Informe 6 - Gases Ideales PDF

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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICASÁREA DE LABORATORIO DE FÍSICAFACULTAD DE INGENIERÍAINFORME DE LABORATORIOLEY DE GASES IDEALESTRABAJO REALIZADO POR:JESUS ANDRES PEREZ C.: 1193497643 ING [email protected] DAVID DIAZ CASTRO: 1043028136 ING [email protected] CAMILO PEREZ FLORE...

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UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS ÁREA DE LABORATORIO DE FÍSICA FACULTAD DE INGENIERÍA

INFORME DE LABORATORIO LEY DE GASES IDEALES

TRABAJO REALIZADO POR: JESUS ANDRES PEREZ C.: 1193497643 ING ELECTRICA [email protected] JOSE DAVID DIAZ CASTRO: 1043028136 ING ELECTRICA [email protected] ANDRES CAMILO PEREZ FLOREZ: 1002072006 ING ELECTRICA [email protected] JAVIER ANDRES ARIZA OLIVERO:1010131261 ING ELECTRICA [email protected] CAMILO PADILLA DE ALBA: ING ELECTRICA [email protected]

Laboratorio de Física Calor y Ondas Grupo: REMOTO – 13916 – REMOTO – 1361, UNIVERSIDAD DE LA COSTA UBALDO ENRIQUE MOLINA REDONDO [email protected]

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Resumen En la búsqueda de optimizar la enseñanza de la física para los estudiantes de ingeniería en sistemas de información, se desarrolló una experiencia de laboratorio sobre gases ideales en la cual se tiene como objetivo pedagógico el despertar el interés de los estudiantes por la materia, mostrándole la conexión existente entre la ciencia física y la ingeniería en sistemas, mediante la adquisición de datos y la utilización de un software adecuado para la práctica. el objetivo de la práctica de laboratorio es observar el comportamiento de gases ideales, e interpretar los datos obtenidos en función de las leyes de gases ideales y el modelo de partículas. Se emplearon sensores para la medida de presión, se modificó la temperatura y se tuvo en cuenta el volumen de una caja (contenedor), se registraron los datos y se graficaron utilizando el programa de Excel. Se logró una mejor comprensión del tema y una predisposición mayor hacia la materia por parte de los alumnos al observar la integración y la relación existente entre áreas de química, física, matemáticas e informática. Para esta experiencia de laboratorio se llevó a cabo una simulación hecha en el programa Phet en la cual se pudo comprobar además las teorías de las leyes de Gay-Lussac y de Boyle.

Palabras claves Ley de los gases ideales, presión, volumen, temperatura. Abstract In the search to optimize the teaching of chemistry for information systems engineering students, a laboratory experience on ideal gases was developed in which the pedagogical objective is to awaken the interest of students in the subject, showing them the connection between chemical science and systems engineering, through data acquisition and the use of appropriate software for practice. The objective of the laboratory practice is to observe the behavior of ideal gases, and interpret the data obtained according to the ideal gas laws and the particle model. Sensors were used to measure pressure, the temperature was modified, and the volume of a box (container) was considered, the data were recorded and plotted using the Excel program. A better understanding of the topic and a greater predisposition towards the subject was achieved by the students when observing the integration and the existing relationship between areas of chemistry, physics, mathematics, and computer science. For this laboratory experiment, a simulation made in the Phet program was carried out, in which the theories of Gay-Lussac and Boyle's laws could also be verified.

Keywords Law of ideal gases, pressure, volume, temperature.

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UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS ÁREA DE LABORATORIO DE FÍSICA FACULTAD DE INGENIERÍA 1. Introducción

2. Fundamentos Teóricos

La ley de los gases ideales tiene una

2.1 Ley de Gases ideales

diversidad muy alta en la química. Los gases

Los gases ideales es una simplificación de los gases reales que se realiza para estudiarlos de manera más sencilla. En sí es un gas hipotético que considera:  Formado por partículas puntuales sin efectos electromagnéticos.  Las colisiones entre las moléculas y entre las moléculas y las paredes es de tipo elástica, es decir, se conserva el momento y la energía cinética.  La energía cinética es directamente proporcional a la temperatura.  Los gases se aproximan a un gas ideal cuando son un gas mono atómico, está a presión y temperatura ambiente.

son sustancias que dependen en gran medida, de diferentes variables que se acogen a la ecuación de los gases ideales. Ecuación que describe normalmente la relación entre la presión, el volumen, la temperatura y la masa en moles de un gas ideal (Lea y Burke, 1997) PV= nRT En donde, P= presión; V = volumen; n = moles de gas; R = constante universal de los gases ideales (0,0826 atm. L/mol. k); T = temperatura absoluta.

