Laboratorio de física II.pdf

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
LABORATORIO DE FÍSICA GENERAL II
AUTORES:
Ing. Luis Gutiérrez
Ing. José Jácome
Ing. Pablo Larrea
Ing. Bolívar Pilco
Ing. Patricio Vallejo
QUITO-ECUADOR
ABRIL 2016
i
ABRIL 2016
REGLAMENTO PARA LOS ESTUDIANTES
1. Ingresar puntualmente al laboratorio. Pasado los 10 minutos del inicio de
la hora de clase NO se le permitirá ingresar al estudiante y el informe
deberá ser entregado en la oficina.
2. Las personas que no realizaron la práctica en el horario respectivo
deberán hacer solicitud al Jefe de Laboratorio, conjuntamente con la
justificación del Departamento de Bienestar Estudiantil. En el caso de no
presentar esta última justificación se sancionará al estudiante con el 40%
de la calificación de la práctica.
3. La fecha máxima para la recuperación de la práctica atrasada será de 7
días (una semana) después de la fecha en la que se debía haber
realizado.
4. La recepción de los informes serán 8 días después de haber realizado la
práctica en el mismo horario de laboratorio.
5. Evaluación de la Práctica.
· Coloquio:
· Desenvolvimiento de la práctica:
· Informe escrito:
3 puntos
2 puntos
5 puntos
6. Mantener un buen comportamiento durante el desarrollo de la práctica.
Estudiante que sea retirado de laboratorio por MAL COMPORTAMIENTO
TENDRÁ CERO EN LA PRÁCTICA RESPECTIVA.
7. Anotar las medidas realizadas en la hoja de datos para entregar al
instructor.
8. Está prohibido el ingreso de alimentos y bebidas al laboratorio.
9. Cuidar los equipos del Laboratorio.
10. Mantener el celular APAGADO durante el desarrollo de la práctica.
11. TODO AQUEL INFORME COPIADO IDÉNTICO Y/O PARCIAL SERÁN
SANCIONADOS CON CERO.
12. La entrega de informe posterior a la fecha de entrega tendrá una sanción
de 1 PUNTO MENOS por cada día de retraso.
13. Terminada la práctica dejar todo en orden, mesa, banco, equipo utilizado
y salir del laboratorio.
ii
PRÓLOGO
La presente edición del folleto de Prácticas de Laboratorio de Física Experimental es un
Manual de Laboratorio actualizado y ampliado, redactado en base a las modernas
técnicas de enseñanza.
Las prácticas listadas en este folleto, responden a los contenidos del programa de Física
General I y II, aprobado por el Concejo de Investigación y Desarrollo de la Escuela
Politécnica Nacional y, por lo tanto, tienen una muy buena estrecha relación en su
mayoría, con la enseñanza dada en el aula y con los conocimientos básicos que el
estudiante debe dominar. Lo mismo que en las ediciones precedentes, en esta se
concede la máxima importancia al método científico, al análisis y a la deducción lógica.
Las prácticas de esta edición, también constituyen para el estudiante un intensivo
adiestramiento en la selección y manejo adecuado de los instrumentos de medida, de
prueba y de ensayo, de uso general.
Los cambios que se han observado en la actual edición, son:
·
·
·
·
La formulación de los objetivos de la Práctica en términos evaluables. Al finalizar
cada experimento, el alumno y el Profesor pueden evaluar los resultados de la
misma en función de los objetivos enunciados, ya sea teóricamente y/o
cuantitativamente.
Luego de la información teórica sobre los principios de cada Práctica, se han
establecido un cierto número de preguntas para ayudar al alumno a determinar
por si mismo y ante el Profesor, si ha asimilado y comprendido bien, los principios
del experimento que va a realizar. Estas preguntas deben ser contestadas antes
de realizar la práctica.
El procedimiento de cada experimento, los trabajos y las respuestas a las
preguntas de la parte final del mismo, son pasos que marcan el progreso de los
estudiantes y les prepararán para adquirir una conveniente experiencia en las
operaciones del proceso que constituyen la correspondiente práctica.
El análisis de los resultados obtenidos en base a los datos tomados durante el
experimento, el análisis del error y la comparación con los valores de las Tablas,
obligan al estudiante a sacar sus propias conclusiones, e incrementan su interés
e imaginación.
El continuo avance tecnológico y las posibilidades de conducción y control de
experimentos por computadora, han determinado muchos cambios en la práctica de la
experimentación; pero, a pesar de lo señalado anteriormente, a habido poca o ninguna
modificación en los principios básicos que sustentan los procesos experimentales; por
lo tanto, aún es imprescindible entrenarse formalmente en tales principios. En realidad,
hoy en día quizá sea más necesario de lo que era hace dos o tres décadas atrás, hacer
hincapié en estos principios, principalmente considerando la posibilidad actual de que el
experimentador se quede totalmente aislado del fenómeno que investiga, por una
barrera casi impenetrable de equipos de procesamiento de datos y de nuevos procesos
de análisis. En estas circunstancias, fallas totalmente inadvertidas pueden generar
resultados finales de poco o ningún significado.
Finalmente, el uso del tiempo de Laboratorio será mucho más fructífero, cuando los
experimentos se acepten como verdaderos problemas que deben ser resueltos por el
estudiante.
iii
ÍNDICE
01 Simbología, uso del multímetro y otros aparatos de medida de tensión y
corriente ………………………………………………………..…………..………..…1
02 Dilatación lineal de Sólidos……………………………………………..………...11
03 Distribución de velocidades moleculares y función de distribución de Maxwell y
Boltzmann ……………………………………....…………………………...……..….20
04 Equivalente mecánico del calor….…………………………………………......…32
05 Capacidad calorífica de los gases .……………………...….……….………….....43
06 Calor latente de vaporización del agua...………………………………….……..54
07 Carga Eléctrica………………………...…………………...…………………...…63
08 Efecto Joule……...…………………………..………………………………...…...77
09 Ley de los Gases .……..…………………………………………………………....85
10 Ley de OHM……...………………………………………………………………...95
11 Dieléctrico …….…….…………………………………………………………….105
iv
PRACTICA
N° 01
TÍTULO:
SIMBOLOGIA, USO DEL MULTIMETRO Y OTROS
APARATOS DE MEDIDA DE VOLTAJE Y CORRIENTE
OBJETIVO:
▪ Estudiar el código de colores de las resistencias.
▪ Aprender a utilizar el multímetro como óhmetro para medir
el valor de las resistencias.
▪ Aprender a utilizar el multímetro como amperímetro para
medir corriente continua.
▪ Aprender a utilizar el multímetro como voltímetro para
medir voltaje continuo.
▪ Conocer los símbolos de los circuitos eléctricos.
▪ Identificar y conocer los diferentes componentes de los
circuitos eléctricos como: Fuente de Corriente Alterna (AC)
y Corriente Continua (DC), resistencias, amperímetros y
voltímetros.
MÉTODO:
Mediante el estudio del código de colores de las resistencias
y el uso adecuado del multímetro, se tomarán medidas
voltaje, intensidad y resistencia, las cuales se compararán
con los resultados obtenidos teóricamente.
A través del uso de la simbología estándar se pretende
familiarizar e incentivar al estudiante en el manejo de
circuitos eléctricos, y las diferentes leyes que rigen a estos
circuitos.
TEORÍA:
Los componentes básicos de los circuitos eléctricos son:
FUENTES DE CORRIENTE CONTINUA
Las fuentes son elementos activos; y de acuerdo a sus características o
comportamiento frente a distintas cargas los podemos clasificar en dos tipos: los
generadores de voltaje y los de corriente.
Al voltaje se lo conoce con diferentes nombres como: tensión, diferencia de
potencial.
El voltaje es igual a la diferencia de potencial entre dos puntos. Y es continuo
cuando no cambia de polaridad en el tiempo, es decir que el borne positivo de la
fuente (el de mayor potencial) es siempre el mismo, al igual que el negativo o de
menor potencial.
El voltaje se mide siempre entre dos puntos del circuito y su unidad es el voltio
[V].
1
Física Experimental II
Aunque la diferencia de potencial es un valor no vectorial (escalar) se atribuye
un sentido en el que trata de hacer circular la corriente convencional. La corriente
“trata” de salir por el borne positivo de la fuente, aunque a veces los parámetros
del resto del circuito la hacen circular en sentido contrario. En un circuito eléctrico
una fuente continua se representa con los siguientes símbolos.
i
i
i
FUENTES DE TENSIÓN ALTERNA
Son generadores de voltaje (los más comunes) o de corriente. Se llama de
voltaje alterno porque la polaridad de los bornes de la fuente cambian en el
tiempo, este cambio es generalmente periódico y la onda de voltaje que se
grafica en función del tiempo tiene generalmente una forma senoidal. En un
circuito eléctrico una fuente alterna se representa con el siguiente símbolo:
CORRIENTE CONTINUA
Se denomina corriente al movimiento de cargas (electrónes) a través de un
circuito. Si este movimiento es en un solo sentido de circulación es corriente
continua. A pesar de que la corriente es un valor escalar se la señala en los
circuitos con una flecha, para indicar su sentido de circulación.
CORRIENTE ALTERNA
Si la corriente dentro del circuito se mueve en ambos sentidos de circulación es
llamada corriente alterna. A pesar de que la corriente es un valor escalar y circula
en ambos sentidos se la suele señalar con una flecha para indicar valores
instantáneos de circulación.
La unidad de la corriente es el Amperio [A]. En un circuito eléctrico la corriente
se representa con el siguiente símbolo:
i
2
Física Experimental II
RESISTENCIA ELECTRICA
La unidad de la resistencia eléctrica es el Ohm [Ω]. En un circuito eléctrico una
resistencia se representa con los siguientes símbolos:
Las resistencias de baja potencia, son resistencias de carbón recubiertas por
una capa de pintura aislante, donde por medio de un código de colores
normalizado se indica su valor óhmico (valor de resistencia en Ohms); este
código ha sido adoptado por la mayoría de los fabricantes de estos elementos.
El código de color está formado por cuatro franjas de colores. El orden,
significado y valor de cada color se indica a continuación.
CIFRA
MULTIPLICADOR TOLERANCIA
EQUIVALENTE
Negro
0
100
Marrón
1
101
Rojo
2
102
Naranja
3
103
Amarillo
4
104
Verde
5
105
Azul
6
106
Violeta
7
107
Gris
8
108
Blanco
9
109
Oro
0,1
± 5%
Plata
0,01
± 10%
Sin color
± 20%
COLOR
CAÍDA DE TENSIÓN
Siempre que circula la corriente por una carga se produce una caída de tensión.
La caída de tensión es una diferencia de potencial.
3
Física Experimental II
Esta caída de tensión tiene una polaridad que depende del sentido de la corriente
circulante. La caída de tensión tiene un polo positivo en el punto por donde la
corriente entra en la carga (por ejemplo: una resistencia).
Si la corriente circulante es continua la caída de tensión será continua, si la
corriente circulante es alterna la caída de tensión en la carga será alternada.
El valor en voltios de la caída de tensión en una resistencia se calcula con la Ley
de Ohm.
VOLTÍMETRO
ܴሾȳሿ ൌ
௏ሾ௏ሿ
ூሾ஺ሿ
(1)
Aparato que mide voltajes eficaces tanto en continua como en alterna, y su
colocación es de forma obligatoria en "paralelo" al componente sobre el cual se
quiere medir la caída de tensión.
V
ERRORES AL MEDIR CON VOLTÍMETROS
Al medir con un voltímetro se comete un pequeño error porque dentro del
voltímetro hay un resistencia interna (R int.), que tiene un valor muy grande (se
suele aproximar a infinito).
AMPERÍMETRO
Aparato que mide el valor medio de la corriente, y su colocación es de forma
obligatoria en serie con el componente del cual se quiere saber la corriente que
le atraviesa.
