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U.M.S.A. - LABORATORIO DE FIS - 102 DOCENTE: ING. HUMBERTO MURGUIA

EXPERIMENTO Nº 5 DETERMINACIÓN

DE “ ”

INFORME DE LABORTORIO

DETERMINACIÓN DE LA RAZÓN DE CALORES ESPECÍFICOS DEL AIRE

1. OBJETIVOS Al realizar el siguiente laboratorio se persiguen los siguientes objetivos con la la descarga de fluidos por un orificio: 

Comenzar el estudio en laboratorio de un nuevo capítulo como lo es la Termodinámica, para lo cual utilizaremos los conceptos aprendidos en las clases teóricas concernientes al capítulo, lo que nos facilitará el laboratorio.



Aplicar como no es posible la determinación experimental de los calores específicos a volumen y presión constantes por su complejidad, y no concierne a este nivel nos conformaremos con la determinación experimental de la relación de calores específicos del aire 



Para tal objetivos utilizaremos el método de Clement y Desormes el cual utiliza como fundamento la diferencia de presiones en un sistema cerrado y unido únicamente a un manómetro y una llave.



Realizar la comparación de  experimental con la de  bibliográfico y si es el explicar las posibles diferencias entre ambos valores.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO 2.1 Introducción: El objetivo de la termodinámica es estudiar la temperatura y los efectos que causa esta en los cuerpos tales como la dilatación y tensiones internas, además veremos las transformaciones del calor y el trabajo. La termodinámica se ocupa del estudio del calor y trabajo fundamentalmente desde un punto de vista microscópico. Definimos un sistema como una porción del universo rodeado de paredes reales o ideales. La temperatura se define como el grado de calor que tiene un cuerpo y el calor es una de las manifestaciones de la energía y la ciencia que estudia la temperatura se llama termología y es una parte de la física. La temperatura en el ser humano da la sensación de calor y/o frío y para medir la temperatura se utilizan dispositivos llamados termómetros y para construir un termómetro se necesita un líquido termométrico.

2.2 Manómetro El manómetro es simplemente un tubo en forma de U que contiene un liquido manométrico de peso especifico  y que sirve para medir la diferencia de presión de un gas encerrado en un recipiente y la presión del medio ambiente

2.3 Sistema Es una región especifica, no necesariamente de volumen constante, donde las transferencias de energía y / o masa van a ser estudiadas.

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2.4 Calor Es la energía transferida sin transferencia de masa, a través del limite de un sistema, debido a una diferencia de temperatura entre el sistema y los alrededores.

+  Q calor hacia el sistema

+  W trabajo desde el sistema

-  Q calor desde el sistema

-  W trabajo hacia el sistema

2.5 Trabajo Es la energía transferida sin transferencia de masa a través del limite de un sistema debido a la diferencia de una propiedad intensiva distinta a la de la temperatura que existe entre el sistema y los alrededores, su magnitud solo es relevante en los procesos donde se involucran cambios de volumen, es decir en sistemas compresibles.  es la relación de los calores específicos del aire a presión y volumen constante :

 

Cp Cv

Calor específico a presión constante Calor específico a presión volumen

2.6 Proceso Es el procedimiento o mecanismo que modifica el valor de una o más variables de estado para provocar que el sistema transite de un estado termodinámico a otro; cuando ocurre el sistema sufra ya sea un cambio de estado o una transferencia de energía bajo un estado fijo.

a. Proceso isocoro Este proceso es aquel en que la sustancia mantiene el volumen constante.

b. Proceso isotérmico Un proceso isotérmico se lleva cabo a temperatura constante.

c. Proceso isobárico Se denomina proceso isobárico al proceso que se lleva a cabo a presión constante.

d. Proceso adiabático Se produce cuando el sistema se halla imposibilitado de recibir o liberar calor debido a que el sistema se halla aislado o porque se realiza a alta velocidad. Es un cambio en estado sin transferencia de calor. El trabajo del sistema adiabático :

Q=0  W = -  U = U1 - U2 Es un proceso que se lleva a cabo tal que el sistema no gana ni pierde calor , este proceso puede llevarse a cabo rodeando el sistema de una capa gruesa de material aislante como por ejemplo el corcho , asbesto , ladrillo refractario , vidrio , etc. El proceso se denomina adiabático si se realiza con mucha rapidez o bien si el medio exterior se mantiene siempre a la misma temperatura que el sistema . Un proceso como el de una expansión o compresión de un gas se lleva a cabo muy rápidamente, entonces puede ser considerado adiabático ya que el flujo de calor desde o hacia el sistema es muy lento y despreciable incluso en condiciones favorables.

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2.7 Análisis físico La relación existente entre la presión y volumen en una transformación adiabática es la siguiente:

P V  Constante ................ Si se analiza dos puntos del proceso se tiene:   P1 V1 P2 V2 ....................

