Universidad Nacional Autónoma de...

Universidad Nacional Autónoma de México

Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán

Laboratorio de Termofluidos

Departamento de Ingeniería Sección Mecánica

Clave Asignatura: 1208

Autores: M. en I. José Gpe A. Ramos Anastasio

Semestre 2018-II

Fecha de Elaboración: Febrero 2018

TERMODINÁMICA



LIME I

Laboratorio de Termodinámica

I

Índice I

Objetivo General de la Asignatura II

Objetivos del Curso Experimental II

Introducción II

Reglamento de Laboratorio III

Instrucciones para Elaborar el Reporte V

Práctica 1 MEDICIONES 6

Práctica 2 PROPIEDADES 14

Práctica 3 EXPERIMENTO DE JOULE (MÉTODO ELÉCTRICO) 20

Práctica 4 GASES: RELACIÓN PRESIÓN-VOLUMEN 26

Práctica 5 GASES: RELACIÓN VOLUMEN-TEMPERATURA 31

Bibliografías 36

Contenido



LIME I


II

Objetivo General de la Asignatura

Al finalizar el curso, el alumno habrá adquirido los conocimientos fundamentales de la termodinámica, para aplicarlos en la solución e interpretación de fenómenos físicos. Así como para el manejo de equipos de ingeniería.

Objetivos de Curso Experimental

Introducción

La palabra termodinámica proviene de los términos griegos termo (que significa energía o calor) y

dinamikos (cuyo significado es movimiento). Su origen se remonta al estudio de la conversión de

calor en trabajo. En la actualidad, los científicos usan los principios de la termodinámica para estudiar

las propiedades físicas y químicas de la materia. Sin embargo, los ingenieros aplican principios

termodinámicos para entender la forma en que el estado de un sistema práctico responde a las

interacciones “transferencia de masa, calor y trabajo” entre el sistema y su ambiente. Este

entendimiento permite diseños más eficientes de sistemas térmicos que incluyen plantas generadoras

de energía alimentadas con vapor, turbinas de gas, cohetes, máquinas de combustión interna, plantas

de refrigeración y unidades de aire acondicionado.

Este manual de prácticas tiene como finalidad reafirmar, mediante la realización de ocho prácticas,

los conocimientos teóricos, adquiridos dentro de la clase de la asignatura de Fundamentos de

Termodinámica y Termodinámica.



LIME I


III



LIME I


IV



LIME I


V

Instructivo para la Elaboración del Reporte

a) Los reportes deberán basarse en la metodología utilizada en los manuales de las prácticas de

laboratorio.

b) Las prácticas deberán contener el siguiente formato de portada (obligatorio).



LIME I


Práctica 1 6

Práctica 1

MEDICIONES

Objetivos

a) Conocer las variables más importantes involucradas en un sistema, proceso o equipo.

b) Una vez identificada la variable, seleccionar el instrumento primario de medición.

c) Censar y medir la variable, conociendo el principio de operación del instrumento.

Introducción

En los fenómenos físicos y químicos, las variables que intervienen necesitan detectarse de

alguna forma para poder conocer la influencia que ejercen sobre el fenómeno o proceso.

Las variables pueden clasificarse de:

• cantidad

• eléctricas

• fuerza

• tiempo

• velocidad

• presión

• temperatura

• volumen

• etc.

Las variables más importantes y simples, accesibles a la medición directa son: presión,

temperatura, volumen, flujo y nivel.

Conocimientos previos

• Presión

La presión se define para un fluido en proceso como la fuerza ejercida perpendicularmente

por el fluido sobre unidad de área.

P = F/A

La presión puede variar de un lugar a otro de los límites del sistema. En la mayoría de los

instrumentos de medición la presión es la manométrica (Pman).