A
4
Física Experimental II
ERRORES AL MEDIR CON AMPERÍMETROS
Como ocurre con el voltímetro, al medir con el amperímetro se comete un error
debido a una resistencia interna (R int.) de valor muy pequeño, que se suele
aproximar a cero.
ÓHMETRO
Aparato que mide el valor de las resistencias, y que de forma obligatoria hay que
colocar en paralelo al componente separado del circuito, es decir sin que le
atraviese ninguna corriente.
APARATOS Y ESQUEMAS:
Nombre
Voltímetro
Marca
Catálogo
Capacidad
Apreciación
Amperímetro
Óhmetro
Resistencias
Fuente de poder
PROCEDIMIENTO Y TABLA DE DATOS:
DETERMINAR EL VALOR DE LA RESISTENCIA
1. Encender el multímetro en la opción correcta para la lectura de
resistencias.
2. Colocar entre los bordes de la resistencia selecciona y determinar el valor
de las diferentes resistencias.
3. Anotar los valores medidos en la tabla 1.
TABLA 1
Resistencia
n
1
2
3
4
Valor medido
[Ω]
5
Física Experimental II
Valor calculado
[Ω]
Error
%
DETERMINAR EL VALOR DEL POTENCIAL
1. Armar el circuito con las diferentes resistencias como se muestra en la
figura 1.
2. Leer el voltaje con el voltímetro en cada una de las resistencias y en la
fuente.
3. Medir el voltaje total del circuito.
4. Conectar el amperímetro en los diferentes puntos y medir la corriente que
circula por cada resistencia.
5. Medir la corriente total que circula por el circuito.
6. Anotar los valores medidos en la tabla 2.
TABLA 2
Resistencia
N
1
2
3
4
Total
Voltaje
medido
[V]
Intensidad
Medida
[A]
Resistencia Resistencia
calculada
medida
[Ω]
[Ω]
R1
Error
%
R2
R3
R4
Figura 1
TRATAMIENTO DE DATOS:
Realice todos los cálculos y adjunte un anexo si es necesario
1. Mediante el uso del código de colores de las resistencias determinar el
valor de cada una de las resistencias que se utilizaron en la práctica y
calcular el error. Anotar los resultados en la tabla 1. Ejemplo de cálculo.
6
Física Experimental II
2. Mediante la ley de Ohm determinar el valor de cada una de las
resistencias que se utilizaron en la práctica y calcular el error. Anotar en
la tabla 2. Ejemplo de cálculo.
3. Determinar la resistencia equivalente total del circuito, mediante la suma
de las resistencias en serie y paralelo, y comparar con la que se obtiene
por la ley de Ohm. Ejemplo de cálculo.
4. Graficar voltaje en función de la corriente. Calcular la pendiente.
Interpretar el gráfico.
7
Física Experimental II
PREGUNTAS:
1. ¿Qué son las leyes de Kirchhoff y cómo se aplican estas leyes en los
circuitos eléctricos?
2. En un reóstato, indique cual debe ser la conexión y la posición de su
cursor para obtener: 1. Resistencia mínima, 2. Resistencia máxima
Explique en un diagrama.
3. Presente de manera más detallada las características observadas de los
aparatos de medida, los elementos pasivos fijos y variables (ejemplo:
reóstato y resistencias de carbón) ocupados en la práctica.
8
Física Experimental II
4. Mediante las leyes de Kirchhoff determinar la corriente que circula por
cada una de las resistencias en el circuito y calcular el error más probable
con la corriente medida.
5. Explique qué pasa si se desea medir con el voltímetro la caída de
tensión en una resistencia muy cercana a 0 [ȳ]. ¿Cuál será el valor
medido por el voltímetro?
6. Explique la conexión del amperímetro y del voltímetro en un circuito
eléctrico, y detalle qué pasaría si se los conecta incorrectamente.
9
Física Experimental II
CONCLUSIONES (MÍNIMO 5):
RECOMENDACIONES (MÍNIMO 5):
BIBLIOGRAFÍA:
10
Física Experimental II
PRACTICA
N° 02
TÍTULO:
DILATACIÓN LINEAL DE UN SÓLIDO
OBJETIVO:
Determinar experimentalmente el coeficiente de dilatación
lineal de varillas metálicas.
MÉTODO:
Mediante el uso de un dilatómetro, se determina el
incremento de la longitud de una varilla metálica, al
producirse un incremento controlado de temperatura.
Relacionando la longitud inicial, el incremento de la longitud
y la variación de temperatura, se determina el coeficiente de
dilatación lineal de una varilla.
TEORÍA:
TEORÍA:
Toda sustancia está constituida por moléculas, sean estas monoatómicas o poli
atómicas, y al entregar energía en forma de calor a dicha sustancia, las
moléculas captan esa energía e incrementan su energía individual. Esta energía
captada por cada molécula se reparte dentro de la misma de acuerdo a sus
grados de libertad, incrementándose las energías: de vibración, potencial,
traslación y rotación.
Cuando en un sólido las moléculas están dispuestas en forma ordenada, se tiene
un sólido cristalino. La variación de la energía de cada molécula determina una
variación en las distancias de las moléculas y en sus posiciones, haciendo que
varíe el cristal que constituyen dichas moléculas, lo cual conduce a un cambio
de la forma del cuerpo y de su volumen. Este cambio en las dimensiones del
sólido se conoce como dilatación.
Si el sólido está formado de tal manera que una de sus dimensiones predomina
notablemente con respecto a las otras, la variación de esta dimensión también
es notable en comparación de la que ocurre en las otras. En este caso, por
convención, se dice que hay una dilatación lineal.
Se ha encontrado que para iguales condiciones de longitud y variación de la
temperatura, la variación de la dimensión depende de cada sustancia y esto se
puede expresar mediante un coeficiente de dilatación lineal, que puede
expresarse así:
Dl
a=
loDT
11
Física Experimental II
(1)
en donde:
∆l = l – lo
∆T = T-To
lo = Longitud inicial
l = Longitud final
To = Temperatura inicial
T = Temperatura final
∆l = Variación de la longitud
α = coeficiente de dilatación lineal
Este coeficiente expresa la variación de la longitud por cada grado Kelvin de
variación de temperatura y por unidad de longitud. De aquí se obtiene la longitud
a una temperatura cualquiera:
l = lo (1+ α ∆T)
(2)
El coeficiente de dilatación lineal, para ciertos intervalos de temperatura,
permanece constante (aproximadamente), pero en general es una función de la
temperatura. Para trabajos rigurosos, debe tomarse en cuenta la variación del
coeficiente.
·
Explique brevemente sobre los mecanismos de transferencia de calor
·
Al entregar energía calorífica a un sólido, este responde variando su
temperatura o variando sus dimensiones?
APARATOS Y ESQUEMAS.
APARATO
1) 1 Dilatómetro
2) 1 Fuente de energía 6
MARCA
[V]
3) 1 Termómetro
4) 1 Varilla de Bronce
5) 1 Varilla de Acero
12
Física Experimental II
CAPACIDAD
APRECIACIÓN
6) 1 Varilla de Al
APARATO
7) 1 Regla graduada
8) 1 Fuente de Calor
9) 1 Erlenmeyer
10) 1 recipiente de vidrio
11) Mangueras de
caucho
MARCA
CAPACIDAD
APRECIACIÓN
9
3
2
1
PROCEDIMIENTO Y CUADRO DE VALORES.
Se dispone de tres varillas metálicas de materiales diferentes.
1. Se instala el equipo de acuerdo al esquema respectivo. En el Erlenmeyer
se pone agua hasta que esté en ebullición.
2. Se lee la temperatura To de la varilla antes de conectar el vapor.
3. El tornillo micrométrico del aparato debe moverse lentamente hasta que
al contactar a la varilla, emita luz la lámpara, se anota dicha lectura y se
retira el tornillo. Se repite esta operación y se anota la lectura (Lo).
4. Se retira luego el tornillo micrométrico hasta una distancia prudencial, este
procedimiento es importante, si no lo hace, puede destruir el aparato.
13
Física Experimental II
5. El vapor de agua es conectado al dilatómetro y el residuo se recibe en un
recipiente. Anotar la temperatura T después de tener 10 minutos
conectado el vapor al dilatómetro.
6. Se manipula el tornillo hasta que la lámpara emita luz, se anota el valor.
Se repite este procedimiento por segunda vez. De los valores se sacan
los promedios respectivos (L).
7. Se suspende el vapor de agua, dejando listo para repetir el experimento,
En forma similar se procede con las otras varillas.
VARILLA
LO
LOPROM
∆L
∆LPROM
TO
T
∆T
α EXP
α
TAB
CÁLCULOS Y TRATAMIENTO DE DATOS.
1. Determinar el coeficiente de dilatación de cada varilla y comparar con los
datos tabulados (calculando el porcentaje de error entre ambos
valores).Ejemplo de cálculo.
14
Física Experimental II
2. Obtener las fórmulas para calcular los coeficientes de dilatación
superficial y volumétrica.
3. Determinar los coeficientes de dilatación superficial y volumétrica con los
datos obtenidos en la práctica y con los datos tabulados (calcule el
porcentaje de error entre ambos valores).
4. Comente los resultados de los literales 1 y 3.
15
Física Experimental II
PREGUNTAS.
1. Explique y grafique que son las “Redes de Cristalinas de Bravais”.
2. En la práctica se comprobó que al aumentar la temperatura de un sólido,
varían las dimensiones del mismo, ¿qué sucede con los gases al
aumentar su temperatura?
3. ¿Qué es el calor y que tipos de transferencia de calor se producen en este
experimento, argumente su respuesta?
16
Física Experimental II
4. Qué es el esfuerzo térmico, ilustre el concepto con un ejemplo.
5. Encontrar el cambio de volumen de una esfera de aluminio (Al) de 20,0
cm de radio, cuando se calienta de 0 hasta 200ºC.
6. Dar ejemplos prácticos en donde se tome en cuenta este fenómeno
relacionado a su carrera.
17
Física Experimental II
7. Explicar la ley de Fourier y su aplicación a la transferencia de calor
8. ¿Qué representaría la pendiente de la gráfica Variación de longitud vs
Variación de temperatura?
18
Física Experimental II
CONCLUSIONES (MÍNIMO 5):
RECOMENDACIONES (MÍNIMO 5):
BIBLIOGRAFÍA.
19
Física Experimental II
PRACTICA
N° 03
TITULO:
DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDADES MOLECULARES Y
FUNCIÓN DE DISTRIBUCIÓN DE MAXWELL Y
BOLTZMANN
OBJETIVO:
- Determinar experimentalmente la distribución de
velocidades de las moléculas en sistema considerado como
un gas ideal.
- Comparar los resultados experimentales con los obtenidos
mediante la función de distribución de Maxwell y Boltzmann.
.
MÉTODO:
Mediante el equipo de simulación del comportamiento
cinético de los gases, se determina experimentalmente la
distribución de velocidades para un sistema considerado
como un gas ideal a una temperatura T y se comparan con
los resultados teóricos obtenidos de la ecuación de
distribución de Maxwell y Boltzmann.
TEORÍA:
En un gas ideal contenido en un recipiente, el movimiento de las moléculas es
aleatorio, es decir, todas las direcciones del espacio son igualmente probables,
pero no es posible que todas las velocidades de las moléculas sean igualmente
probables.