Esta

ecuación

describe

el

comportamiento de un gas ideal, un gas hipotético formado por partículas puntuales, sin atracción ni repulsión entre ellas y cuyos choques son perfectamente elásticos, lo cual

Un gas ideal es aquel en el cual las partículas no tienen efecto una sobre la otra.

implica no solamente la conservación del momento, como en todos los tipos de colisión, sino en este caso, también la

𝑷𝑽 = 𝒏𝑹𝑻

conservación de la energía cinética

Fórmula 1. Ecuación del gas ideal

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UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS ÁREA DE LABORATORIO DE FÍSICA FACULTAD DE INGENIERÍA Donde: P = presión V= volumen n = # de moles del gas R = constante de los gases ideales T = temperatura del gas medida en Kelvin(K)

Fórmula 3. Ley de Gay-Lussac

𝑃1𝑇2 = 𝑃2𝑇1

Gráfica 2. Ley de Gay-Lussac / Volumen es constante

Figura1. Valores de la constante de los gases ideales

2.4 Ley de Boyle

2.2 Ley de Charles

Corresponde a las transformaciones que experimenta un gas cuando su temperatura permanece constante.

Corresponden a las transformaciones que experimenta un gas cuando la presión es constante.

Fórmula 4. Ley de Charles

𝑷𝑽 = 𝑪 Fórmula 2. Ley de Charles

La curva que describe el gráfico P versus Volumen, corresponde a una isotérmica, es decir a todos los puntos donde la temperatura es la misma.

𝑉1𝑇2 = 𝑉2𝑇1

Gráfica 1. Ley de Charles – Presión es constante

Gráfica 3. Ley de Boyle / Temperatura es constante

Cuando la temperatura se acerca al cero absoluto, todos los gases tienden al mismo comportamiento.

2.5 Ley de Avogadro

2.3 Ley de Gay-Lussac

Volúmenes iguales de distintas sustancias gaseosas, medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo número de partículas.

Corresponde a las trasformaciones que sufre un gas ideal cuando el volumen permanece constante.

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A. ¿Cuál es el valor de la presión antes de que haya alguna partícula en la caja? El valor de la presión es cero ya que no nos indica nada antes de que haya alguna partícula en dicha caja. B. ¿Qué especie de partículas desea elegir en este experimento (pesadas o ligeras)? Partículas Ligeras C. Bombee el mango e inserte 50 partículas en la caja. ¿Qué pasó con la presión cuando bombea el mango? ¿Que observa? Bombee el mango nuevamente e inserte 300 partículas en la caja. ¿Qué pasó con la presión cuando bombea el mango? ¿Que observa? Cuando insertamos 50 Partículas (ligeras) sucede que empiezan a chocar donde la presión oscila aproximadamente entre 8.5atm y 9atm, teniendo una temperatura de 440K, cuando le pones calor a las partículas su energía cinética aumenta, pero cuando le ponemos frio su energía cinética disminuye. La energía cinética es directamente proporcional a la temperatura. Cuando colocamos 300 partículas (ligeras) podemos observar que la presión atmosférica esta aproximadamente ente 34 a 35 atm y una temperatura de 300K, podemos denotar que estas partículas tienen menos espacio y chocan entre ellas mismas. D. Basándose en su respuesta a las partes "a" y "c", ¿cuál es la causa física de la presión? La causa de la presión se da por el choque de las moléculas que tiene una interacción con el recipiente que las contiene.

Gráfica 4. Ley de Avogadro 3. Desarrollo experimental En base a la información dada por el docente procedimos a realizar practica y ejercicios para lograr entender mejor cómo funciona la dilatación térmica. Para realizar esta práctica utilizamos el siguiente recurso de forma virtual. https://phet.colorado.edu/sims/html/gasproperties/latest/gas-properties_es.html 4. Datos obtenidos del laboratorio. PROBLEMA 1 Primer paso

En el desarrollo de esta experiencia podemos observar como el gas se comporta como un gas ideal. Denotamos que al momento de agregar cierta cantidad de partículas sea ligeras o pesadas la temperatura y la presión atmosférica de la caja empieza a mostrar una diferencia, siendo que si le ponemos calor a las partículas su energía cinética aumenta y si le ponemos frio su energía cinética disminuye. Si ponemos bastantes partículas pesadas llega un punto donde estas empiezan a chocar y si se les ponen demasiado calor se daña el experimento. Llegamos a la conclusión que la energía cinética es directamente proporcional a la temperatura.