LIME I


Práctica 1 7

La presión absoluta de un fluido se expresa por la siguiente relación:

Pabs = Patm + Pman o

Pabs = Patm - Pvacío

• Manómetro

Un manómetro es un instrumento simple que indica una diferencia de presión a través de una

altura de columna de fluido .Para un fluido en equilibrio estático, la relación entre la presión

y la altura del fluido está dada por la ecuación básica de la estática de fluidos.

dp = - γ dh

dp – diferencial de presión

γ – peso específico

dh – diferencia de altura

El manómetro fue utilizado a principios de 1662.Actualmente, en la determinación de presión

de fluidos existen diferentes instrumentos de este tipo, como por ejemplo el tipo bourdon y

el tipo en U.



LIME I


Práctica 1 8

Figura 1.1.- Manómetro Tipo Bourdon Figura 1.2.- Manómetro en U.

Principio de operación del instrumento tipo Bourdon

El principio bajo el cual opera este instrumento(Fig.1.1) es el de deflexión por presión y

consta de un tubo de sección transversal aplanado ,moldeado para formar un círculo

incompleto o una espiral o una hélice, el cual tiende enderezarse cuando aumenta la presión

,el movimiento transmitido al indicador se multiplica por medio de una leva o engranaje.

Manómetro en U o de columna liquida

Mide presiones con respecto a la atmósfera cuando uno de los extremos está conectado a un

dispositivo y mide presiones diferenciales entre dos puntos cuando se conectan los dos

extremos del manómetro entre el intervalo de longitud de la tubería en el cual se desea saber

la presión diferencial (Fig.1.2)

• Temperatura

Es muy importante distinguir la diferencia entre dos conceptos que frecuentemente se

confunden como son temperatura y calor.

Temperatura es una variable intensiva y puede definirse como la medida del contenido de

energía en forma de calor, la temperatura se mide con un termómetro.

Un cuerpo A esta más caliente que un cuerpo B, si al ponerlos en contacto el calor fluye del

cuerpo A al cuerpo B. (axioma de la segunda ley de la termodinámica).



LIME I


Práctica 1 9

Existen algunos tipos de termómetros como:

a) Bimetálicos

b) Mercurio

c) Termopares

d) Etc.

Figura 1.3.- Termómetro Bimetálico Figura 1.4.- Termómetro de Mercurio

ESCALA DE MEDICIÓN DE TEMPERATURAS

TEMPERATURAS ABSOLUTAS Y RELATIVAS

T (K ) = t (° C ) + 273.15 GRADOS KELVIN



LIME I


Práctica 1 10

T (° R ) = t (° F ) + 459.67 GRADOS RANKINE

T (° R) = 1.8 T (K)

t (°F) = 1.8 t (°C) + 32

• Medidores de flujo

La medición de flujo es importante en los procesos sobre todo en los balances de masa y energía, los

medidores de flujo más tradicionales son:

a) Annubar

b) Placa de orificio

c) Tubo Pitot

d) Tubo Venturi

e) Rotámetro

En esta práctica se hará uso del dispositivo del Tubo Pitot.

Material

• Manómetro

• termómetro

Equipo

• Tunel de viento

• Tubo Pitot



LIME I


Práctica 1 11

Procedimiento Experimental

Figura 1.5.- Tubo Pitot

La presión diferencial medida a través del tubo pitot puede calcular la velocidad de fluido utilizando

la ecuación de Bernoulli.

1. Inicialmente se tomará la temperatura ambiente (tamb) y la presión barométrica

(atmosférica) en el laboratorio.

tamb = _________ Patm = _________

2. Con los datos anteriores se calculará la densidad del aire, aplicando la ecuación de

los gases ideales en el laboratorio.

ρ aire = P/r T

donde:

ρ aire – densidad del aire en kg/m3

P – presión absoluta en ( N/m2)

T – temperatura absoluta en ( K )

r – constante específica del aire (287 J/kg K )

3. Posteriormente se coloca el tubo pitot conectado al manómetro en U en el túnel de

viento, en donde se tomarán las lecturas de presión y se hace el siguiente balance:



LIME I


Práctica 1 12

En el equilibrio:

∆Paire = ∆Pagua

y la presión en función de altura es:

∆P = ρ g ∆h

por consiguiente se puede obtener:

∆haire ρaire g = ∆hagua ρagua g

eliminando g y despejando ∆haire se obtiene:

∆haire = ∆ℎ𝑎𝑔𝑢𝑎𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎

𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒

donde:

∆hagua = pulgadas de agua x 2.54 x102 = metros de agua (m)

𝜌 agua = 998 kg/m3 ( 𝑎 18 ℃)

𝜌 aire = densidad del aire en condiciones locales

∆haire = (m)

Haciendo la equivalencia de ∆ℎ𝑎𝑖𝑟𝑒 con ∆Pagua y aplicando la ecuación de Bernoulli

Se obtiene la ecuación:

V = √2𝑔 ∆ℎ𝑎𝑖𝑟𝑒

4. Con los datos obtenidos, llenar la tabla 1.1; se deben tomar cinco lecturas.

Lecturas ∆haire V

1

2

3

4

5

Tabla 1.1



LIME I


Práctica 1 13

Cuestionario

1.- ¿Es adecuada la ecuación de gas ideal para calcular la densidad del aire en el laboratorio?

2.- ¿Que otros medidores de flujo conoce?

3.- Al calcular la velocidad del aire puede conocer el flujo volumétrico si el área del ducto es

de 100 cm2, ¿qué valor será en m3/s?

Conclusiones

Bibliografía

Elaborar un listado de las referencias bibliográficas consultadas para la realización de la práctica.



LIME I


Práctica 2 14

Práctica 2

PROPIEDADES

Objetivos

Conocer y evaluar una de las propiedades termodinámicas más importantes; la

densidad en los líquidos.

Introducción

En termodinámica, se pueden dividir en dos categorías las variables o propiedades que

caracterizan el estado de un sistema:

1. Propiedades Intensivas.- Son las que no dependen de la masa del sistema, tales como

la temperatura, la presión y la densidad. Una variable intensiva puede definirse en un

punto.

2. Propiedades Extensivas.- Son las que dependen del tamaño del sistema, tales como la

longitud, el volumen, la masa y la energía interna.

La densidad es una sustancia homogénea y se define como su masa por unidad de volumen.

La densidad se representa con la letra griega [𝜌], es decir:

ρ = m

V (1)

Donde:

𝜌= densidad

m = masa

V = volumen

La densidad se puede determinar mediante diferentes métodos, tales como:

Picnómetros

Balanza Mohr-Westphal

Densímetros

En la presente práctica, se utilizarán picnómetros como los ilustrados en la figura 2.1.

Se determinará el volumen del líquido y se usará conjuntamente con el peso del mismo para

calcular su densidad. Existe la dependencia de líquidos con respecto a la temperatura, sin

embargo para este experimento es relativo su impacto.



LIME I


Práctica 2 15

Figura 2.1 Tipos de picnómetros

Determinación de la densidad de un líquido

En el experimento se realiza la determinación de la densidad de un líquido desconocido usando la

relación:

ρ = m

V

La masa del líquido se determinará por diferencia, es decir, primero se pesará el picnómetro vacio y

luego con el líquido.

Se ilustra en la figura 2.2 el picnómetro a usar en la presente práctica.

Figura 2.2 Picnómetro PV-503



LIME I


Práctica 2 16

Actividades Previas la Práctica

1. El alumno deberá realizar la lectura de la práctica de laboratorio.

2. Investigar las características del picnómetro PV-503.

3. Investigar las constantes físicas necesarias para construir la gráfica de la variación de

la densidad del agua en función con la temperatura.

Material

Agua destilada

Acetona

Líquido en Estudio (Alcohol)

Equipo

Picnómetro PV-503

Balanza

Termómetro


1. Limpiar, enjuagar y secar perfectamente el picnómetro. Revisar que no estén

adheridas gotas o papel en las paredes del picnómetro.

2. Pesar el picnómetro vacío, a este valor se le conocerá como M1.

M1 = _______________________

3. Llenar el picnómetro con agua destilada a temperatura ambiente, insertar la pieza que

actúa como tapón firmemente, al momento de colocarlo saldrá el excedente de agua;

en el picnómetro no deben quedar burbujas de agua.

4. Pesar el picnómetro con el agua destilada con precisión, a este valor se le conocerá

como M2.