Al trabajar con un número grande de partículas del rango del número de
Avogadro, no es posible determinar la velocidad de una determinada molécula
debido a que las colisiones con otras moléculas hacen que ésta cambie
incesantemente. Para determinar una función de la distribución de velocidades
moleculares, se recurre a métodos estadísticos, en este caso la función de
distribución de velocidades de Maxwell y Boltzmann la cual puede expresarse
así:
ௗே
ே
ଶ
௠ ଷȀଶ
ൌ ටగ Ǥ ቀ௞Ǥ்ቁ
ଶ
Ǥܿ Ǥ݁
En donde:
20
Física Experimental II
೘Ǥ೎మ
൰
మೖ೅
ି൬
Ǥ ݀ܿ
(1)
dN/N = fracción de moléculas que se mueven en el intervalo (c, c+dc)
m= masa de las moléculas (kg)
T = Temperatura (K)
c= velocidad (m/s)
k = constante de Boltzmann (J/K)
La ecuación 1 describe la probabilidad de que la velocidad de una molécula se
encuentre dentro del intervalo (c, c+dc), y de ésta se deduce que la probabilidad
de encontrar una molécula de gas con velocidad c depende de la temperatura
absoluta y de la masa del gas.
Al graficar la función de distribución de las velocidades se obtiene una curva
como la que se observa en la Figura 1.
Fig. 1 Distribución de las velocidades de las moléculas de oxígeno a 273 K
A partir de la ecuación de Maxwell y Boltzmann se pueden derivar tres
expresiones de la velocidad: velocidad más probable (ܿҧ௠௣ ×ܿ௪ ), velocidad
promedio (ܿҧ) y velocidad cuadrática media (ܿҧ௖௠ ).
La expresión de la función de la distribución de velocidades considerando la
velocidad más probable es la siguiente:
ௗே
ே
ସ
ଵ
ൌ గ Ǥ ቀ௖ మ ቁ
ೢ
ଷȀଶ
Ǥ ܿଶǤ ݁
21
Física Experimental II
೎మ
൰
೎ೢ మ
ି൬
Ǥ ݀ܿ
(2)
1. Escriba las expresiones de la velocidad más probable, promedio y cuadrática
media en función de la constante de los gases (R) y la constante de
Boltzmann (k).
2. En la Figura 1 ubique y comente donde se encuentra la velocidad más
probable, la velocidad promedio y la velocidad cuadrática media.
3. Indique dos aplicaciones físicas de la distribución de Maxwell y Boltzmann
22
Física Experimental II
APARATOS Y ESQUEMAS:
NOMBRE
MARCA
CATÁLOGO
CAPACIDAD
APRECIACIÓN
Cámara de
simulación
cinética
Fuente de DC
Estroboscopio
Digital
Balanza de
precisión
Cronómetro
Fig. 2 Montaje del equipo de simulación cinética de gases
23
Física Experimental II
PROCEDIMIENTO Y TABLA DE DATOS:
1.
Armar el equipo como se muestra en la Fig. 2
2.
Determinar el peso promedio de una esfera de cristal, pesando un número
conocido de esferas (por ejemplo 20) en la balanza de precisión y
registrarlo en la Tabla 1.
3.
Determinar el número medio de esferas de cristal expulsadas de la
cámara durante un minuto. Para ello, se deberá llenar la cámara del
equipo con 400 esferas de cristal y fijar las siguientes condiciones: altura
del pistón superior 6 cm y frecuencia del oscilador 50 Hz (controlado por
el estroboscopio).
4.
Abrir la salida de la cámara durante 1 minuto y determinar el número de
esferas expulsadas mediante el peso de las esferas contenidas en los
compartimentos del dispositivo de recepción. Registrar el peso y la
cantidad de esferas en la Tabla 1.
5.
Llenar la cámara con las esferas recolectadas y repetir el paso 4 dos
ocasiones más, registrar el peso y la cantidad de esferas en la Tabla 1.
6.
Calcular el promedio de esferas expulsadas con los datos obtenidos del
paso 4 y 5; posteriormente registrarlo en la Tabla 1.
7.
Llenar el número promedio de esferas expulsadas en cada uno de los 4
vasos de precipitación.
8.
Realizar los siguientes ajustes al equipo: altura del pistón 6 cm, diferencia
de altura entre salida y el receptor 8 cm, frecuencia del oscilador 50 Hz y
400 esferas dentro de la cámara.
9.
Abrir por 5 minutos el compartimento de salida de la cámara luego de que
la frecuencia sea estable. En cada minuto, y con la finalidad de mantener
una densidad constante de esferas, verter en la cámara el contenido de
cada uno de los vasos de precipitación.
10.
Determinar el número de esferas en cada uno de los 24 compartimentos
y registrar los datos obtenidos en la Tabla 2.
11.
Repetir los pasos 8, 9 y 10 por 2 ocasiones y registrar los datos obtenidos
en la Tabla 2.
24
Física Experimental II
TABLA 1.
Peso promedio de 1 esfera :
Repetición
Peso [g]
[g]
Número de esferas
1
2
3
Número promedio de esferas expulsadas
TABLA 2. (a)
# de compartimento
Repetición
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
18
19
20
21
22
23
24
1
2
3
Promedio
TABLA 2. (b)
# de compartimento
Repetición
13
14
15
16
1
2
3
Promedio
25
Física Experimental II
17
TRATAMIENTO DE DATOS:
1. Con los datos de la TABLA 1, calcular el número de esferas promedio
expulsadas de la cámara del equipo por 1 minuto.
2. Con los datos de la TABLA 2, calcular el valor promedio de esferas para cada
compartimento.
3. Calcular la velocidad de las esferas para cada compartimento del equipo
receptor mediante la siguiente ecuación:
Donde:
ܿ ൌ ‫ݏ‬Ǥ
௚
ଶǤ௛
ൌ ‫ܭ‬Ǥ ‫ݏ‬
(3)
g = aceleración en la superficie terrestre (9,8 m/s )
h = altura de diferencia entre la salida de la cámara y el equipo receptor
s = distancia desde la salida de la cámara hasta el compartimiento
2
26
Física Experimental II
4. Realizar en papel milimetrado el diagrama EXPERIMENTAL de la distribución
de velocidades a partir de los datos experimentales considerando la siguiente
función :
ଵ ே೔
Ǥ
σ ே೔ ο௖
ൌ ݂ሺܿሻ
(2)
Donde : N = número de esferas en el intervalo i , i=1,2,3….24
∆c = velocidad en el intervalo correspondiente a ∆s=1cm
i
5. Realizar en papel milimetrado el gráfico de la distribución TEÓRICA de
velocidades mediante la ecuación de distribución de Maxwell y Boltzmann
(ecuación 3).
6. Analizar y comentar los gráficos EXPERIMENTAL y TEÓRICO de la
distribución de velocidades del sistema analizado en la práctica.
7. Calcular la velocidad más probable, la velocidad promedio y la velocidad
cuadrática media del sistema analizado a una temperatura de 25 °C.
27
Física Experimental II
PREGUNTAS:
1. ¿Por qué tiende a cero la distribución de Maxwell y Boltzmann a altas
velocidades?
2. Describa mediante un diagrama de distribución de velocidades la
dependencia de la velocidad con la temperatura para un mismo gas con las
siguientes consideraciones T >T >T , además en el gráfico ubique a la
velocidad más probable y comente los resultados.
3
2
1
3. Realice un gráfico representativo de la distribución de velocidades
moleculares para el Helio y el Nitrógeno a 25 °C.
4. Indique la expresión matemática de la distribución de velocidades y espacio
combinadas e identifique a cada término de la expresión.
28
Física Experimental II
5. Indique qué función cumple el estroboscopio en el desarrollo de la práctica.
6. Obtenga el valor de la constante de Boltzmann (k).
7. Describa un método alternativo al presente para la determinación de la
distribución de velocidades de Maxwell y Boltzmann en un gas ideal.
29
Física Experimental II
CONCLUSIONES (MÍNIMO CINCO):
RECOMENDACIONES (MÍNIMO CINCO):
BIBLIOGRAFÍA:
30
Física Experimental II
31
Física Experimental II
PRÁCTICA
N° 04
TÍTULO:
EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR
OBJETIVO:
Determinar el Equivalente Mecánico del Calor, a partir del
calor creado por la fricción entre dos cuerpos.
MÉTODO:
Al realizar trabajo de fricción entre un cilindro y una banda
sintética se relaciona el trabajo entregado [J] con la cantidad
de calor generado [cal].
TEORÍA:
Cuando se realizaba trabajo para vencer la resistencia de
rozamiento, se creía que en el proceso se “perdía energía” y que al mismo tiempo
se “generaba calor”, considerando al trabajo y al calor como dos magnitudes
diferentes. La idea de calor y trabajo como formas intercambiables de energía
fue uno de los logros sobresalientes de los físicos del siglo XIX.
Previamente se había establecido el principio de conservación de la energía, sin
embargo los científicos consideraban que sólo era útil en ciertos sistemas
mecánicos. A mediados del siglo XIX James Joule y otros, demostraron una
relación entre la transferencia de energía por calor a procesos térmicos y la
transferencia de energía por trabajo a procesos mecánicos. Lo que permitió
generalizar el concepto de energía y establecer la ley de conservación de la
energía en una ley universal de la naturaleza y posteriormente la primera ley de
la termodinámica.
En su experimento Joule pretendía demostrar que el calor, al igual que el trabajo,
era una forma de energía, y que se podía obtener a partir de energía mecánica,
es decir:
WαQ
Por lo tanto,
W = J*Q
(1)
En donde J es una constante de proporcionalidad, llamada equivalente mecánico
del calor, y expresa la relación entre las unidades de energía de estos dos
sistemas (térmico y mecánico).
Joule demostró que, para elevar la temperatura de un kilogramo de agua desde
14.5 °C hasta 15.5ºC (es decir, para conseguir una energía de 1000 calorías), la
energía potencial de la masa debía disminuir en 4186 Julios. Con lo que
determinó la equivalencia entre unidades de calor y trabajo en:
4,186[J]=1[cal]
Para expresar el valor de J en otras unidades se tiene:
777,9[lb-pie] = 1054,87[J] = 1 [BTU] = 252 [cal]
32
Física Experimental II
Si un cuerpo gira, ejerce un torque sobre otro
cuerpo o sistema de cuerpos, entonces realiza
un trabajo.
La cantidad de trabajo que hace se puede
calcular del torque y del número de
revoluciones.
El trabajo mecánico se genera por la fricción
entre el cilindro y la banda sintética.
Si el cilindro gira a una velocidad constante, la
fuerza de fricción FR es igual a la diferencia
entre la fuerza gravitacional de la masa
suspendida de la banda bajo el cilindro FG y la
fuerza de la tensión de la banda sobre el cilindro
FD que se mide en el dinamómetro. Como se
observa en la figura 1
FG = M*g
FR = FG - FD
Fig: 1
(2)
(3)
Donde el trabajo mecánico está dado por la
siguiente ecuación:
W = 2p * rcil * n* FR
(4)
en donde:
M = es la masa suspendida de la banda sintética
FD = tensión de la banda medida en el dinamómetro
n = número de revoluciones
rcil = es el radio del cilindro
g = es la aceleración gravitacional.
La cantidad de calor (Q) generada por la fricción del cilindro y la banda sintética,
se determina a partir de la elevación de la temperatura desde una temperatura
inicial Ti hasta una temperatura final Tf , y de la capacidad calorífica (C) del
sistema cilindro-banda-termómetro.
Q = C*(Tf – Ti)
(5)
La capacidad calorífica (C) de un cuerpo, es la cantidad de calor requerida para
elevar la temperatura de un gramo de material en 1ºC, y es térmicamente
equivalente a la masa por el calor específico (cp) del cuerpo.
C = m*cp
(6)
Donde la capacidad calorífica total del sistema cilindro – banda – termómetro
está dado por:
33
Física Experimental II
Ctot = Ccil + Cband + Cter
(7)
Donde:
mcil = 1280g (Cobre)
mcil = 430g (Aluminio)
cpcil = 0.094 cal/g K (Cobre)
cpcil = 0.21 cal/g K (Aluminio)
Cband = mband * cpband = 0.96 cal/K
cpter =0.098 cal/g K
δter= 8.7 g/cm3
Por lo tanto el calor depende del material (cilindro) empleado.