Ley de Poisson: p1 = presión inicial p2 = presión final V1 = volumen inicial V2 = volumen final Pero : PV =nRT P V  n R ......................... T

Y además considerando que el número de moles permanece inalterable podemos escribir también:

P1 V1 P2 V 2  .................... T1 T2 Se pueden obtener otras dos ecuaciones posibles:  1

T1 V1  T2   T1



 1

T 2 V2

.............



 V    2  ....................   V1 

La expansión o compresión adiabática de un gas perfecto puede ser representada en un diagrama P vs. V las curvas mostradas en la Figura 1

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Cuando se recorre una curva adiabática de derecha a izquierda en un diagrama de P y V se tiene un proceso de compresión y cuando se recorre una curva adiabática de izquierda a derecha se tiene un proceso de expansión.

Insuflador Botellón

de aire

De aire

Figura 2 Para el experimento se considera un gas ( aire seco) que esta contenido en un recipiente grande ( botellón ) como se muestra en la figura 2, este botellón esta comunicado con el exterior por medio de una llave L y un insuflador de aire A .El botellón se encuentra también conectado a un manómetro con un extremo abierto a la atmósfera. Se consideran las siguientes condiciones iniciales: a)

El gas o aire seco esta encerrado en el recipiente y se encuentra en equilibrio térmico a la temperatura ambiente T 1 y a una presión p1 ligeramente superior o inferior a la presión atmosférica . Se dice que un gas se encuentra en equilibrio térmico cuando su temperatura es estable. Estas condiciones iniciales se las consigue introduciendo o extrayendo aire al botellón , luego se espera hasta que la temperatura del aire iguale al del medio ambiente , esto nos indica el manómetro al estabilizarse . Es mas aconsejable introducir aire al botellón que extraerlo por ser mas difícil.

b)

Seguidamente se abre la llave L y se pone en comunicación el aire contenido en el botellón con el exterior , entonces el aire se expande hasta igualar su presión con la atmosférica ( se estabilizan en ese momento las ramas del manómetro ). La expansión por ser tan rápida se la considera adiabática , en ese momento el gas o aire seco adquiere una temperatura T 2 , una presión p2 y un volumen V2 tales que : T2 < T1 ( temperatura ambiente ) p2 = p0 ( presión atmosférica )

c)

El ultimo paso es cerrar la llave L inmediatamente que la presión del aire en el botellón ha igualado a la presión atmosférica, entonces el gas contenido en el botellón volverá lentamente a la temperatura ambiental T 1 recibiendo calor del exterior hasta alcanzar por lo tanto las condiciones finales del gas son: T2 = T1 ( temperatura ambiente ) V f = V2 Pf = presión final

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DIAGRAMA P- V DE LOS PROCESOS





 >  expansión adiabática  > f proceso isocoro En  inicio del proceso cuando se abre la llave y el gas se expande adiabáticamente siguiendo la curva del punto  al . Se cierra la llave L y se lleva a cabo el proceso isocoro del punto  al f donde el gas alcanza la temperatura ambiental T1 y la presión pf. Para el proceso isocoro por la ley de Gay Lussac para un gas ideal y bajo nuestras condiciones tenemos: pf / T1 = po / T2 ............................... reemplazando anteriores ecuaciones se tiene: ........................ Aplicando logaritmos y despejando tenemos: ................. Con el manómetro que va conectado al botellón por una manguera y por otra esta abierto a la atmósfera cuando existe una diferencia de presión el liquido se desnivela, es decir una rama baja y la otra sube.

Sacando logaritmos a ambas expresiones: .................. ..................(11) Desarrollando la serie: ..........(12) Despreciando lo términos superiores se reduce a : ............(13)

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Entonces: ..........(14) ..........(15) Reemplazando las ecuaciones obtenidas (14) y (15) en (9) se tiene:

...........................(16) Se uso en el laboratorio como líquido manométrico el alcohol de quemar (color rojo anaranjado transparente) se utiliza este líquido con el propósito de mantener seco el aire en el recipiente ( botellón). El proceso de expansión no es rigurosamente adiabático porque el gas o aire seco recibe calor aunque en muy poca cantidad cuando la llave L se encuentra abierta. Además considerar , no se toma en cuenta una pequeña perdida del numero de moles que afectaría de forma despreciable al resultado final.

3. MATERIAL Y PROCEDIMIENTO 3.1 Materiales En este laboratorio es necesario el uso de los siguientes materiales: 

Botellón



Manómetro con escala



Insuflador de aire



Mangueras



Termómetro



Regla graduada

3.2 Procedimiento

4. El procedimiento que se realiza en el laboratorio puede realizarse ar SULTADOS OBTENIDOS Los datos obtenidos de las diez mediciones que se realizaron en laboratorio se muestran en la presente tabla:

N

H1 (cm)

H2 (cm)

1

13.1

3.8

1.41

2

12.5

3.5

1.39

3

12.2

3.4

1.38

4

11.8

3.3

1.38

5

11.3

3.2

1.39

6

10.6

3.1

1.42

7

9.9

2.9

1.41...