M2 = _______________________



LIME I


Práctica 2 17

5. Vaciar el picnómetro, lavarlo con algún disolvente, preferentemente acetona; secarlo

perfectamente para la siguiente determinación de la sustancia problema.

6. Consultar un manual de constantes físicos, la tabla de datos necesarios para construir

una gráfica de la variación de la densidad del agua en función a la temperatura.

7. Usando la gráfica que ha construido en el procedimiento 6, determinar el valor de la

densidad del agua a temperatura del laboratorio. En caso necesario, interpole en la

gráfica para poder determinar la densidad del agua a la temperatura del laboratorio,

la cual probablemente no se encuentre en la tabla.

8. Llenar el picnómetro con la sustancia en estudio, en este caso alcohol, que deberá

estar a temperatura ambiente y pesarla, a este valor se le conocerá como M3.

M3 = _______________________

9. Con los procedimientos anteriores se obtendrán los siguientes resultados:

M3 –M1 = peso del líquido en estudio (Alcohol)

M3 – M1 = ____________ - ____________ = ____________

M2 – M1 = peso del agua destilada

M2 – M1 = ____________ - ____________ = ____________

Para calcular la densidad relativa del líquido en estudio (alcohol) usaremos la

siguiente ecuación:

𝑆 = 𝑀3 − 𝑀2

𝑀2 − 𝑀1



LIME I


Práctica 2 18

𝑆 =

= (alcohol)

10. Calcular la densidad del agua destilada utilizando la fórmula siguiente:

ρ = 𝑀2− 𝑀1

𝑉

donde:

𝜌= densidad del agua destilada (como patrón a 4°C)

V = volumen del picnómetro

ρ =_____________

11. Se procederá a calcular la densidad relativa, que se define como la relación de la

densidad de una sustancia con la de una sustancia patrón; cuando se dan las

densidades relativas de los sólidos y líquidos.

La sustancia patrón que se utiliza más frecuentemente es el agua a 4°C, cuyo valor es

de 1000 kg/m3 o 1 g/cm3 (equivalente a 1 g/ml).

𝑆 = ρ𝑠𝑢𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎

𝐻2𝑂 𝑎 4°𝐶 (Densidad relativa de la sustancia patrón)

S = _________________

12. Haciendo el mismo procedimiento para el cálculo de densidades, se obtiene la

siguiente ecuación:

𝑆 = 𝑀3−𝑀1

𝑀2−𝑀1 (Densidad relativa del líquido en estudio)



LIME I


Práctica 2 19

S = ________________________

Es importante observar que la densidad relativa carece de dimensiones, puesto que

representa una relación de magnitudes que tienen ambos las mismas dimensiones.

Por otra parte, la densidad se expresa en unidades de dimensiones masa-volumen.

Cuestionario

1. ¿El volumen específico es una variable intensiva o extensiva?

2. ¿Qué método usaría para medir la densidad de un sólido irregular pequeño como una

piedra?

3. ¿Cuál es el motivo de que debe determinarse la densidad relativa en lugar de la

densidad?

4. ¿Cómo varía la densidad con respecto a la temperatura?

5. ¿Qué error se tiene al comparar la densidad obtenida experimentalmente y de la

gráfica en el punto 6 del procedimiento?

6. ¿Para qué sustancias se usan los grados BAUME y los API?

7. Un aceite automotriz tiene una densidad de 0.89 g/ml, para un experimento se

necesitan 6 ml; ¿cuántos gramos de aceite automotriz serán?

8. Hallar el valor de la densidad del hielo a 0°C comparado este valor con las densidades

del agua deducidas en la gráfica realizada en el procedimiento 6; explicar el motivo

por el cual el hielo flota en el agua.

9. De acuerdo a los datos obtenidos experimentalmente la densidad relativa del líquido

desconocido es casi idéntica a su densidad, ¿cuál es el motivo de esto (recordar que

la temperatura del agua que se utilizó no fue probablemente igual a 4°C?