Finalmente el equivalente mecánico del calor es igual a;
(8)
Nota: En el sistema no se consideran las pérdidas de calor al ambiente.
APARATOS Y ESQUEMAS.
APARATO
Sensor de fuerza Cobra4
Sensor de temperatura Cobra 4
Termocupla
Adaptador wireless (flash)
Cilindro de cobre
MARCA
CAPACIDAD
APRECIACIÓN
Cilindro de aluminio
Calibrador
Banda
Pesas
PROCEDIMIENTO Y CUADRO DE VALORES.
1. Montar el cilindro indicado en el rodete y medir su radio.
2. Suspender la masa de M [kg] en el sensor de fuerza utilizando la banda,
dando una vuelta alrededor del cilindro.
3. Colocar la termocupla dentro del cilindro verificando que entre el cilindro y la
termocupla exista una capa de grasa térmica.
4. Colocar el Wireless en la PC.
34
Física Experimental II
5. Prender los sensores de fuerza y temperatura
6. Abrir el programa messure y desplegar el experimento “equivalente
mecánico del calor”. Encender los sensores de fuerza y temperatura y
verificar sus lecturas en la PC.
7. Iniciar las mediciones presionando el botón
8. Presionar
para guardar la primera medición.
9. Gire el volante a una velocidad uniforme y continua y cada 100 vueltas
registrar los valores de presión y temperatura en la PC presionado el botón
10. Cuando se alcance un incremento de 10° en la temperatura parar la medición
de los parámetros presionando el botón
y transferir todos los datos al
messure.
11. Desplegar la tabla de datos en el programa y Anotar estos valores requeridos
en las tablas 1, 2 y 3.
12. Lea el número final en la cuenta de revoluciones.
13. Determine el valor promedio de la fuerza FD que indicó el sensor de fuerza
Cobra4.
TABLA 1.
Material del cilindro
RCIL [cm]
M [g]
n (totales)
FD [N]
Rter [cm]
Lter [cm]
35
Física Experimental II
TABLA 2.
Temperatura de Calentamiento:
Número de vueltas
(n)
Temperatura (°C)
36
Física Experimental II
Tiempo (s)
CÁLCULOS Y TRATAMIENTO DE DATOS.
1.- Determine el trabajo realizado por la fricción de la banda sintética con el
cilindro.
2.- Determine Ctot y el calor generado por la fricción realizado por el cilindro, la
termocupla y la banda.
3.- Calcule el Equivalente mecánico del calor J [J/cal].
37
Física Experimental II
4.- Calcule el error porcentual del valor de J y comente los resultados y posibles
causas.
5.- Grafique la temperatura [ºC] en función del tiempo [s], t = f(T): Curva de
Calentamiento y Curva de Enfriamiento. (Utilice papel milimetrado). Comente.
6.- Si se quisiera aumentar en 5 K la temperatura cuántas vueltas se debería dar
al cilindro?. Utilice J teórico para el cálculo.
38
Física Experimental II
PREGUNTAS.
1. Defina trabajo, energía, calor y temperatura. Explique con un ejemplo
cada una de ellas.
2. Explique la diferencia entre propiedad intensiva y propiedad extensiva.
Añada un ejemplo para cada propiedad.
3. Cite la 1º Ley de Termodinámica y explique cómo se aplica esta ley en el
experimento realizado.
39
Física Experimental II
4. Defina el Equivalente Mecánico del Calor.
5. ¿Qué es el calor específico? ¿Qué es la capacidad calorífica?
6. ¿Qué es una caloría?
40
Física Experimental II
7. Cite un ejemplo de aplicación de calor generado por fricción.
8. Cite otro experimento para determinar el equivalente mecánico del calor
y explique su funcionamiento mediante un gráfico.
41
Física Experimental II
CONCLUSIONES (MINIMO CINCO):
RECOMENDACIONES (MINIMO CINCO):
BIBLIOGRAFÍA
42
Física Experimental II
PRÁCTICA
N° 05
TÍTULO:
CAPACIDAD CALORÍFICA DE LOS GASES
Estudiar la magnitud física, calor, que hay que suministrar a una cantidad de
masa o sustancia para elevar su temperatura en una unidad.
Determinar la capacidad calorífica del aire a volumen
constante‫ܥ‬௩ .
Determinar la capacidad calorífica del aire a presión
constante‫ܥ‬௣ .
MÉTODO:
El calor es añadido, a un gas que está dentro de un
recipiente de cristal, por medio de una resistencia eléctrica
que es encendida. La temperatura incrementa y como
resultado la presión aumenta la misma que es medida con
un manómetro.
Bajo condiciones isobáricas la temperatura aumenta y como
consecuencia incrementa el volumen que puede ser medido
con una jeringa.
La capacidad calorífica ‫ܥ‬௩ y ‫ܥ‬௣ son calculados con el cambio
de presión y volumen respectivamente.
TEORÍA:
La primera ley de la termodinámica puede ser ilustrada
particularmente con un gas ideal. Esta ley describe la relación entre el cambio
de energía interna ܷ݀௜ , la energía intercambiada con los alrededores, y el trabajo
realizado por el sistema generalmente hablando.
݀ܳ ൌ ܷ݀௜ ൅ ‫ܸ݀݌‬
(1)
La capacidad calorífica molar ‫ ܥ‬de una sustancia resulta de la cantidad de calor
absorbido ݀ܳy la temperatura que cambia ݀ܶpor mol, donde ݊es el número de
moles.
‫ܥ‬ൌ
ͳ ݀ܳ
‫כ‬
݊ ݀ܶ
(2)
‫ܥ‬௩ ൌ
ͳ ܷ݀௜
‫כ‬
݊ ݀ܶ
(3)
Una distinción entre la capacidad calorífica molar y la constante de volumen y
presión, ‫ܥ‬௩ , ‫ܥ‬௣ de acuerdo a la ecuación (1) y (2) bajo condiciones de (ܸ ൌ
ܿ‫ݐݏ݊݋‬Ǥ ǡ ܸ݀ ൌ Ͳ), es:
Física Experimental II
43
Bajo condiciones isobáricas (‫ ݌‬ൌ ܿ‫ݐݏ݊݋‬Ǥ ǡ ݀‫ ݌‬ൌ Ͳ), se tiene:
‫ܥ‬௣ ൌ
ͳ ܷ݀௜
ܸ݀
ሺ
൅‫ ݌‬ሻ
݊ ݀ܶ
݀ܶ
(4)
ͳ
݂‫݊כܶכܴכ‬
ʹ
(5)
݂
ܴ
ʹ
(6)
Es obvio que de la ecuación (3) la capacidad de calor ‫ ݒܥ‬es una función de la
energía interna del gas. La energía interna puede ser calculada con la ayuda de
la teoría cinética de los gases con el número de grados de libertad ݂y la
constante universal de los gasesܴ:
ܷ௜ ൌ
Tomando la ecuación (3) considerando lo siguiente:
‫ܥ‬௩ ൌ
Diferenciando la ecuación de estado para los gases ideales:
‫ ܸ݌‬ൌ ܴ݊ܶ
(7)
Da como resultado lo siguiente, para presión constante:
‫݌‬
ܸ݀
ൌ݊‫ܴכ‬
݀ܶ
(8)
De la relación (4) se tiene
‫ܥ‬௉ ൌ ሺ
݂൅ʹ
ሻܴ
ʹ
(9)
Con la relación de (6) y (9) se deduce que la diferencia entre ‫ ܲܥ‬y ‫ ݒܥ‬para un gas
ideal es igual a la constante universal de los gases R.
‫ܥ‬௉ െ ‫ܥ‬௩ ൌ ܴ
(10)
El número de grados de libertad de una molécula es una función de esta
estructura. Todas las partículas tienen tres grados de traslación libre. Las
moléculas diatónicas tienen dos grados de rotación libre alrededor de su eje de
inercia principal. Las moléculas triatómicas tienen tres grados de rotación libre.
El aire consiste de oxigeno (aproximadamente 20%) y nitrógeno (en un 80%)
como una primera aproximación puede ser asumiendo.
݂ൌͷ
‫ܥ‬௩ ൌ ʹǤͷܴ
‫ܥ‬௩ ൌ ʹͲǤͺ‫ି ܭ כ ܬ‬ଵ ‫ି݈݋݉ כ‬ଵ
44
Física Experimental II
Además
‫ܥ‬௣ ൌ ͵Ǥͷܴ
‫ܥ‬௣ ൌ ʹͻǤͳ‫ି ܭ כ ܬ‬ଵ ‫ି݈݋݉ כ‬ଵ
Conteste las siguientes preguntas:
1. La constante universal de los gases ¿depende de la densidad de la
sustancia a estudiar?
2. ¿En qué se diferencia la capacidad calorífica molar y la capacidad
calorífica especifica? Explique:
45
Física Experimental II
3. Explique ¿para qué ciclos termodinámicos no se cumple la primera ley de
la termodinámica?
4. El movimiento de las moléculas de los gases dentro de un recipiente ¿De
qué forma se da?
46
Física Experimental II
5. En la gráfica indique las posibles direcciones que tienen las moléculas de
un gas encerrado en movimiento.
APARATOS Y ESQUEMAS
NOMBRE
Manómetro
de precisión
Unidad
básica cobra
3
Fuente de
Alimentación
RS 232
Cable de
datos
Cobra 3
sensor de
corriente
Dos Tapones
de goma
Jeringa de
gas
Tubo de
goma
Llave de
paso 1
MARCA
CATÁLOGO
47
Física Experimental II
CAPACIDAD
APRECIACIÓN
Llave de
paso de tres
vías
Figura N° 1. EQUIPO DE CALOR ESPECÍFICO DEL AIRE
Figura N° 2. CONEXIÓN BÁSICA DEL COBRA 3
48
Física Experimental II
PROCEDIMIENTO Y TABLA DE DATOS:
A VOLUMEN CONSTANTE
1. Conecte los aparatos de acuerdo al diagrama Figura N° 2.
2. Conecte el puerto USB al computador previamente abrir el programa
measure
3. Determine si el computador está tomando los datos de voltaje y amperaje
4. Encienda el sistema con el switched y cronometre la elevación de presión
A PRESIÓN CONSTANTE
1. Repita los pasos 1, 2, 3 del enunciado anterior
2. Seleccione una presión de trabajo y encienda el equipo
3. Con la jeringa se debe restar la presión que se encuentra marcando en
manómetro de precisión hasta llegar al valor de referencia escogido
4. Tome los datos de variación de volumen que resulta de la jeringa
TABLA 1
A volumen constante
ܲ଴
V [v]
Medición 1
I [A]
P
T [s] [mBar]
ܸ଴
V [v]
Medición 2
I [A]
P
T [s] [mBar]
49
Física Experimental II
ܶ଴
Medición 3
V [v] I [A]
T [s] P [mBar]
TABLA 2.
A presión constante
ܲ଴
V [v]
Medición 1
I [A] T [s] V [ml]
்ܲ௥௔௕௔௝௢
V [v]
Medición 2
I [A] T [s] V [ml]
ܶ଴
Medición 3
V [v] I [A] T [s] V [ml]
TRATAMIENTO DE DATOS:
1. Deducir las siguientes ecuaciones:
‫ܥ‬௩ ൌ
ܲ଴ ܸ଴
݀ܳ
ܽ‫݌‬
ሺ
െ
ሻ
ܶ଴ ሺܽ‫ ݌‬൅ ܸሻ݀‫ ݌ܽ ݌‬൅ ܸ
‫ܥ‬௣ ൌ
(11)
ܲ଴ ܸ଴ ͳ ݀ܳ
‫כ כ‬
ܶ଴ ‫ܸ݀ ݌‬
(12)
Tomando en cuenta que:
݀ܳ ൌ ܸ ‫ݐ כ ܫ כ‬
(13)
ܽ ൌ ߨ ‫ ݎ כ‬ଶ ‫ כ‬͹Ͳ
(14)
50
Física Experimental II
2. Con los datos de la Tabla 1, representar gráficamente ݀‫ܳ݀ݏݒ݌‬. (Hoja de
papel milimetrado con su respectiva escala), calcule la pendiente de la
recta.