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UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS ÁREA DE LABORATORIO DE FÍSICA FACULTAD DE INGENIERÍA E. Mantenga los ojos en una partícula específica en la simulación. ¿La velocidad de la partícula es constante con el tiempo? La velocidad de una particular dentro de un recipiente cerrado no es constante, ya que al estar en contacto con otras partículas y chocar entre ellas. Esta aumenta o disminuye su energía cinética. F. Mire varias partículas. ¿Tienen la misma velocidad al mismo instante a tiempo? La mayoría de las partículas poseen una velocidad diferente, y al analizar por lo menos 4 partículas, estas tienen una velocidad diferente y varían según el choque de alguna otra partícula con mayor o menos velocidad. Es decir, que siempre encontraremos que las velocidades de las partículas serán diferentes. E. Basándonos en sus respuestas a las partes "e" y "f", ¿podemos describir el gas usando la velocidad de cada partícula, o necesitamos describirlo con una velocidad promedio? Para poder identificar el tipo de gas que tenemos en algún recipiente, es pertinente obtener la velocidad promedio de las partículas en el interior de este. Dado a que cada partícula de gas, tiene una composición diferente, podemos decir que, si es necesario hallar la velocidad promedio de las partículas.

PROBLEMA 2. A. En el campo “parámetros constantes”, elija el volumen constante (proceso isocórico). Anote el valor inicial promedio de la presión y el valor de la temperatura. Nos piden mantener el volumen constante, solo se debe colocar el volumen (V) constante y proceder a la simulación. La temperatura es de 300K y la presión varia de 2.2 a 6.1 atm. B. Encienda el control de calor y aumente la temperatura del gas. T inicial: 27° C T final 414° C Presión inicial: 5.8 atm Presión final: 13.3 atm C. Tome diferentes valores de presión y temperatura a volumen constante, regístrelos en la tabla1. Presión P (atm) Temperatura T (K)

6

9.1

306

9.7

310

10

320

10.4

330

10.7

343

11.6

362

UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS ÁREA DE LABORATORIO DE FÍSICA FACULTAD DE INGENIERÍA D. Esquematice el gráfico P-V para este proceso en la Figura 2. Etiquete los puntos inicial y final y muestre la dirección del proceso.

Figura 2. Diagrama P-V

Gráfica 5. Diagrama (V) vs (P)

E. Basado en la ley de gas ideal, ¿Corresponde el gráfico de la Figura 2 a lo que esperabas para un proceso con volumen constante, en el que aumenta la temperatura? Explicar Si, ya que la gráfica de un

volumen constante seria esta. Gráfica 6. Diagrama (T)vs(P)

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PROBLEMA 4

A. En el campo "parámetros constantes", elija presión constante (proceso isobárico). Note que hay dos posibilidades. Escoja la que le permite utilizar el control de calor. Registre los valores iniciales de presión y temperatura. T:300k P:30,09at m V:10 Partículas: (pesadas) 230 B. Utilice el control de calor y enfríe el gas. Registre la temperatura final. La temperatura final registrada es 90k C. ¿Qué pasó en la simulación cuando enfrió el gas? En el momento que llego a su punto máximo se pudo observar que el gas no tiene suficiente espacio para moverse, dado que colisionan unos con otros ya que al bajar la temperatura se reduce el volumen.

A. En el campo "parámetros constantes", elija la temperatura constante (proceso isotérmico). Registre los nuevos valores iniciales de presión. T: -24° P:22,5atm V: 10 Partículas: (pesadas) 230 B. Disminuya el volumen del gas. Espere un par de minutos para alcanzar la misma temperatura. ¿Qué sucede con la presión cuando disminuye el volumen? Se redujo el volumen de 10 a 5 y la presión Aumentó. C. Esquematice el gráfico P-V para este proceso en la figura 4. Etiquete los puntos inicial y final y muestre la dirección del proceso.

D. Esquematice el gráfico V-T para este proceso en la figura 3. Etiquete los puntos inicial y final y muestre la dirección del proceso.

Figura 4. Diagrama P-V

V vs 50

P

40 30 20 10 0

Figura 3. Diagrama P-V

0

5

1

V V vs Gráfica 8. Diagrama (V)vs(P)

15 10

V 10 9 8 7 6 5

5 0 0

10

20

30

40

Gráfica 7. Diagrama (V) vs (T)

8

P 22.5 24.8 28 31.5 36.8 44.7

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UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS ÁREA DE LABORATORIO DE FÍSICA FACULTAD DE INGENIERÍA D. Cuando disminuyó el volumen del sistema, ¿qué observó con respecto al control de calor? La energía del sistema aumentó aproximadamente el triple. E. ¿En función de su observación (sección d) Es posible tener transferencia de calor desde o hacia un sistema, incluso cuando la temperatura es constante? Explicar. Al no ser posible el cambio de temperatura de un sistema el otro perderá o ganará emergía para ponerse en equilibrio.