Conclusiones

Bibliografía




LIME I


Práctica 3 20

Práctica 3

EXPERIMENTO DE JOULE

MÉTODO ELÉCTRICO

Objetivos

Establecer los conceptos de calor y trabajo, y determinar el equivalente mecánico del

calor o coeficiente de Joule.

Introducción

Los estudios de James Prescott Joule, entre 1837 y 1848, sobre calor y trabajo condujeron a

considerarlos como formas de energía en tránsito y equivalentes entre sí, llegando a medir

dicha equivalencia y a determinar el valor del coeficiente que relacionaba cuantitativamente

los valores de Q y W, y que fijó en:

J = 4.18 Joule/Calorías

Tanto el calor como el trabajo no son funciones cuyo valor se pueda determinar en un cierto

estado. Termodinámicamente hablando, no son funciones de estado, se trata de funciones que

caracterizan el proceso; sus diferenciales serán inexactas. Por ello, la energía se considera

como una magnitud algebraica, habiéndose establecido internacionalmente un criterio de

signos para la misma. La energía que proporciona el sistema en forma de trabajo se considera

positiva, y la que recibe negativa, así mismo, la energía en forma de calor suministrado al

sistema se considera positiva y la cedida por el sistema, negativo (figura 3.1).



LIME I


Práctica 3 21

Figura 3.1 Criterios de signos para Trabajo y Calor

Se debe tener en cuenta que: los cuerpos no tienen calor ni tampoco tienen trabajo; los

cuerpos y los sistemas termodinámicos únicamente poseen energía.

La transferencia de energía, como resultado de la diferencia de temperatura se le

llama calor.

La transferencia de energía por cierto mecanismo en donde se establece un

movimiento mecánico de o a través de la frontera del sistema, se llama trabajo.

Actividades Previas la Práctica


2. Investigar los elementos utilizados para la realización de la práctica:

a. Calorímetro

b. Reóstato

c. Voltaje

d. Amperaje

e. Los diferentes factores de conversión para el Calor y el Trabajo

Material

500 g de agua



LIME I


Práctica 3 22

Equipo

Módulo de Joule

Termómetro


Se trata de demostrar, al igual que hizo Joule, que el calor y el trabajo son manifestaciones

del cambio de energía interna de un sistema termodinámico y que por lo tanto, calor y trabajo

se miden en Julios. Para llegar a esta conclusión, repetiremos uno de los procesos de Joule y

estableceremos una equivalencia entre la unidad de trabajo (J) y la antigua unidad que se

empleaba para el calor (cal).

En realidad, el calorímetro no es un recipiente totalmente aislado y al considerar las paredes

del sistema adiabáticas, se produce un cierto error en la determinación del equivalente

mecánico del calor.

Para solucionar este problema y acercarnos más a su valor real, se puede modificar la

ecuación del balance energético incluyendo lo que se conoce como el equivalente en agua

del calorímetro (K) expresado en gramos. Así:

Q = (ma + K) ca (Tf – Ti) [Cal]

Se puede considerar que K = 26 para el dispositivo en el laboratorio o calcular la constante K para

el calorímetro utilizando el método de mezclas.

1. Establecer el módulo de Joule, previamente ya diseñado y construido en el

laboratorio (figura 3.2).

2. Quitar la tapadera del calorímetro con sumo cuidado, para no dañar la resistencia fija

en ella.

3. Pesar el calorímetro vacío, seco y con tapadera. Será m0 su masa.

m0 = _______________



LIME I


Práctica 3 23

Figura 3.2. Dispositivo para el experimento de Joule

4. Verter en su interior una cantidad de agua destilada suficiente para que quede

sumergida la resistencia, si se conecta fuera del agua puede fundirse. Volver a pesar,

esta será m1 la nueva masa, por tanto la masa de agua en el calorímetro vale ma y

vendrá dada por:

ma = m1 – m0

ma = ______________________

5. Colocar la tapa, con lo cual la resistencia y el agitador quedarán sumergidos. Agitar

con suavidad. Observar y anotar la temperatura del agua en el calorímetro cuando se

alcance el equilibrio térmico (Ti).

