Relación Presión vs. Temperatura (Ley de Gay-Lussac)

Objetivos

  • Estudiar el comportamiento de la presión de un volumen constante de gas a medida que cambia su temperatura.
  • Determinar el cero absoluto de temperatura.

Fundamentación

La termodinámica es el estudio de las transformaciones de energía en las que intervienen: el calor, el trabajo mecánico y otros aspectos de la energía, así como la relación entre estas transformaciones y las propiedades de la materia. La termodinámica es una parte fundamental e indispensable de: la física, la química y las ciencias biológicas, y sus aplicaciones las vemos en: motores de autos, refrigeradores, procesos bioquímicos y la estructura de las estrellas.1

Introduciremos el estudio de las propiedades térmicas de la materia en uno de sus estados, el gaseoso. A bajas densidades (y por consiguiente, a bajas presiones), los gases reales satisfacen la ecuación de estado de los gases ideales.

Las relaciones que encierra esta ecuación de estado fueron corroboradas experimentalmente por Robert Boyle (1627-1691), Jacques Charles (1746-1823) y Gay-Lussac (1778-1850).

En esta práctica estableceremos la relación entre la presión de un gas y su temperatura si su volumen permanece constante. Utilizaremos esta relación para determinar el valor del cero absoluto, el límite inferior de temperaturas.

Equipo requerido

  • Interfaz ScienceWorkshop
  • Agitador con control de temperatura
  • Magneto grande (recubierto de teflón)
  • Erlenmeyer 125 mL con tapón de caucho taladrado
  • Hielo
  • Beaker 1000 mL
  • Soporte universal
  • Sensor de presión (absoluta)
  • Sensor de temperatura (acero inoxidable)
  • 2 nueces pequeñas
  • 2 pinzas
  • Sal de cocina
  • Agua (800 mL)

Procedimiento

Parte I. Configuración de la interfaz y el sensor

1. Conecte la interfaz ScienceWorkshop al computador y enciéndala.

2. Conecte los sensores de temperatura (acero inoxidable) y presión (absoluta) a sendos canales analógicos de la interfaz.

3. Ejecute el programa DataStudio.

4. Instale los sensores, seleccionando en ambos una velocidad de muestreo de 10 Hz.

Lussac1.JPG

5. En esta práctica, el usuario realizará un registro manual de las medidas. Para este tipo de medición, haga clic en el botón Opciones de muestreo. Seleccione la pestaña Muestreo manual, marque la opción Conservar datos sólo si se solicita y deshabilite los demás cuadros disponibles.

Lussac2.JPG

6. Haga doble clic sobre la opción Medidor digital en la ventana Pantallas y seleccione la variable Temperatura.

7. Cree un gráfico presión vs. temperatura. Recuerde que es conveniente reemplazar los nombres de las gráficas por unos que hagan referencia a los datos registrados.

8. Organice las ventanas para que pueda observar la medida digital y la gráfica simultáneamente.

Parte II. Configuración del equipo

1. Presione firmemente el tapón en el erlenmeyer.

2. Vierta en el beaker 800 mL de agua.

3. Deposite con suavidad el magneto en el interior del beaker.

4. Realice el montaje de la figura 3a Introduzca el erlenmeyer en el beaker a la mayor profundidad posible. Asegúrese de que el erlenmeyer quede aproximadamente en el centro del beaker (figura 3b). Agregue abundante hielo y riegue bastante sal sobre el mismo. El extremo del sensor de temperatura debe estar ubicado más o menos a la mitad de la altura del erlenmeyer.

Lussac3.JPG

Parte III. Registro de datos.

1. Verifique la temperatura de la mezcla y asegúrese que ésta alcance su menor valor.

2. Ponga a funcionar el agitador con una velocidad que permita el movimiento suave de toda la masa de agua (se sugiere el nivel 3).

3. Active el calentador a una rata que permita una elevación moderada de la temperatura (se recomienda usar los niveles 4 y 5).

4. Inicie la toma de datos tomando como primer valor el más bajo que se haya alcanzado luego de agregar la sal.
La medida se registra presionando el botón Conservar.

5. Continúe el registro de datos cada 2 °C hasta alcanzar 90 °C (consulte el valor límite con su instructor).

6. Detenga el registro de medidas.

7. Apague el calentador y el sistema de agitación. Deje enfriar el agua antes de desmontar el sistema (Importante: el erlenmeyer y el beaker no pueden someterse a cambios bruscos de temperatura).

Análisis

Emplee los siguientes puntos como una guía para desarrollar su análisis de resultados, apoyándose en las gráficas y en sus observaciones durante las mediciones realizadas.

1. ¿Qué relación debería existir entre la presión y la temperatura? ¿Se cumple experimentalmente esta relación? Justifique las semejanzas o discrepancias encontradas.

2. Realice el ajuste de la gráfica de acuerdo con el modelo previsto y el comportamiento observado de los datos. Reporte los parámetros de dicho ajuste con sus incertidumbres absoluta y relativa.

3. Reporte, según sus resultados, la temperatura del cero absoluto, su incertidumbre absoluta y relativa (utilice las expresiones obtenidas en el preinforme)

4. Compare el valor obtenido de la temperatura del cero absoluto con el valor aceptado como estándar.

Bibliografía

Francis W. Sears, Mark W. Zemansky, Hugh D. Young, Roger A. Freedman. Física Universitaria con Física Moderna, volumen 2. Undécima edición, Pearson Educación, México, 2005.

PASCO Scientific. Activity P17: Pressure vs Temperature (Pressure Sensor, Temperature Sensor).
P17 P vs T.doc

Paul A. Tipler, Gene Mosca. Física para la Ciencia y la Tecnología, volumen 2. Reverté, Barcelona, 2005.

Unless otherwise stated, the content of this page is licensed under Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 License