3. Calcule ‫ܥ‬௩ experimental con la ecuación (11)
51
Física Experimental II
4. Con los datos de la Tabla 2, representar gráficamente ܸ݀‫ܳ݀ݏݒ‬. (Hoja de
papel milimetrado con su respectiva escala), calcule la pendiente de la
recta.
5. Calcule ‫ܥ‬௣ experimental con la ecuación (12)
6. Comparar y comentar los valores experimentales de ‫ܥ‬௩ , ‫ܥ‬௣ con los
valores tabulados correctamente justificados y calcular los posibles
errores porcentuales.
52
Física Experimental II
CONCLUSIONES (MINIMO CINCO):
RECOMENDACIONES (MINIMO CINCO):
BIBLIOGRAFIA
53
Física Experimental II
PRACTICA
N° 06
TÍTULO:
CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN DEL AGUA
OBJETIVO:
Determinar el valor del calor latente de vaporización del
agua.
MÉTODO:
El aumento lineal de la temperatura de una cantidad de agua
ofrece una conclusión respecto de la cantidad de calor
aportada por unidad de tiempo. Si el agua hierve, podrá
determinarse su calor de vaporización con base en la
cantidad de calor aplicada en un tiempo determinado a la
masa de agua evaporada.
TEORÍA:
Si un líquido se encuentra en un recipiente abierto, y
evapora, es decir pasa al estado gaseoso. La evaporación
tiene lugar a cualquier temperatura para cualquier líquido. La
velocidad de evaporación aumenta con la temperatura.
El fenómeno de la evaporación se explica por el hecho de que en los
líquidos, lo mismo que en los gases, las moléculas tienen diferentes energías
que pueden ser mayores o menores que la energía media, cuyo valor depende
de la temperatura. Por esta razón, cualquiera que sea la temperatura del líquido
existirán algunas moléculas tan rápidas que pueden vencer la atracción de las
moléculas contiguas y abriéndose paso a través de la capa superficial, escapan
fuera de la interfase del líquido. Entonces, cuando la temperatura aumenta, el
número de moléculas que restantes en la fase líquida disminuye, es decir, el
líquido se evapora.
Durante la evaporación se escapan del líquido las moléculas más rápidas
las cuales, al ocurrir esto, gastan una parte de energía en realizar el trabajo
necesario para liberarse de las fuerzas de cohesión intermoleculares que las
retienen dentro del líquido. De ahí se deduce, que la energía media de las
moléculas que se quedan en el líquido disminuye, es decir el líquido se enfría.
Para mantener constante la temperatura del líquido durante la
evaporación hay que darle calor desde el exterior. Este calor se llama calor de
latente de vaporización, y no se invierte en elevar la temperatura, sino en realizar
el trabajo necesario para el cambio de estado.
La temperatura de una masa
de agua se incrementa debido a la
cantidad de calor aportada, hasta la temperatura de ebullición de 100 °C (91°C
en Quito), luego permanece constante.
La cantidad de calor Q adicionalmente aportada tiene que ser consumida
en la transformación de agua en vapor.
V
54
Física Experimental II
La cantidad de calor necesaria para transformar 1 gramo de agua en
estado líquido a vapor a temperatura constante se conoce como calor latente de
vaporización C .
V
La cantidad de calor entregada por unidad de tiempo (un segundo) será:
(1)
Donde:
ܳሶ ൌ
ሺ݉‫ ܣ‬൅ ‫ܣ‬ሻ‫ ݌ܥ‬οܶ
ο‫ܣݐ‬
ܳሶ = calor entregado por segundo
= masa de agua
A = Valor en agua del calorímetro y termómetro
= calor específico del agua
= elevación de la temperatura del agua
Δ
= tiempo de calentamiento
El calor de vaporización Q es:
V
en donde:
ܳ௏ ൌ ܳሶ ‫ݐ כ‬௏
(2)
es el tiempo de evaporación.
Luego el calor latente de vaporización por unidad de masa es:
(3)
en donde:
es masa de agua evaporada.
Entonces:
(4)
55
Física Experimental II
1. ¿Qué es el valor en agua de un cuerpo y cómo se determina?
2. Deduzca la ecuación 1.
3. Explique los estados de agregación de la materia en la naturaleza.
APARATOS Y ESQUEMAS:
APARATO
Calorímetro
Vaso
Termómetro
Dinamómetro
Mechero Bunsen
Soporte Completo
MARCA
CAPACIDAD
56
Física Experimental II
APRECIACIÓN
PROCEDIMIENTO Y CUADRO DE VALORES:
1. Se suspende el calorímetro vacío del dinamómetro y se determina su masa,
luego se agregan 150 gramos de agua destilada. Anotar estos valores en la
Tabla 1.
2. Se introduce el termómetro en el calorímetro de tal manera que no impida una
variación en la longitud del resorte del dinamómetro. Calentar el agua con una
llama pequeña pero no luminosa (colocar el mechero por lo menos 5 cm
debajo del calorímetro). Agitar la masa del agua con el termómetro latente y
con cuidado. Después de empezar el calentamiento cronometrar el tiempo
necesario para un aumento de la temperatura T de 20°C. Leer el tiempo en
el aumento de la temperatura para otros dos intervalos iguales de
temperatura.
3. A partir del comienzo de la ebullición medir el tiempo t necesario para que se
evapore una masa de agua de 10 gramos, cada vez y en tres ocasiones.
Anotar estos valores en la Tabla 1.
V
57
Física Experimental II
TABLA 1.
MEDIDA
1
MEDIDA
2
MEDIDA
3
MEDIDA
4
Masa del calorímetro (g)
Masa del agua
(g)
Elevación de temperatura
de agua
(°C)
Tiempo de calentamiento Δ
(s)
Masa de agua evaporada
(g)
Tiempo de evaporación Δ
(s)
TRATAMIENTO DE DATOS:
1. Utilizando la ecuación 1 determinar la cantidad de calor apartada por segundo.
2. Con la ecuación 2 calcular el calor de vaporización Q .
V
58
Física Experimental II
3. Determine el valor del calor latente de vaporización del agua utilizando la
ecuación 4.
PREGUNTAS:
1. Indique y grafique una aplicación del calorímetro.
2. ¿Qué cambio de fase observó en el experimento? Explique a través de otro
ejemplo un cambio de fase.
59
Física Experimental II
3. Indique la diferencia entre gas y vapor.
4. Explique la Ley de enfriamiento de Newton.
5. Explique las razones por las cuales los puntos de ebullición y fundición pueden
variar.
6. Calcule el error porcentual del valor de
causas de error.
60
Física Experimental II
. Comente los resultados y posibles
7. ¿Qué es el punto triple? ¿Cómo se lo puede obtener experimentalmente?
(Incluir gráfico del punto triple).
8. ¿Qué representa el valor en agua de un sistema como el usado en la práctica?
9.
Investigue, grafique y explique el diagrama ENTALPÍA vs.
TEMPERATURA para el agua a CONDICIONES NORMALES y a las
condiciones en las que se REALIZÓ EL EXPERIMENTO. Identifique cada uno
de los componentes de la gráfica.
61
Física Experimental II
CONCLUSIONES (MÍNIMO CINCO):
RECOMENDACIONES (MÍNIMO CINCO):
BIBLIOGRAFÍA:
62
Física Experimental II
PRÁCTICA N° 07
TÍTULO:
CARGA ELÉCTRICA
OBJETIVO:
Comprobar las propiedades de las cargas eléctricas.
Reconocer los distintos métodos de electrización.
Comprobar la Primera Ley de la Electricidad.
MÉTODO:
Establecer la naturaleza de la carga eléctrica de ciertos
materiales, lograda por frotamiento y su interacción con
otras cargas estáticas.
TEORÍA:
Al igual que la masa la carga eléctrica es otra propiedad intrínseca de la
materia, la cual crea campos de fuerza en el espacio, por medio de los cuales
puede transmitir o ejercer fuerzas sobre otros cuerpos cargados y alterar su
estado de movimiento.
El conocimiento de la existencia de la electricidad, se da a partir del
experimento de Tales de Mileto, en el año 600 a.c., que descubrió que al frotar
una barra de ámbar con un trozo de piel, adquiría la notable propiedad de atraer
pequeños objetos, muy livianos, como por ejemplo pedacitos de tela, paja, etc.
Sin embargo, pasaron muchos años antes de que se vuelvan cuantitativas estas
observaciones cualitativas. La razón por la cual, los cuerpos se electrizan al ser
frotados, puede comprenderse en base a la teoría atómica de la materia, las
piezas fundamentales de la constitución de la materia son: los protones, los
neutrones y los electrones. En todo átomo, los protones y los neutrones ocupan
un espacio muy pequeño, están en el llamado núcleo del átomo. En el caso de
núcleos ligeros que sólo contienen unos cuantos protones y neutrones, el
diámetro del núcleo es de 10-15 [m], es algo mayor en núcleos pesados,
típicamente los electrones cuyo diámetro está en el orden de 10 -15 [m], están
situados a unos 10-10 [m] del núcleo.
La materia está formada por grandes cantidades de átomos y moléculas
y, de ordinario es eléctricamente neutra, lo que implica que hay números iguales
de protones y de electrones. Los electrones están ligados a sus núcleos por
fuerzas que no son insuperables, aunque si realmente muy intensas; por lo tanto,
ellos pueden pasar de un cuerpo a otro, cuando las substancias se ponen en un
estrecho contacto; es por ello que al frotar dos cuerpos se pueden transferir
electrones de un objeto a otro. Cuando esto sucede, uno de los cuerpos tendrá
un exceso de electrones, mientras que el otro tendrá una deficiencia de ellos. El
cuerpo que tenga un exceso de electrones, se hallará cargado negativamente,
en tanto que el otro, que tiene deficiencia de electrones queda cargado
positivamente. Para cargar un conductor, debe estar aislado, separado de su
medio habitual, por un aislante. En consecuencia, los cuerpos pueden estar
cargados positiva o negativamente.
63
Física Experimental II
Benjamín Franklin definió inicialmente la carga "negativa"', como la clase
de electricidad (denominada entonces "resinosa") que se manifiesta en el caucho
(hule) duro, luego de haber sido frotado con una piel de gato y, definió a la carga
"positiva" como la electricidad (llamada "vítrea" en esa época) que adquiere el
vidrio al ser frotado con seda.