Ti = ________________



LIME I


Práctica 3 24

6. Una vez sumergida la resistencia, preparar el circuito.

7. Preparar el cronómetro, simultáneamente ponerlo en marcha y conectar la corriente.

NOTA: No sacar la resistencia del agua mientras esté conectada.

8. Anotar las lecturas del voltímetro y del amperímetro.

V = ______________

I = ______________

9. Agitar suavemente y sin parar hasta que la temperatura se eleve unos grados por

encima de la inicial.

10. Desconectar el circuito y parar el cronómetro en el mismo instante y dejar que se

establezca de nuevo el equilibrio térmico. Medir la temperatura (Tf).

Tf = __________

Supongamos que tenemos un sistema termodinámico cerrado al que suministramos

una cierta cantidad de trabajo eléctrico. Este trabajo se calcula mediante la expresión:

Weléctrico = R I2 t o también

Weléctrico = V I t

= (Volts)(Amperes)(segundo)

= (Watts)(segundo)

= (Joule/segundo)(segundo)

= Joule (J)

Donde I es la intensidad de la corriente (A), R es la resistencia del conductor (ohm),

t es el tiempo (s) en el cual pasa la corriente por el circuito y V es la diferencia de

potencial aplicada al circuito.

Este trabajo eléctrico tiene que aumentar la energía interna del sistema

termodinámico. La variación de energía interna puede medirse en función del

aumento de temperatura, imaginando un proceso reversible igual que el anterior,

donde se intercambie solamente calor.



LIME I


Práctica 3 25

Este calor se puede calcular de acuerdo con la expresión:

Q = ma ca (Tf – Ti)

Donde la masa ma es la masa del agua en el sistema (g), Ti es la temperatura inicial

(°C), Tf es la temperatura final (°C) y ca es el calor específico del agua (1 cal/°C g).

El cociente entre estas dos expresiones se conoce como “Equivalente Mecánico del

Calor [J]”, por tanto:

𝐽 = 𝑉 𝐼 𝑡

𝑚𝑎 𝑐𝑎(𝑇𝑓−𝑇𝑖) [

𝐽

𝐶𝑎𝑙] ó

𝐽 =𝑉 𝐼 𝑡

(𝑚𝑎 + 𝐾) 𝑐𝑎(𝑇𝑓 − 𝑇𝑖)

11. Hacer los cálculos con los datos obtenidos y determinar el [J].

J = _______________________________

12. Repetir el mismo proceso con diferentes condiciones de masa de agua, voltaje y

amperaje.

Conclusiones

Bibliografía




LIME I


Práctica 4 26

Práctica 4

GASES: RELACIÓN PRESIÓN-VOLUMEN

Objetivos

Observar las variaciones de la presión y del volumen de un sistema gaseoso,

manteniendo la masa y la temperatura constante.

Introducción

Hacia el año de 1660, Robert Boyle realizó una serie de experimentos con las que determinó

el efecto que ejerce la presión sobre el volumen de una determinada cantidad de aire. El

aparato que utilizó Boyle era extraordinariamente simple.

Boyle estableció que la presión era inversamente proporcionar al volumen, es decir:

𝑃 𝛼 1

𝑉

O bien:

𝑃 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒

𝑉

Como Boyle realizó sus experimentos a temperatura constante, la Ley de Boyle puede

formularse así; “El volumen de un gas varía de una forma inversamente proporcional a la

presión, si la temperatura permanece constante”.

Actividades Previas a la Práctica


2. Investigar el funcionamiento del dispositivo utilizado por Boyle.



LIME I


Práctica 4 27

Material

Mercurio

Equipo

Dispositivo para la Ley de Boyle

Termómetro

Regla


1. El aparato de la figura 4.1 está formado por un tubo de vidrio doblado en “U”, donde

uno de los extremos se encuentra sellado y en donde está atrapado un cierto volumen

de aire con un fluido manométrico, que en nuestro caso es el mercurio.

Figura 4.1 Dispositivo para la Ley de Boyle



LIME I


Práctica 4 28

2. Verter en la rama abierta del dispositivo (figura 4.1), mercurio, de tal manera que una

cierta cantidad de aire quede atrapado en la rama cerrada. El volumen del aire retenido

deberá conocerse durante todo el desarrollo del experimento.

