Lab. 7 Ley Charles Gay Lussac - Pontificia Universidad Javeriana

Pontificia Universidad Javeriana
Departamento de Ciencias Naturales y Matemáticas-Área de Física
FISICA TÉRMICA Y ONDULATORIA
Práctica de Laboratorio No. 7-Ley de Charles y Gay Lussac
Objetivos:
- Estudiar el cambio de volumen del aire a presión constante.
- Determinar la tasa de enfriamiento del aire.
- Encontrar un valor experimental del cero absoluto en oC.
- Encontrar un valor experimental de la constante de enfriamiento del aire.
- Verificar la validez experimental de la ecuación de estado para el aire.
Equipo:
•
Termómetro de gas.
•
Tubo de ensayo largo.
•
Termómetro de alcohol o mercurio.
•
Mechero de alcohol o gas.
•
Soporte metálico y pinza.
•
Cronómetro.
•
Papel milimetrado.
Montaje:
Previamente instalado por el asistente de laboratorio.
Procedimiento:
Esta práctica tiene como propósito principal investigar cómo varía el volumen de una cierta
cantidad de gas que se mantiene a presión constante, en función de su temperatura. El gas
que vamos a investigar es aire, el cual está atrapado bajo una gota de mercurio en la parte
inferior de un delgado tubo de vidrio llamado termómetro de gas. En la parte superior de
éste termómetro hay un bulbo lleno con partículas de una sustancia higroscópica (evita que
entre la humedad del medio ambiente). Estas partículas absorben la humedad pero permiten
el paso de aire, pues el extremo superior del tubo está abierto. Por tanto la presión sobre la
gota de mercurio será siempre la presión atmosférica y, dado que la gota puede deslizarse
libremente hacia arriba o hacia abajo, el gas atrapado en el interior se mantendrá a presión
constante.
1. ¿Cuánto vale la presión sobre el gas? Determínela teniendo en cuenta el efecto de la
gota de mercurio. Mida la altura de la gota de mercurio. Determine también la
temperatura ambiental Tamb antes de prender el mechero.
2. Observe que el termómetro de gas se encuentra dentro de un tubo de ensayo largo.
Vierta agua a temperatura ambiente en el tubo de ensayo hasta unos 5 cm por debajo del
borde del tubo y encienda el mechero. Caliente el agua hasta el punto de ebullición.
3. Cuando el agua esté en ebullición retire el mechero. Al mismo tiempo encienda el
cronómetro y mida la temperatura T y la altura H de la columna de aire atrapada. Cada
que la temperatura descienda en unos 10 oC, mida nuevamente la temperatura T, la
altura H y el tiempo t. Reduzca los intervalos de medición a 5º C cuando la temperatura
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descienda por debajo de 40º C. Realice estas mediciones durante una hora
aproximadamente y consigne sus resultados en la tabla No. 1.
Análisis:
4. Con los valores obtenidos en 3 determine el volumen de aire correspondiente a cada H
y consígnelo en la Tabla No. 1. Para ello tenga en cuenta que el área de la sección
transversal del capilar del termómetro de gas es aproximadamente Atubo=5,7×10-6 m2.
Haga una gráfica en papel milimetrado o con EXCEL del volumen del gas V en función
de la temperatura T en ºC. ¿Qué relación funcional sugiere la gráfica? Asegúrese de que
la escala de la gráfica permita determinar el intercepto de la recta con el eje horizontal
(temperatura). Determine el valor de este intercepto así como la pendiente de la recta.
Compare la ecuación de su gráfica con la ecuación V = V0 (1 + β aireT ) de la dilatación
térmica volumétrica y encuentre los valores de Vo y β aire .
5. Recuerde la ley de los gases ideales, pV = nRTabs = nR(T(oC)+273.15), donde n es el
número de moles, R=8.3145 J/mol.K, p es la presión y V el volumen. Si el gas de este
experimento se comporta siguiendo esta ecuación, ¿Qué significa el intercepto de la
gráfica? ¿A qué valor corresponde la pendiente? ¿Cuántas moles de aire hay en el
interior del termómetro? De acuerdo con sus datos, ¿cuál es la temperatura en ºC
correspondiente al cero absoluto? Es decir, la temperatura para V = 0.
6.
Haga otra gráfica para la temperatura en función del tiempo. Discuta
cualitativamente lo que muestra esta gráfica. Se puede suponer que la gráfica tiene la
forma T − Tamb = (Ti − Tamb )e − Zt , donde T es la temperatura en cualquier tiempo t, Z es
la constante de enfriamiento del aire ( ¿Cuáles son sus unidades? ), Tamb es la
temperatura ambiente antes de calentar el gas con el mechero y Ti es la temperatura
inicial del gas cuando usted comienza el conteo del tiempo con el cronómetro, luego de
calentar con el mechero.
7.
Linealice la gráfica del punto 6 como ln( T − Tamb ) = ln(Ti − Tamb ) − Zt y con
los datos obtenidos en la Tabla 1, realice la gráfica de ln(T-Tamb) vs t en papel
milimetrado o con EXCEL,
8.
¿Qué se puede concluir de esta gráfica? Obtenga de ella el valor Ti − Tamb y
compárelo con el valor obtenido con el termómetro. Obtenga también de la gráfica el
valor de Z.
Conclusiones: Escriba al menos una conclusión por cada objetivo propuesto.
Bibliografía:
Lea & Burke, “Physics: The Nature of Things”, Brooks/Cole, 1997, Sec. 19.2.
Serway, R. A., Beichner, R.J., “Física para Ciencias en Ingeniería”, TOMO 1, 5ª
Edición, 2001.
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PREINFORME
INTEGRANTES DEL GRUPO:
Apellidos
Nombres
Código
1. Presión del aire atrapado (Cálculo):
hgota=
Tamb=
Patm = 1.013 x10 5 Pa ; g Cali = (9.77 ± 0.10)m / s 2 ; ρ Hg = 1.36 x10 4 kg / m 3 .
Paire = Patm + ρ Hg g Cali hgota =
2. Suposición en la medición de temperatura:
3. Resultados de medición
Tabla No. 1
Tiempo
t (s)
Temperatura
T (oC)
Altura
H (cm)
Volumen=HxAtubo
V(cm3)
0
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ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
4. Gráfica V vs. T: En papel milimetrado o usando EXCEL.
Cálculo de la pendiente de la curva V vs. T:
Intercepto de la gráfica con el eje de temperatura, Tcorte =
5. Interpretación de la gráfica V vs. T.
Significado de la pendiente:
Número de moles de aire atrapado:
Significado del punto de corte:
6. Gráfica T vs. t: En papel milimetrado o usando EXCEL.
OBSERVACIONES.
1. Escriba una observación sobre el comportamiento cualitativo de la gráfica T vs. t:
2. Escriba una observación de este experimento en cuanto a la relación V vs. T:
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