K $D.$Hmmg% gas seco 2 IJD.C$mmg.
ara nivel de ampolla* $.# m. "
↑¿
gas seco 2 atm = " J# K columna% ID#mmg L
$#CC cm J8 I# cm J8
L 2 @$.@mmg. gas seco 2 atm = " J# K columna% gas seco 2 ID#mmg = "$I.@mmg K @$.@mmg% gas seco 2 DH$mmg.
ara nivel de ampolla* #.@ m. "
↓¿
gas seco 2 atm = " J# K columna% ID#mmg L
$#CC cm J8 C@ cm J8
L 2
[email protected]@mmg. gas seco 2 atm = " J# K columna% gas seco 2 ID#mmg = "$I.@mmg K
[email protected]@mmg% gas seco 2 I$D.I@mmg.
ara nivel de ampolla* $.# m. "
↓¿
gas seco 2 atm = " J# K columna% ID#mmg L
$#CC cm J8 J# cm J8
L 2 $B.I$mmg. gas seco 2 atm = " J# K columna% gas seco 2 ID#mmg = "$I.@mmg K $B.I$mmg% gas seco 2 IJI.IHmmg.
@.B. 9alcular el volumen del gas seco para cada nivel. 1total 2 1aparente K 1m
ara nivel de ampolla* #.@ m. ( ↑ )
1total 2 1aparente K 1m 1total 2 BC.@ml K Hml 1total 2 @J.@ml
ara nivel de ampolla* $.# m. "
↑¿
1total 2 1aparente K 1m 1total 2 BB.@ml K Hml 1total 2 @C.@ml
ara nivel de ampolla* #.@ m. "
↓¿
1total 2 1aparente K 1m 1total 2 B$.Cml K Hml 1total 2 @#.Cml
ara nivel de ampolla* $.# m. "
1total 2 1aparente K 1m 1total 2 B#.Dml K Hml 1total 2 BH.Dml
↓¿
. CONCLUSIONES +ogramos determinar específicamente la presión manométrica, la presión absoluta, la presión del gas seco; en cada ampolla de
nivel; en un proceso isotérmico para un gas ideal "aire%. 4eniendo en cuenta la presión atmosférica, la altura !, el volumen aparente y el volumen muerto.
5. LIN6OGRAF7A
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