3. Calcular el volumen del aire retenido, midiendo el diámetro interno del tubo y la

longitud del espacio ocupado por el aire y registrarla en la tabla 4.1.

4. La presión puede determinarse en cualquier momento midiendo la diferencia de

alturas de mercurio.

Por lo anterior, se medirá el volumen (aire) y la presión (mercurio) en cada uno de los

estados.

Los valores de la presión son absolutos y se tomará en cuenta la presión atmosférica

que se tiene en el laboratorio, la cual es:

Patm = 585.5 mm de Hg

Por tanto, la presión absoluta será:

Pabs = Patm + Pman

5. Registrar la presión calculada en la tabla 4.1.

6. Repetir los procedimientos 3, 4 y 5 hasta obtener el número de lecturas marcadas.

NOTA: Tomar las lecturas a la misma temperatura ambiente.



LIME I


Práctica 4 29

N° de

Lectura

Volumen del

aire

(cm3)

Presión del

aire

(N/m2)

Z

(cm)

h

(m)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tabla 4.1

7. Con las lecturas de la tabla 4.1, dibujar en papel milimétrico la gráfica P-V.



LIME I


Práctica 4 30

Cuestionario

1. Calcular la presión de un gas que está sometido a una presión de 1/3 de atm; calcular

también la presión en torr de un gas que está a 1.13 kPa (tomar condiciones estándar

de temperatura, volumen y presión).

2. Los satélites artificiales de la Tierra se lanzan frecuentemente de modo que describen

órbitas que se encuentran a unas 100 millas por encima de la superficie terrestre. A

esta altura, la presión atmosférica es aproximadamente 10 Torr. ¿Cuál es la presión

expresada en Pa?

3. En la práctica realizada, cuando aumentó el volumen del gas, ¿la densidad aumento

o disminuyó?

4. ¿Cuál será el nivel de mercurio en un barómetro a utilizar en Venus (presión

atmosférica aproximada de 100 atm)?

5. ¿Cuáles son las condiciones de comportamiento de un gas ideal?

6. ¿Qué variables termodinámicas fueron objeto de observación en esta práctica?

Conclusiones

Bibliografía

Elaborar un listado de las referencias bibliográficas consultadas para la realización de la

práctica.



LIME I


Práctica 5 31

Práctica 5

Gases: Relación Volumen-Temperatura

Objetivo

Observar las variaciones del volumen y la temperatura de un sistema de estado

gaseoso, manteniendo la masa y la presión constante.

Introducción

En 1787, Jacques Charles y posteriormente Joseph Louis Gay-Lussac en 1808, demostraron

por primera vez la relación existente entre el volumen y la temperatura de un gas, cuando la

presión se mantiene constante; aunque no se conocía la existencia de la temperatura absoluta.

Encontraron una expresión lineal entre el volumen y la temperatura como se muestra en la

figura 6.1.

Figura 5.1 Relación volumen-temperatura, es una recta que si se extrapola a cero, el

volumen intersecta al eje de la temperatura en T=-273.15°C

Este comportamiento lineal puede expresarse interpolando la ecuación:

𝑉 = 𝑉0 + 𝑉0

273.15 𝑇 (1)



LIME I


Práctica 5 32

Donde V0 representa el volumen a 0°C y V el volumen a la temperatura T. La extrapolación

como se muestra en la figura 6.1, a bajas temperaturas de dichas rectas es muy significativa

pues tienden a V=0 cuando la temperatura tiende a -273.15°C, lo que es recomendable la

elección de una escala cuyo origen sea precisamente esta temperatura, esta escala es la ya

conocida escala Kelvin:

T (K) = T (°C) + 273.15 (2)

Sustituyendo la ecuación 2 en la ecuación 1, obtendremos:

𝑉 = 𝑉0 (1 + 𝑇

273.15) = 𝑉0 (

273.15+𝑇

273.15) = 𝑉0 (

𝑇

𝑇0) (3)

Donde:

𝑉

𝑇=

𝑉0

𝑇0= 𝐶 (4)

A esta igualdad se le conoce como la Ley de Charles – Gay-Lussac.