PROBLEMA 7 Un cilindro de gas está a 10 C. Un pistón comprime el gas a la mitad de su volumen Original y cuatro veces su presión original. ¿Cuál es la temperatura final del gas? Datos: 𝑷𝟏 = 𝟏𝒂𝒕𝒎

𝑷𝟏 = 𝟒𝒂𝒕𝒎

𝑽𝟏 = 𝟓𝟎𝟐,𝟔𝟓𝒄𝒎𝟑

𝑽𝟐 = 𝟏𝟏𝟐𝟎𝟎𝒄𝒎𝟑

𝑻𝟏 = 𝟏𝟎°𝑪 + 𝟐𝟕𝟑 = 𝟐𝟖𝟑𝑲

𝑻𝟐 =???

Formula a desarrollar 𝑷𝟏 ∗𝑽𝟏 𝑻𝟏 =

PROBLEMA 5

𝑷𝟐 ∗𝑽𝟐 𝑻𝟐 A. Basado en la ley de gas ideal, ¿cuál es el valor de la presión cuando la temperatura es cero absolutos?

Despejamos 𝑻𝟐 𝑻𝟐 =

Según la ley de gas ideal la presión es proporcional a la temperatura, es decir el si se duplica la temperatura también lo hará la presión siempre y cuando el volumen y numero de moles sea constante.

𝑷𝟐 ∗ 𝑽𝟐 ∗ 𝑻𝟏 𝑷𝟏 ∗ 𝑽𝟏 𝑻𝟐 = (𝟒𝒂𝒕𝒎) ∗ (𝟏𝟏𝟐𝟎𝟎𝒄𝒎𝟑) ∗ (𝟐𝟖𝟑𝑲) (𝟏𝒂𝒕𝒎)(𝟓𝟎𝟐,𝟔𝟓𝒄𝒎𝟑) 𝑻𝟐 = 𝟏𝟐𝟔𝟕𝟖𝟒𝟎𝟎𝑲 𝟓𝟎𝟐,𝟔𝟓 𝑻𝟐 = 𝟐𝟓𝟐𝟐𝟐,𝟖𝟏𝟔𝟒𝑲 Pasamos la temperatura final de K (kelvin) a °C 𝑻𝟐 = 𝟐𝟓𝟐𝟐𝟐,𝟖𝟏𝟔𝟒𝑲 − 𝟐𝟕𝟑 𝑻𝟐 = 𝟐𝟒𝟗𝟒𝟗,𝟖𝟏𝟔𝟒°𝑪

B. ¿Es posible tener una presión negativa? Explicar. Cuando decimos "presión negativa" en Realidad estamos hablando en términos relativos. Significa que donde hay esa presión negativa hay "menos presión" que en otros sitios. PROBLEMA 6 Cuando usamos la ley de gas ideal en un cálculo, ¿importa si la temperatura está en Celsius o en Kelvin? Explique por qué. Si importa, pues como estamos hablando de la escala absoluta y las temperaturas en esta escala se miden en K (kelvin), si una temperatura está en °C se debe pasar a °K.

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Conclusiones

Bibliografía

Después de realizar la experiencia, hemos obtenido nuevos conocimientos, claramente pudimos ensayar todo lo relacionado a la conceptualización y aplicación de conocimientos teóricos. No obstante, reconocimos y examinamos aprendiendo las técnicas y los diferentes métodos que se requirió para cada uno de los materiales utilizados. Sabemos que las relaciones de presión-volumen de los gases ideales están regidas por la Ley de Boyle ya que el volumen es inmensamente proporcional a la presión. Se debe tener en cuenta que las leyes de Charles y Boyle son de suma importancia ya que cada una nos aporta su pensamiento, métodos y maneras distintas de resolver. En nuestro diario vivir nos topamos con todo tipo de situación las cuales involucran estas leyes. Un ejemplo de aplicación para una de estas, es la de Gay Lussac, que sería la olla a presión porque este recipiente tiene un volumen definido, si se aumenta la temperatura, la presión interna del recipiente aumenta.

[1] F. Sears, M. Zemansky, H. Young y R. Freedman. Física universitaria, vol. 1, 12.a ed. México: Addison Wesley Longman, 2009. [2] R. Serway y J. Robert. Física, t. 1, 5.a ed. México: McGraw-Hill, 2004. [3] https://phet.colorado.edu/sims/html/gasproperties/latest/gas-properties_es.html [4] https://www.fisic.ch/contenidos/termodin%C 3%A1mica/ley-de-los-gases-ideales/ [5] https://es.wikipedia.org/wiki/Gas_real [6] https://es.wikipedia.org/wiki/Constante_de_ Avogadro

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