A pesar de que las denominaciones de positiva y negativa fueron del todo
arbitrarias, han persistido hasta la actualidad. Una definición equivalente y más
moderna del signo de la carga eléctrica es decir que, los objetos cargados
negativamente manifiestan una carga del mismo signo que la del electrón, en
tanto que los cargados positivamente poseen carga del mismo signo que la del
protón. Experimentalmente se ha demostrado que las cargas del mismo signo
se repelen entre sí, mientras que cargas de signo contrario exhiben atracción
mutua, lo que conduce a la afirmación bien conocida de que cargas del mismo
signo se repelen y cargas de signo contrario se atraen por lo tanto, hay una
fuerza de atracción entre las cargas eléctricas de signos opuestos. Otro factor
importante de la carga eléctrica es el hecho de que aparece como un número
entero de cargas electrónicas; entonces, hasta donde se sabe, la carga del
electrón es la cantidad más pequeña de carga negativa que se puede encontrar
en la naturaleza. En forma análoga, la unidad más pequeña de carga positiva
que se puede hallar en el universo, es la carga del protón, que es numéricamente
igual a la carga del electrón pero de signo contrario. El neutrón que es
eléctricamente neutro, tiene la carga eléctrica cero; y, las cargas eléctricas de
las demás partículas elementales son cero o algún múltiplo entero de la carga
del electrón o del protón. Esta característica de la carga eléctrica de presentarse
en múltiplos de una carga elemental indivisible, se conoce como cuantización de
la carga. Otra característica en relación con la carga eléctrica es, que siempre
se conserva, lo que quiere decir que en toda interacción o reacción, los valores
inicial y final de la carga eléctrica total deben ser los mismos; por lo tanto, la
carga eléctrica total ni se crea ni se destruye.
Por lo general, si se frota una barra de vidrio con seda, el vidrio pierde
electrones y queda cargado positivamente; la seda por el contrario queda
cargado negativamente, porque capta los electrones que perdió el vidrio; si la
barra es de azufre, como este es electronegativo, capta electrones cedidos por
la seda y se carga negativamente, la seda queda cargado positivamente.
También, se puede producir intercambio de electrones cuando se frotan dos
cuerpos de la misma sustancia, por ejemplo, si se frotan dos trozos de vidrio,
uno más pulido que el otro, el menos pulido capta electrones.
Existen otras formas de cargar eléctricamente a un cuerpo aislado y que
inicialmente no se encuentra cargado; por ejemplo: por conducción, si se tiene
un cuerpo A que inicialmente ha sido cargado positivamente y un cuerpo B
inicialmente no está cargado (neutro); cuando los cuerpos se los conecta con un
conductor hay una partición de la carga, alguna carga eléctrica de A pasa por el
conductor al cuerpo B, esta transferencia de carga consiste de una transferencia
de electrones desde B hasta A, de esta manera, los dos cuerpos tienen cargas
del mismo signo y, la carga total, por supuesto, es igual a la carga original A.
64
Física Experimental II
Otra forma, por la cual el cuerpo B podría recibir una carga desde la influencia
de un cuerpo A es por inducción; si el cuerpo A cargado positivamente se coloca
cerca, pero no en contacto con el cuerpo B, algunos de los electrones de B son
atraídos por la carga positiva de A al lado de B más cercano de A; esto se conoce
como polarización; la carga del mismo signo se conoce como carga "repelida" y
la carga de signo diferente, como carga "ligada"; si en estas circunstancias,
mientras A este cerca de B. Si al cuerpo B, se le conecta a tierra, la carga
repelida será neutralizada por las cargas desde tierra, si antes de alejar el cuerpo
A del cuerpo B, se elimina la conexión a tierra, al alejar la carga inductora, el
cuerpo B quedará cargado eléctricamente, ya que la carga ligada queda
atrapada en el cuerpo.
APARATOS Y ESQUEMAS
NOMBRE
Generador de Van der Graaff
Electroscopio
Varillas inductoras
Esfera de descarga
Placa semiconductora
Cono-punta
Tiras de papel
Campanitas de Franklin
Papeles de Aluminio
MARCA
65
Física Experimental II
CATALOGO
Hoja de Datos
TRABAJO 1:
a) AMBAR
b) VIDRIO
c) EBONITA
66
Física Experimental II
TRABAJO2:
a)
b)
c)
d)
67
Física Experimental II
TRABAJO 3:
a) AMBAR
b) VIDRIO
c) EBONITA
68
Física Experimental II
PROCEDIMIENTO:
Tener presente las siguientes precauciones:
·
·
Manejar el electroscopio con cuidado, procurando siempre que la lámina
no sea atraída a la ventana de vidrio; evitar colocar cuerpos "pesadamente"
cargados en las cercanías; no colocarlo cerca de la máquina de inducción.
Cuando no esté en uso, cubra la pesilla con una capa metálica.
Evitar unir los terminales de la máquina de inducción, ya que el cortocircuito
puede invertir su polaridad. Chequear ocasionalmente la polaridad.
1. Electricidad por frotamiento:
Comprobar esta propiedad de electrización por frotamiento, al observar que
luego de frotar dos materiales entre sí puede atraer pedazos de papel. Completar
los gráficos sobre estas observaciones en la respectiva hoja de datos, en este
caso se frotara una franela y una barita de:
·
·
·
Ebonita (V)
Ámbar
Vidrio
Comprobar la electricidad positiva y negativa.
2. La primera ley de electricidad:
Por medio del generador de Van der Graaff comprobar la carga eléctrica de los
cuerpos neutros y realizar el análisis eléctrico de los mismos.
Completar el gráfico respectivo para las siguientes observaciones:
a) Cuando se colocan las TIRAS DE PAPEL sobre la esfera metálica
del generador.(cargas opuestas)
b) Cuando se dispone de un ESFERA MÁS PEQUEÑA la misma que
se encuentra en estado neutro y a una distancia muy pequeña de
la esfera metálica del generador.(Inducción)
c) Cuando se ubica la PLACA con partes metálicas sobre la esfera
metálica del generador.(Conducción e Inducción)
d) Cuando se coloca las CAMPANITAS DE FRANKLIN se observa
una carga y descarga de electrones en una esfera muy pequeña.
e) Cuando se coloca PAPELITOS DE ALUMINIO pequeños sobre la
esfera metálica.
f) Cuando se coloca una punta sobre la esfera metálica llamada
AGUJA DE DESCARGA
3. Funcionamiento del electroscopio:
69
Física Experimental II
Cargar positivamente el electroscopio, y, determinar con él la carga de
otros cuerpos electrizados. Registrar estas observaciones gráficamente.
Cargar negativamente el electroscopio y, determinar con él la carga de
otros cuerpos electrizados. Registrar estas observaciones gráficamente.
Cargar el electroscopio por conducción y por inducción. Registrar
gráficamente. Establecer la relación entre la carga del electroscopio y el
desplazamiento de las hojuelas. Registrar gráficamente estas observaciones.
( ANEXOS)
CÁLCULOS Y TRATAMIENTO DE DATOS:
TRABAJO 1.
Electricidad por frotamiento:
Representar gráficamente las observaciones realizadas con la barra de:
· Ebonita
Comente estas observaciones de la barra y de la carga con la queda el papel
luego del acercamiento.
70
Física Experimental II
·
Ámbar.
Comente estas observaciones de la barra y de la carga con la queda el papel
luego del acercamiento.
71
Física Experimental II
·
Vidrio
Comente estas observaciones de la barra y de la carga con la queda el papel
luego del acercamiento.
72
Física Experimental II
TRABAJO 2.
La primera ley de la electricidad
Representar gráficamente las observaciones realizadas, indicando el signo de la
carga eléctrica en cada caso y comentar estas observaciones.
a.
b.
c.
d.
TIRAS DE PAPEL
ESFERA DE DESCARGA
PLACA SEMICONDUCTORA
CAMPANITAS DE FRANKLIN
Anexe cada una de los gráficos con sus respectivas observaciones.
TRABAJO 3.
Funcionamiento del electroscopio:
Anexe cada una de los gráficos con sus respectivas observaciones para cada
una de las barras al estar en contacto inducido con el electroscopio.
·
·
·
Ebonita
Ámbar
Vidrio
PREGUNTAS:
1. La electricidad Estática es perjudicial cuando y porque. Explique.
2. Escriba tres aplicaciones de la jaula de Faraday.
73
Física Experimental II
3. Qué tipo de electricidad es la que genera un rayo.
4. ¿La electricidad estática que brinda el generador de Vander Graaff es de
bajo o alto Voltaje, y de baja o alta Corriente? Es perjudicial para el ser
humano.
5. Explique los principios de cuantización y conservación de la carga
eléctrica.
74
Física Experimental II
6. Cuál es la diferencia entre Inducción y Contacto.
7. Defina los siguientes conceptos físicos:
a) Densidad de Carga lineal y volumétrica.
b) Campo Eléctrico
75
Física Experimental II
CONCLUSIONES (MÍNIMO CINCO):
RECOMENDACIONES MÍNIMO CINCO:
BIBLIOGRAFÍA:
76
Física Experimental II
PRACTICA
N° 8
TITULO:
EFECTO
JOULE
ELÉCTRICA
OBJETIVO:
Determinar la relación que existe entre la energía eléctrica y
la energía calorífica.
DE
LA
CORRIENTE
TEORÍA:
El trabajo L realizado por un campo eléctrico al transportar
una carga eléctrica q entre dos puntos cuya diferencia de potencial es V, está
dado por:
L=q.V
Por otro lado de la definición: i = q / t , se tiene que el trabajo
necesario para mantener una corriente i durante un tiempo t es:
L = V. i. t
Este trabajo se transforma en calor gracias a la resistencia
intercalada en el circuito, se logra en consecuencia elevar la temperatura de los
cuerpos contiguos.
Se ha establecido que existe una relación constante entre la
cantidad de calor que se produce y el trabajo eléctrico realizado:
Esa relación recibe el nombre de equivalente eléctrico del calor o
Ley de Joule en homenaje a su descubridor. Los experimentos de Joule
demostraron que no solo la energía térmica permite elevar la temperatura, sino
que también cualquier otra forma de energía suministrada a un sistema puede
realizar el mismo efecto.
La cantidad de calor generado en el tiempo se invierte en elevar la
temperatura del agua, la de las paredes del recipiente y otros elementos del
calorímetro. Otra parte del calor es emitido por radiación al exterior. Entonces la
cantidad de calor absorbida por el sistema es:
Q = (m + k).Cp. (T - T )
2
1
Donde :
m = masa del agua [g]
k = masa equivalente en agua del calorímetro [g]
Cp= calor específico del agua [kJ/kgºC]= 4,186 [J/gºC]
T = temperatura inicial del sistema [ºC]
1
77
Física Experimental II
T = temperatura final del sistema [ºC]
2
La capacidad calorífica de un cuerpo es el producto de la masa por
el calor específico y representa el calor que se debe entregar a un cuerpo para
que eleve su temperatura en un grado Kelvin (K). La capacidad calorífica de una
sustancia equivale a cierta masa de agua que se comporta como lo haría el
cuerpo. Este es el llamado equivalente en agua del cuerpo.
Para determinar el equivalente en agua de los elementos de los
cuales se compone el calorímetro, se usa la expresión:
Cuando un sistema no está aislado térmicamente del medio
ambiente se deberá considerar la cantidad de calor que se entrega
continuamente al medio ambiente mientras dura el calentamiento. En este caso
el calor total deberá ser considerado como las suma de los calores absorbidos
por los cuerpos contiguos y el entregado al medio ambiente.
APARATOS Y ESQUEMAS:
APARATO
MARCA
CAPACIDAD
APRECIACIÓN
RECTIFICADOR
CALORÍMETRO
FUENTE
TERMÓMETRO
CRONOMETRO
A
S
V
Calorímetro
78
Física Experimental II
Amperímetro
Termómetro
Voltímetro
Calorímetro
Rectificador
PROCEDIMIENTO:
1. Se determinan las masas: del agitador, de los soportes, del termómetro,
y de aproximadamente un tercio del volumen del calorímetro de agua
pura.
2. Los valores anteriores y los equivalentes en agua de soporte y
termómetro, se anotan en la Tabla 1.
3. Se conecta el circuito eléctrico mostrado en el esquema anterior. Se pone
en marcha el cronómetro.
4. Se anotan también en la tabla N°1 los valores iniciales de corriente y
voltaje.
5. El valor de la temperatura inicial, correspondiente al tiempo 0, se anotan
en la Tabla 2.