Actividades Previas a la Práctica


2. Explicar el experimento realizado por Charles y Gay-Lussac.

Equipo

Termómetro de Bulbo

Jeringa Hipodérmica Gruesa

2 Pinzas de Sujeción

Matraz Erlenmeyer

Vaso de Precipitado (1 litro)

Mechero Bunsen



LIME I


Práctica 5 33

Manguera de Hule (1 metro aproximadamente)

Tapón de Goma para el Matraz

Soporte Universal

Manómetro Tipo “U”

Un Trozo de Alambre

Probeta Graduada


1. Pasos a seguir para armar el dispositivo a utilizarse en la presente práctica y que se

representa en la figura 5.2.

a. Se inserta el termómetro en la perforación del tapón que cierra el matraz o

frasco; el bulbo del termómetro debe quedar situado cerca del centro del

recipiente que contiene el gas atrapado dentro del matraz.

b. Insertar una aguja para inyecciones hipodérmicas gruesa a través del tapón de

goma. Si el tapón es grueso, insertar la aguja formando un ángulo de

aproximadamente 60° con respecto al tapón, de modo que penetre en el

matraz.

c. Sujetar el matraz con una pinza de sujeción (el cual se colocará en la parte alta

del soporte universal), de modo que quede suspendido en el interior de un

vaso de precipitado, el cual se apoyará sobre un soporte.

d. Hacer un agitador doblando un trozo de alambre, de modo que forme un aro

que pueda introducirse en el vaso y rodee el matraz.

e. Comprobar el funcionamiento de la jeringa antes de conectarla con la aguja;

para que los resultados sean correctos, el embolo se ha de mover fácilmente.

2. Anotar las primeras lecturas (en la tabla 5.1) que darán la temperatura inicial del gas

y un volumen 0 leído en la jeringa (el volumen total del sistema será el volumen del

matraz más el volumen de la jeringa situado por debajo del embolo).

3. Observar la temperatura del aire contenido en el matraz y la posición del embolo de

la jeringa.

4. El matraz deberá estar dentro del vaso precipitado, el cual estará con agua (baño

maría), y se deberá calentar paulatinamente con el mechero bunsen, evitando calentar

el baño con demasiada rapidez.



LIME I


Práctica 5 34

Figura 5.2 Dispositivo que se armará en la práctica para demostrar la Ley de

Charles-Gay Lussac.

5. Continuar anotando los valores de temperaturas y las posiciones del embolo de la

jeringa a intervalos de 5 a 10°C que se vayan obteniendo, dentro la tabla 5.1 hasta

que la temperatura del aire dentro del matraz sea de aproximadamente 50°C.

6. Después de recolectar todos los datos, desconectar el tubo en “U” y determinar el

volumen del matraz llenándolo de agua hasta la altura determinada por la parte baja

del tapón, midiendo el volumen del agua en una probeta graduada.

7. Recuerde que el volumen total del sistema será el volumen del matraz más el volumen

de la jeringa situado por debajo del embolo.



LIME I


Práctica 5 35

N° de

Lectura

Volumen del

embolo

(cm3)

Volumen total del

aire

(cm3)

Temperatura del

aire

(°C)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tabla 6.1

Cuestionario

1. Con los datos obtenidos en la práctica, dibujar en papel milimétrico la gráfica del

volumen en función de la temperatura.

2. Preparar una segunda gráfica de variación de volumen en función a la temperatura,

utilizando una escala que vaya desde los 300°C hasta que corte el eje de las

temperaturas. La prolongación de una gráfica más allá de los puntos medidos recibe

el nombre de extrapolación gráfica.

3. De la ecuación:

Volumen = KT

Donde:

K – Constante de proporcionalidad

Evaluar esta constante a partir de los datos experimentales.

Conclusiones

Bibliografía




LIME I


Bibliografía 36

Bibliografías

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Educación Latinoamericana.

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