La termodinámica es una ciencia experimental que estudia los cambios producidos en un sistema por el intercambio de calor. En ella se mide magnitudes macroscópicas como la presión el volumen y la temperatura, sin importarle la causa microscópica de los fenómenos observados.
A pesar que los sistemas térmicos resultan ser muy complejos, la termodinámica ha tenido gran éxito en resumir estas observaciones en algunas sencillas leyes muy generales para dar una explicación a los fenómenos de origen térmico.
Existe una teoría microscópica de los gases ideales y en sí de todos los procesos térmicos, la mecánica estadística, pero nuestro enfoque será netamente macroscópico.
Reciben este nombre los gases que se encuentran muy expansionados (enrarecidos), es decir que posean muy poca densidad y ejerzan poca presión. En otras palabras es un gas en el cual las interacciones entre las moléculas son despreciables y esto ocurre cuando la separación promedio de las moléculas sea mucho mayor que el tamaño de los átomos y esto hace que las moléculas interactúen muy poco con las demás.
La ecuación de estado del gas ideal:
P V = R T n (1) Donde
P: Presión del gas
V: Volumen ocupado por el gas en el recipiente que lo contiene n: Numero de moles
R: Constante Universal de los gases T: Temperatura absoluta en Kelvin Con valores de:
Robert Boyle hizo estudios sobre gases ideales mantenidos a temperatura constante (proceso isotermo) y obtuvo la ley que lleva su nombre.
P V = cte (2) De la cual podemos afirmar la dependencia de P vs 1/V o una V vs 1/P es lineal y la grafica son rectas que pasan por el origen. Las pendientes de las rectas dependen de la temperatura y se determinan de la ley del gas ideal. Existen otras escalas de temperaturas además de la Celsius y la Kelvin como la Fahrenheit y la Rankine. Es únicamente cuando usamos la escala de Kelvin que obtenemos la proporcionalidad entre volúmenes y temperatura, la demás escalas solo dan una dependencia lineal.
El hecho de que todas las graficas de presión vs temperatura para gases ideales eran rectas cortando el eje temperatura en el mismo punto (-273.15 ºC) llevo a la idea del cero absoluto de temperatura y la escala de Kelvin.
Ojo: La diferencia entre proporcion al y linealm ente independien t e es que una grafica de dos variables proporcionales es una recta que pasa por el origen de coordenadas, mientras que dos variables con dependencia lineal la grafica una recta con un punto de intersección diferente de cero.
4. PROCEDIMIENTO
4.1 Experiencia de la ley de Boyle.
Ingrese al programa PASCO CapstoneTM, haga clic sobre el icono tabla y gráfica y seguidamente reconocerá el sensor de temperatura previamente insertado a la interfase 850 Interface.
Seguidamente procedemos a configurar dicho sensor, para lo cual hacemos doble clic sobre el icono CONFIGURACION y configuramos el de temperatura para que registre un periodo de muestreo de 10 Hz en K.
Luego presione el icono del SENSOR DE TEMPERATURA luego seleccione numérico y cambie a 2 cifras después de la coma decimal, según datos proporcionados por el fabricante el sensor mide en el rango de -35 ºC a 135 ºC con un paso de 0.01 ºC.
Una vez calibrado el sensor arrastramos el icono Gráfico sobre el icono sensor de temperatura y seleccionamos la gráfica temperatura vs tiempo, luego determina la temperatura ambiental T0 del laboratorio, para lo cual mide
durante 30 segundos con el sensor de temperatura en el aire y luego calcula el promedio. Una vez anotado este dato borramos la grafica y la medición de nuestros datos. Retire el sensor de temperatura.
Ahora insertamos el sensor de presión absoluta. Entramos al icono CONFIGURACION luego seleccione velocidad de muestreo a 10 Hz, luego vaya a opciones y en muestreo manual seleccione conservar valores de datos solo si se solicita. Renombre la medida a tomar como volumen y las unidades en mL, según como lo puede ver en la figura 4.1
mL y 25 mL, el sistema grabará solo en el momento que se acepte el valor. Para finalizar la grabación se seleccionará e icono de color rojo al costado del icono CONSERVAR. Grabe con un paso de 5 mL, empezando de 60 mL.
Asegúrese que no existan fugas en las conexiones, de eso depende los resultados de su experimento.
Figura. 4.2. Montaje experimental.
Obtenga la grafica de presión en función del volumen (grafica 1), Posteriormente defina la variable Inversa del volumen en la calculadora, luego levante un gráfico de presión absoluta (kPa) vs inversa del volumen (1/mL) (grafica 2). Asegúrese de hacer el correcto montaje como el de la figura 4.3.
Para dar validez a los datos obtenidos de la segunda grafica se aplicará el ajuste lineal y se debe tener el valor de 0.999 ó 1.000 en el coeficiente de correlación.
4.2 Determinación del trabajo en un proceso isotérmico.
Use el grafico 1 para determinar el área debajo de la curva la cual representa el trabajo realizado sobre el aire contenido dentro de la jeringa. 4.3 Determinación del número de moles de aire dentro de la jeringa.
Determine el número de moles utilizando el valor de la pendiente y la ecuación (1) de una gráfica de volumen en función (temperatura/presión). 5. Cuestionario
5.1 Compare el trabajo en forma porcentual el hallado en 4.2 y la ecuación W = n R T ln(Vf/Vi)
.
Explique las diferencias5.2 El valor obtenido del número de moles en 4.3 es aceptable?, Explique. Hallar un valor teórico del número de moles, conociendo su temperatura, densidad del aire, altitud, presión atmosférica y volumen inicial.
5.3 Si grafica Volumen vs inversa de la presión, ¿Qué tipo de ajuste le toca hacer ahora? ¿Qué significado físico posee la pendiente?
5.4 ¿Se cumple la ley de Boyle?, ¿Por qué?. Fundamente su respuesta.
5.5 En la realización de esta práctica ¿Cuál fue el comportamiento de la temperatura del aire dentro de la jeringa?. Explique mediante un gráfico.
5.6 Si en la pregunta anterior la temperatura se podría decir que fue constante, si es así. ¿Cuál es el cambio de su energía interna del sistema?. Muestre el valor.
6. PROBLEMAS
6.1 Una llanta de un automóvil se infla originalmente a 10 oC y presión normal. Durante el proceso se comprime aire a 28 % de su volumen original y la temperatura aumenta a 40 oC ¿Cuál es la presión en la llanta?
6.2 Una masa de hidrogeno ocupa un volumen de 80 m3 a 20 oC y 2KN/ cm2. ¿Cuál es su volumen a – 5 oC y 6 KN/ cm2 ?
7. APLICACIÓN A LA ESPECIALIDAD (Se presenta dos aplicaciones del tema