6. Se completa la Tabla 2 registran los tiempos transcurridos para que
sucesivamente se eleve la temperatura de dos en dos grados hasta
completar 10°C de diferencia con respecto al valor inicial. Se confirma si
los valores de la corriente eléctrica y del voltaje se mantienen constantes.
7. Completados los 10 grados se abre el circuito y se toma un tiempo de 10
(min) al final de este se mide la nueva temperatura T3 y se anota en el
respectivo casillero.
79
Física Experimental II
CÁLCULOS Y TRATAMIENTO DE DATOS:
TABLA 1
Masa
agua
(g)
Masa eq.
calorímetro
Eq.
Agitador
(g)
Eq. Soportes
(g)
Eq.
Termóm.
(g)
V
(v)
TABLA 2
t (s)
T (°C)
T3 (°C)
0
Con los valores anotados en las tablas calcular:
1. El trabajo eléctrico y masa equivalente de cada uno de los materiales
utilizados, y justifique el Cp utilizado para el cálculo.
2. Calor ganado por el sistema formado por: agua, calorímetro, agitador,
soportes y termómetro, para cada intervalo de temperaturas T.
80
Física Experimental II
I
(A)
3. Realizar un gráfico del trabajo eléctrico L versus el calor generado Q,
analice y compare con el valor teórico. (Error Porcentual). Utilice una
hoja de papel milimetrado y adjunte como anexo.
4. Determine el Calor total entregado y Calor total disipado por el sistema.
5. Determine el equivalente eléctrico del calor.
6. Análisis de resultados. Discutir posibles errores
81
Física Experimental II
PREGUNTAS:
1. Describa como el calor puede transmitirse de un medio a otro.
2. Explique y compare gráficamente el fenómeno de enfriamiento y
calentamiento que ocurre durante la trasferencia de calor de un cuerpo.
3. Explique brevemente que entiende por equivalente eléctrico de calor.
Defina su dimensión.
4. Escriba las diferencias que existen entre Energía y Calor entregado.
82
Física Experimental II
5. Explique y obtenga el equivalente mecánico del calor.
6. Escriba tres aplicaciones prácticas del Efecto Joule
7. Explique un efecto negativo del Efecto Joule
CONCLUSIONES (MÍNIMO 5):
83
Física Experimental II
RECOMENDACIONES (MÍNIMO 5):
BIBLIOGRAFÍA:
84
Física Experimental II
PRÁCTICA
N° 09
TÍTULO:
LEY DE LOS GASES
OBJETIVO:
MÉTODO:
-
Investigar experimentalmente la validez de la ley de los
gases ideales.
-
Analizar la Ley de Boyle y Mariotte de procesos
isotérmicos.
-
Analizar la ley de Gay- Lussac de procesos isobáricos.
El estado de un gas es determinado por su temperatura,
presión y cantidad de substancia. Para el caso de los gases
ideales, estas variables están ligadas a la ley ideal de los
gases. Para un cambio de estado bajo condiciones
isobáricas la ecuación se convierte en la primera Ley de
Gay-Lussac mientras que para condiciones isocóricas,
volumen constante, se convierte en la Ley de Amonton y en
el caso de proceso isotérmico en la Ley de Boyle y Mariotte.
TEORÍA:
La ecuación de los gases ideales describe el estado termodinámico de un gas
confinado a partir de sus parámetros de estado; presión P, volumen V,
temperatura T y número de moles del gas n.
ࡼࢂ ൌ ࢔ࡾࢀ
(1)
R= Constante universal de los gases.
Para un constante y determinado número de moles se tiene:
‫࢏ࢂ ࢏ࡼ ܄۾‬
ൌ
ൌ ࢔ࡾ ൌ ࡯࢕࢔࢙࢚ࢇ࢔࢚ࢋሺ૛ሻ
‫܂‬
ࢀ࢏
Donde Pi, Vi, y Ti son la presión, volumen y temperatura iniciales
A partir de la ecuación 2 se derivan tres diferentes leyes para describir el
comportamiento del gas dependiendo del proceso al que esté sometido:
Isobárico, Isocórico o Isotermico.
85
Física Experimental II
La ley de Boyle y Mariotte (proceso isotérmico) describe el comportamiento de
la presión y el volumen de un gas cuando la temperatura se mantiene constante,
en este caso la ecuación de los gases ideales se expresa:
ൌ ܲ௜ ܸ௜ ൌ ܴ݊ܶ ൌ ‫݁ݐ݊ܽݐݏ݊݋ܥ‬ሺ͵ሻ
ൌ ܲ௜ ܸ௜ ሺͶሻ
ͳ
ൌ ܴ݊ܶ ሺͷሻ
ܸ
La ley de Gay-Loussac (proceso Isobárico) describe el comportamiento del
volumen y la temperatura de un gas al mantener la presión constante, en este
caso la ecuación de los gases ideales se expresa:
ܸ௜ ܴ݊
ൌ ൌ
ൌ ‫݁ݐ݊ܽݐݏ݊݋ܥ‬ሺ͸ሻ
ܶ௜
ܲ
ൌ
ܸ௜
ܶሺ͹ሻ
ܶ௜
ൌ
ܴ݊
ܶሺͺሻ
ܲ
La ley de Amonton (proceso isocórico) describe el comportamiento de la
presión y la temperatura de un gas al mantener el volumen constante, en este
caso la ecuación de los gases ideales se expresa:
ܲ௜ ܴ݊
ൌ ൌ
ൌ ‫݁ݐ݊ܽݐݏ݊݋ܥ‬ሺͻሻ
ܶ௜
ܸ
ൌ
ܸ௜
ܶሺͳͲሻ
ܶ௜
ൌ
ܴ݊
ܶሺͳͳሻ
ܸ
86
Física Experimental II
APARATOS Y ESQUEMAS.
Adaptador
Wireless
Entrada de
agua
Termocupla
Chaqueta
con agua
Sensor de presión y
temperatura Cobra4
Plancha de
calentamiento
Embolo
Figura 1
APARATO
Set de vidrio del equipo de ley de
gases (émbolo y chaqueta de vidrio)
MARCA
Wireless (flash)
Adaptador de Wireless
Sensor de presión y temperatura
Termocupla
Barra de agitación
Imán
Embudo
Erlenmeyer de 250 ml
Recipiente de vidrio para agua
87
Física Experimental II
CAPACIDAD
APRECIACIÓN
PROCEDIMIENTO Y CUADRO DE VALORES.
Procedimiento general
1. Montar el equipo como se muestra en la figura 1.
2. Asegurarse de que el émbolo se encuentre debidamente aceitado.
3. Colocar dentro la chaqueta de vidrio una cantidad de agua de tal manera que
cubra completamente el cilindro interno e insertar el agitador.
4. Encender los sensores y verificar su funcionamiento.
5. Conectar el adaptador Wireless al PC.
6. Abrir el programa de trabajo “messure”
La Ley de Boyle y Mariotte
1. Dentro del programa messure desplegar el experimento “Ley de Boyle”
(11.06) y reconocer los parámetros de medición en la PC.
2. Colocar el volumen en 40 ml aproximadamente.
3. Iniciar las mediciones presionando el botón
4. Presionar para guardar la primera medición.
5. Incremente el volumen en 1 ml y guarde los valores de medición presionando
en cada ocación el botón . Guarde los valores hasta cuando se haya
alcanzado los 55 ml.
6. Parar la medición de los parámetros presionando el botón y transferir todos
los datos al messure.
7. Para corroborar las mediciones calcular mediante la ecuación (4) la presión
para cada volumen, asumiendo como presión inicial 770 hPa. Anotar los
resultados en la Tabla 1.
La ley de Charles y Gay-Loussac
Dentro del programa messure desplegar el experimento “Ley de Charles”
Reconocer que parámetros se están midiendo en la PC
Colocar el volumen en 50 ml aproximadamente.
Iniciar las mediciones presionando el botón
Grabar la primera medición, presionando
Prender la plancha de calentamiento
Agitar con el imán para mantener una temperatura homogénea en el agua.
Tomar las medidas de presión y temperatura en cada ml de aumento en el
volumen haciendo clic en el botón . Debido al incremento de temperatura el
gas dentro del tubo se expande haciendo que el émbolo se mueva y el
volumen aumente
9. Cuando la expansión llegue a 60 ml, apagar la plancha de calentamiento y
esperar hasta que el émbolo llegue a 61 ml y registrar el último valor.
10. Parar la medición de los parámetros presionando el botón y transferir todos
los datos al programa.
11. Para corroborar las mediciones calcular mediante la ecuación (7) la
temperatura para cada volumen, asumiendo como temperatura inicial la
temperatura ambiente. Anotar los resultados en la Tabla 2
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
88
Física Experimental II
TABLA 1
Datos para la ley de Boyle y Mariotte
Volumen
(ml)
Presión
experimental (hPa)
Presión
teórica (hPa)
T= const=
(K)
Pendiente de la curva P vs 1/V:
nRT=
(hPa ml)
TABLA 2: La ley de Charles y Gay-Loussac
Volumen
(ml)
Temperatura
experimental (K)
Temperatura
teórica (K)
P= const=
(hPa)
Pendiente de la curva V vs T:
nR/P=
89
Física Experimental II
(ml/K)
CÁLCULOS Y TRATAMIENTO DE DATOS.
1. Calcular el número de moles para cada leyes a partir del volumen inicial
ocupado y el volumen molar a 273,15 K. Vm=22,414 L/mol
Experimento
La ley de Boyle y Mariotte
(proceso isotérmico)
La ley de Gay-Loussac
(proceso Isobárico)
Volumen inicial (ml)
Moles (mmol)
2. Calcular la constante universal de los gases con cada una de las
pendientes obtenidas en la experimentación.
Experimento
La ley de Boyle y Mariotte
(proceso isotérmico)
La ley de Gay-Loussac
(proceso Isobárico)
Pendiente
90
Física Experimental II
R (Nm/Kmol)
3. Consultar el valor de la constante universal de los gases teórica y calcular
el error porcentual de R obtenida en cada experimentación. Comente.
Experimento
La ley de Boyle y Mariotte
(proceso isotérmico)
La ley de Gay Loussac
(proceso Isobárico)
R (Nm/Kmol)
Error porcentual (%)
4. A partir de la Tabla 1 graficar para la ley de Boyle y Mariotte: P=f(1/V)
utilizando tanto la presión experimental como la teórica; y graficar
PV=f(1/V). Comente las gráficas tomando como base la teoría. Utilice un
anexo para las gráficas.
5. A partir de la Tabla 2 graficar para la ley de Gay loussac V=f(T) utilizando
tanto la temperatura teórica como experimental; y graficar TV=f(T).
Comente las gráficas tomando como base la teoría. Utilice un anexo para
las gráficas.
91
Física Experimental II
6. Para un proceso isocórico con un volumen constante de 50 ml, una
temperatura ambiente de 18°C y presión atmosférica de 770 (hPa)
graficar P=f(T) hasta una temperatura de 75 °C. Obtenga la pendiente y
calcule R a partir de ella. Comente sus resultados. Utilice un anexo para
las gráficas.
PREGUNTAS.
1. Consultar las diferentes unidades que puede tener la constante universal
de los gases R e indique ejemplos de su uso según sus unidades.
2. ¿Qué es un gas ideal?
92
Física Experimental II
3. ¿Qué es el estado termodinámico de un gas y cuáles son los parámetros
que lo definen?
4. ¿En qué ciclo termodinámico se utilizan los procesos isobárico, isocorico
e isotérmico?
5. ¿Qué es un proceso isotrópico y en qué se lo utiliza?
93
Física Experimental II
CONCLUSIONES (MINIMO CINCO):
RECOMENDACIONES (MINIMO CINCO):
BIBLIOGRAFÍA
94
Física Experimental II
PRACTICA
N° 10
TITULO:
LEY DE OHM
OBJETIVO:
- Identificar los elementos que constituyen un circuito
eléctrico.
