2013 TRABAJO DE LABORATORIO Nº 2 Termómetro de

FÍSICA EXPERIMENTAL II- 2013
TRABAJO DE LABORATORIO Nº 2
Termómetro de gas
Objetivo Específico: Calibración de un termómetro de gas.
Objetivos Generales: Análisis estadístico con pocos datos. Aplicación de la fórmula de WelchSatterthwaite.
Introducción:
La presión P, el volumen V y la temperatura T de un gas en estado de equilibrio están relacionadas
entre sí mediante una ecuación de estado. Si el gas del que se trata puede ser considerado perfecto
(gas ideal) esta ecuación resulta:
PV=nRT
(1)
donde T es la temperatura (absoluta) del gas, R = 8,31283 J/K mol es la constante universal de los
gases y n es el número de moles de gas.
Si se lleva el gas a la temperatura de referencia T0 = 273,15 K (definición de punto de hielo), a la
presión P0, manteniendo constante el volumen ocupado por el gas (V=V0), podemos escribir
P0V0=nR T0
(2)
De las ecs. (1) y (2) se obtiene la ley de “dilatación” de los gases ideales a volumen constante
P= P0 (1+ αot)
(3)
siendo αo=1/ T0 el coeficiente de dilatación de los gases ideales y t=T-T0 la temperatura en la escala
Celsius.
El termómetro de gas es un dispositivo que permite determinar saltos térmicos midiendo la presión
del gas. Su conformación se muestra esquemáticamente en la Fig. 1.
Tubo capilar
Sensor de presión y registrador
Bulbo
Medio a
temperatura t
Figura 1. Esquema de un termómetro de gas.
El sensor del termómetro de gas es un bulbo de vidrio de volumen V conteniendo un cierto gas,
cuya presión constituye la cantidad termométrica. El bulbo está conectado, por medio de un tubo
capilar, a un sensor de presión, formado por un transductor de presión y un registrador de datos, que
nos permite medir la presión del gas.
Si se desea medir la temperatura t (en grados Celsius) de un medio determinado habrá que ubicar el
bulbo en dicho medio y esperar hasta que se estabilice la presión del gas; finalmente se llegará a un
estado de equilibrio mecánico del gas, y a partir de la ec. (3) podemos determinar la temperatura t
t=
1  P − P0

α  P0



(4)
donde se ha reemplazado αo por un coeficiente α que se deberá determinar.
Para determinar la constante α es necesario un segundo punto de referencia (por ejemplo, el punto
de ebullición del agua). Particularizando la ec. (4) para el punto de ebullición obtenemos
α=
1  Pe − P0 


t e  P0 
(5)
siendo Pe la presión medida cuando el gas se encuentra a la temperatura de ebullición del agua te.
Parte I: Medición de la presión atmosférica.
Realice 5 lecturas de la presión atmosférica con el barómetro de Fortín. Exprese el valor corregido
de H con una incertidumbre expandida correspondiente a un nivel de confianza del 95%,
considerando la apreciación de la escala del barómetro y la del termómetro. Considere los valores
numéricos en la expresión para H como constantes.
Parte II: Calibración de un termómetro de gas (conteniendo aire) con dos puntos de
referencia.
Procedimiento:
Se utilizarán como puntos de referencia el punto de hielo y la temperatura de ebullición del agua.
Para lograr estos puntos fijos, utilizaremos dos baños térmicos, uno de hielo y agua en equilibrio
(hielo fundente) y otro de agua y vapor en equilibrio. Asumiendo que el comportamiento del
termómetro de gas es lineal, la experiencia así lo corrobora, se construirá una curva de calibración
de temperatura, en grados Celsius, en función de la lectura de la presión del bulbo.
Para la temperatura de referencia T0 (punto de hielo), iguale la presión del gas en este punto a la
presión atmosférica (P0). Para lograr esto es necesario dejar abierta la conexión del tubo capilar al
sensor de presión. Luego de alcanzado el equilibrio térmico, conectar el sensor de presión al tubo
capilar y hacer la lectura correspondiente. Suponga que el sensor de presión está calibrado
Observaciones:
- Tenga presente la dependencia de la temperatura de ebullición del agua con la presión atmosférica.
Parte III: Medición de la relación entre P y t a V = cte. para el aire.
Procedimiento:
Mida pares de valores (t, P) entre 5oC y 60 oC, aproximadamente. Los valores de P se miden con un
sensor de presión y los de t con un termistor, estando ambos sensores conectados a un registrador de
datos.
Asuma que el sensor de presión está calibrado. Calibre el sensor de temperatura utilizando el
procedimiento de calibración con dos puntos del manual de la central Pasco XplorerGLX.
Para medir los pares de valores (t, P) comience con un recipiente con agua a aproximadamente 5 ºC
y vaya agregándole agua bien caliente (aproximadamente 90ºC) para ir incrementando la
temperatura.
No se olvide ante de empezar a medir los pares de valores (t, P) de llevar nuevamente el
termómetro de gas a la temperatura de referencia T0 (punto de hielo), igualando la presión del gas,
en este punto, a la presión atmosférica (P0).
ADVERTENCIA: Evite cambios bruscos de temperatura en el bulbo (entre 0 ºC y 100 ºC). Si lo
rompe no hay repuesto.