- Armar un circuito simple.
- Aplicar la Ley de Ohm en el circuito, para calcular el valor
de la resistencia.
- Establecer la relación entre diferencia de potencial y
corriente eléctrica en el circuito.
- Determinar las características de los elementos resistivos
y su comportamiento al paso de la corriente eléctrica.
MÉTODO:
Armar el circuito, medir la diferencia de potencial y la
corriente eléctrica que circula por los elementos.
TEORÍA:
El primero en estudiar la resistencia de diversos materiales,
sistemáticamente, fue Georg Ohm. En 1826 publico sus resultados
experimentales, consistentes en que, para muchos materiales, incluyendo la
mayor parte de los metales, la resistencia es constante dentro de un amplio
margen de diferencias de potenciales. Este enunciado se llama Ley de Ohm, que
en realidad no es ley alguna, sino un enunciado empírico acerca del
comportamiento de los materiales. Cuando la resistencia de un material es
constante entre unos límites de diferencia de potencial, decimos que el material
es óhmico y que responde a la ley:
V=IxR
en donde:
(1)
V = diferencia de potencial
I = corriente eléctrica
R = resistencia eléctrica de un material
La resistencia eléctrica es la oposición al paso de corriente por un
elemento y una medida de la facilidad con la que fluye la carga dentro del
material.
Las unidades de resistencia en el sistema internacional (SI) son Volts
sobre Ampere, llamada el ohm (Ω), y definida como la resistencia a través de la
cual pasa una corriente de 1 (A) cuando se aplica la diferencia de potencial de
1(V).
1W =
1V
1A
95
Física Experimental II
Una porción de material óhmico de resistencia apreciable es un resistor,
y es el elemento más común que forma un circuito eléctrico. Los resistores se
representan mediante líneas en zigzag (
) en los diagramas eléctricos y se
conectan entre sí y con otros elementos, mediante cables conductores, que por
lo general, se suponen de una resistencia despreciable.
La ley de OHM, se cumple sin mayor error en los elementos sencillos de
los circuitos como cables de calentadores eléctricos, allí su aproximación es
buena.
En un conductor la resistencia depende de su longitud (L), de su sección (A) y
de una proporcionalidad intrínseca del material, su resistividad (ρ). La relación
entre la resistencia y la resistividad es:
R
r
=
L
L
®R= r´
A
A
1. Calcule la resistencia de un alambre N° 14, de cobre de 100m de longitud.
La resistividad se encuentra en un manual.
2. Cuando usted conecta un interruptor y pasa la corriente en un alambre
de la casa, ¿se carga el alambre?
96
Física Experimental II
APARATOS Y ESQUEMAS:
Aparatos
Marca
Capacidad
Apreciación
Fuente De Alimentación
Continua Regulable
Reóstato
(330 kΩ)
2 multímetros
calibrador
CIRCUITO:
ξ
A
R
V
PROCEDIMIENTO Y TABLA DE DATOS:
1.
2.
3.
4.
Armar el circuito según el esquema, sin conectar al tomacorriente
Hacer revisar el circuito con el profesor
Conectar la fuente de DC variable a la toma de 110 (V)
Seleccionar una posición en el reóstato y variar el voltaje aplicado
progresivamente 5 veces. En cada caso registre los valores de voltaje e
intensidad en la tabla 1.
5. Cambiar la posición del reóstato y repetir el procedimiento.
97
Física Experimental II
TABLA 1.
Posición
reóstato
VOLTAJE
1
2
3
4
INTENSIDAD
5
V
1
2
3
4
5
I
1
2
3
4
5
6. Seleccione un cable de cobre, mida su diámetro y longitud, coloque el
cable en serie con la resistencia en el sistema del circuito anterior.
Establezca una corriente de 100mA y mida el voltaje en el cable. Registre
los valores en la Tabla 2.
TABLA 2
MATERIAL
LONGITUD
DIÁMETRO
98
Física Experimental II
INTENSIDAD
VOLTAJE
TRATAMIENTO DE DATOS:
1. Con los valores de la posición 1, realice el grafico N° 1, V vs. I y determine
el valor de la resistencia
Gráfico Nº 1
Titulo:
Escala eje X
Escala eje Y
2. Repita los cálculos y gráficos para las siguientes posiciones del reóstato.
Gráfico Nº 2
Titulo:
Escala eje X
Escala eje Y
99
Física Experimental II
Gráfico Nº 3
Titulo:
Escala eje X
Escala eje Y
Gráfico Nº 4
Titulo:
Escala eje X
Escala eje Y
100
Física Experimental II
Gráfico Nº 5
Titulo:
Escala eje X
Escala eje Y
3. Calcule el error en cada caso
4. Aplicar los datos de la tabla 2 en la fórmula 2, calcular la resistencia
térmica del alambre y anotar los valores en la tabla 3.
101
Física Experimental II
TABLA 3
Longitud
Área
Resistividad
Resistencia
5. Calcule la resistencia experimental con los datos de la tabla 2 y la fórmula
1. Anotar en la tabla 4.
TABLA 4
Voltaje
Intensidad
Resistencia
6. Calcule el error entre los valores de las tablas 3 y 4.
102
Física Experimental II
PREGUNTAS
1. Explique la diferencia entre corriente de conducción y la corriente de
convección.
2. Explique cuál es la diferencia entre conductividad y conductancia.
3. Explique cuál es la diferencia entre resistividad y resistencia.
4. Si un conductor no tuviese resistencia, que sucedería con la velocidad de
los portadores de carga, si este está sometido a un campo eléctrico
externo E.
5. La relación (Voltaje/intensidad) en todos los conductores es siempre
lineal.
103
Física Experimental II
CONCLUSIONES (MÍNIMO CINCO):
RECOMENDACIONES (MÍNIMO CINCO):
BIBLIOGRAFÍA:
104
Física Experimental II
PRÁCTICA
N° 11
TÍTULO:
DIELÉCTRICO
OBJETIVO:
Determinar el comportamiento de un capacitor y las
influencias del material dieléctrico empleado al aplicar un
campo constante. Deducir la constante del material
dieléctrico empleado.
MÉTODO:
Se conecta un capacitor de placas paralelas a los terminales
de una fuente o batería de potencial conocido, y después de
cargar completamente el capacitor se desconecta la batería
y se intercala una lámina de dieléctrico que llene
completamente el vacío entre las placas. Se mide el nuevo
potencial y de la comparación se puede desprender la
constante del dieléctrico.
TEORÍA:
En la mayor parte de los capacitores o condensadores, se coloca entre las placas
una hoja de material aislante como papel o plástico. El material aislante recibe el
nombre de dieléctrico y sirve para varios fines. Evita que las placas entren en
contacto, lo cual anulará al capacitor. También permite que las placas flexibles
de hoja de aluminio se enrollen en un cilindro, dando al capacitor un tamaño
apropiado. Finalmente incrementa la capacidad del capacitor para almacenar
energía. Esta capacidad varía con los materiales y se caracteriza por la llamada
constante dieléctrica (k) valores que se encuentran tabulados, y han sido
hallados experimentalmente.
El capacitor se carga, se desconecta del acumulador y luego se inserta el
dieléctrico. En el capacitor se realiza un trabajo sobre los dipolos al experimentar
fuerzas eléctricas que tienden a alinearlos con el campo. La polarización
molecular de la carga puede ser inducida en forma permanente o temporal por
el campo eléctrico. El campo entre las placas y el voltaje a través de ellas se
reducen por un factor k.
V = Vo/k
(1)
Aquí, Vo es un voltaje dado sobre las placas sin el dieléctrico, o el voltaje
antes de agregar el dieléctrico. La carga Q no se afecta, de modo que la
capacitancia es:
K=Q/ Vo
C = ( Q / V) = [ Q / (Vo / k)] = k. Co
(2)
Si, por otro lado, se inserta el dieléctrico en el acumulador aún conectado,
el voltaje original se mantiene y el acumulador puede suministrar más carga. La
carga total sobre las placas es entonces Q = k Qo. Y nuevamente C = k Co.
Como se puede demostrar con facilidad. Así, un dieléctrico incrementa la
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capacitancia por un factor de k. Esta ecuación demuestra, por otra parte, que la
constante dieléctrica carece de unidades. Para un capacitor de placas paralelas
con un dieléctrico
C = k Co. = (k. εo. A / d)
(3)
Algunas veces esto se escribe como C = εA / d. en donde ε es la permisividad
del material eléctrico
ε = k. εo.
(4)
εo = 8.85 x 10-12 (C2/Nm2)
Dado que un material dieléctrico incrementa la capacitancia, un capacitor
con un dieléctrico puede almacenar más carga, y por lo tanto energía, que con
uno con las mismas dimensiones pero sin el dieléctrico; si se supone que en
ambos casos se tienen iguales voltajes. Esto se puede mostrar de la siguiente
manera:
U=1/2(Co) V2
U = 1/2 (C x V2 ) = l/2( k Co x V2 ) = k x Uo
(5)
La energía se incrementa por un factor de k para un voltaje dado. Se
puede comprender ese resultado como una consecuencia de la polarización
molecular del dieléctrico. Si las moléculas del dieléctrico son polares, es decir
poseen momentos dipolares permanentes, estos momentos están originalmente
orientados al azar. La presencia del campo eléctrico existente entre las placas
del condensador obliga a la alineación de los momentos en la dirección del
campo debido a que experimentan la acción de un par de fuerzas. La medida de
esa alineación depende de la fuerza del campo y de la temperatura.
APARATOS Y ESQUEMAS:
Aparato
Marca
Capacidad
Capacitor
Fuente
Voltímetro
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Apreciación
PROCEDIMIENTO Y TABLA DE DATOS:
1. Se conecta el capacitor de placas paralelas a una fuente de corriente
continua y se deja que transcurra un tiempo adecuado hasta que se
cargue totalmente el condensador.
2. Desconectar el capacitor de la fuente.
3. Introducir el dieléctrico, medir la diferencia de potencial entre las placas y
anotar en la tabla 1.
4. Proceder de la misma manera con los otros dieléctricos.
TABLA 1.
Dieléctrico
V1
[V]
V2
[V]
V3
[V]
TRATAMIENTO DE DATOS:
1. Determinar el valor de la carga cuando el capacitor está lleno de aire.
2. Con la diferencia de potencial de la tabla 1, determinar la capacitancia del
condensador, con los diferentes dieléctricos colocados entre las placas.
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Física Experimental II
3. Determinar el valor de la constante del dieléctrico empleado y comparar
con los valores tabulados.
PREGUNTAS:
1. Una vez que se ha cargado un capacitor y se ha desconectado la energía,
¿Puede cambiar el dieléctrico del capacitor? Explique.
1. ¿Qué sucede con la diferencia de potencial al introducir entre las placas
de un condensador un material dieléctrico? .Explique.
2. ¿Qué sucede con el valor de la diferencia de potencial cuando se triplica
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la separación que existe entre las dos láminas de un condensador que
emplea como dieléctrico el aire luego de que ha sido cargado
completamente?
3. Al introducir el dieléctrico en el interior de un condensador cargado ¿Se
efectúa trabajo mecánico? ¿En qué caso es mayor ese trabajo?
4. Explique la teoría molecular de las cargas inducidas en un capacitor
cuando se introduce un dieléctrico en un capacitor.
5. Desarrolle las curvas características de carga y descarga de un capacitor
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en un circuito serie y en un circuito paralelo.
6. ¿Qué tipos de capacitores existen? y ¿Cuál es la diferencia entre ellos?
7. ¿Cuál es la forma correcta de descargar un capacitor?
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CONCLUSIONES (MÍNIMO 5):
RECOMENDACIONES (MÍNIMO 5):
BIBLIOGRAFÍA:
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