UNIVERSIDAD DON BOSCO DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS Asignatura: FÍSICA II
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1 UNIVERSIDAD DON BOSCO DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS Asignatura: FÍSICA II LABORATORIO DE FÍSICA CICLO: AÑO: Laboratorio: 09 Laboratorio 09: CALOR ESPECÍFICO DE UN GAS A PRESIÓN CONSTANTE (Cp) I. OBJETIVOS General Aplicar la primera Ley de la Termodinámica a un proceso a Presión constante que experimenta un gas ideal. Específicos Calcular el trabajo (W) que realiza una muestra de aire cuando se calienta a presión constante. Determinar el número de moles (n) de la muestra de aire aplicando la ecuación de estado de los gases ideales. Calcular la Energía Interna (U) de la muestra de aire a una temperatura inicial y final, mediante la expresión de energía interna para gases Diatónicos. Aplicar la primera ley de la termodinámica para determinar el Calor Específico a Presión (Cp) constante del aire. II. FUNDAMENTOS TEÓRICOS La energía necesaria para aumentar la temperatura de n moles de gas ideal de una temperatura inicial a una temperatura final depende de cómo se lleve a cabo el proceso, es decir de la trayectoria seguida entre los estados inicial y final. La figura 1 muestra que un cambio definido de temperatura puede alcanzarse recorriendo una variedad de trayectorias de una isoterma a otra. Así, la trayectoria de i a f es a volumen constante y la trayectoria de i a f es a presión constante. Debido a que el cambio de temperatura es el mismo en ambas trayectorias, el cambio de energía interna es el mismo para todas las trayectorias, ya que la energía interna de un gas solamente depende de la temperatura. Figura 1: Diagrama Termodinámico de Presión vrs Volumen Pág. 1
2 En la primera Ley de la Termodinámica, tanto el calor Q como el trabajo W dependen de la trayectoria. En esta práctica se trabajará con el aire, el cual será considerado como gas ideal Diatónico debido a que el aire es una mezcla de varios gases pero en su mayor proporción contiene Nitrógeno (N2) y Oxigeno (O2) que son también diatónicos. En esta práctica se llevará a cabo una compresión de volumen a presión constante, es decir un proceso que inicia en el estado f y termina en el estado i como se ilustra en la figura 1, la energía interna en forma de calor es entonces: (Ec.1) El calor especifico a presión constante, se calcula de la siguiente manera: (Ec.2) Las unidades del Cp son entonces: ó III. TAREA PREVIA 1.) Definir los siguientes conceptos: Calor específico a volumen constante Calor especifico a presión constante. Energía interna de un gas ideal 2.) Investigue como se calcula el trabajo termodinámico para los procesos Isobárico, Isotérmico e Isovolumétrico. 3.) Se recomienda resolver problemas de aplicación, haciendo uso de la bibliografía sugerida por el docente de teoría. IV. MATERIALES Y EQUIPO Cantidad Material/Equipo 1 Tubo de Vidrio 2 Beaker de 400 ml 1 Barra sostén con base 1 Calibrador Vernier 1 Cinta Metrica 1 Termómetro 1 Barómetro V. PROCEDIMIENTO a) Utilizando el calibrador vernier, mida el diámetro interno del tubo y con la cinta métrica la longitud de la columna de aire (figura 2). Anote los valores en la tabla 1. b) Anote el valor de la presión atmosférica que registra el barómetro en milibares, hacer la conversión a atmosferas. Figura 2: Medición de la longitud y diámetro del tubo. c) Agregar a un beaker 300 ml de agua a temperatura ambiente. Y calentar otro con la misma cantidad de agua hasta una temperatura de ebullición junto con el tubo de vidrio. (Ver figura 3) d) Una vez alcanzada la temperatura de ebullición mida la temperatura dentro del agua, observe que el aire saldrá del tubo en forma de burbujas. Esta será la Temperatura Inicial del aire en el Tubo. Pág. 2
3 e) Después de tomar la temperatura inicial, sacar el tubo cuidadosamente del beaker con agua caliente e introducirlo dentro del beaker con agua a temperatura ambiente, medir la temperatura final alcanzada, esta será la temperatura final del aire en el tubo. Observará que el aire en el tubo se comprimirá. (Ver figura 4) Figura 4: Esquema del paso e. Figura 3: Esquema del paso c. f) Luego, sacar el tubo cuidadosamente del beaker con agua a temperatura ambiente para medir la longitud de la columna de aire que ha quedado atrapado en el tubo. Anote estos valores en la tabla 1. Figura : Medición de la columna de aire en el tubo. g) Para vaciar el agua atrapada dentro del tubo agite el tubo cuidadosamente o retire el tapón. h) Repita el proceso anterior y complete la información de la tabla 1 para las temperaturas iniciales indicadas. PARÁMETROS Diámetro Interno del Tubo (mm) Longitud de Columna de aire dentro del tubo sin calentar (Longitud Inicial) (cm) Presión Atmosférica Local (mbar) Temperatura Final ( C) Temperatura Inicial ( C) Longitud de la Columna de aire dentro del tubo calentado (Longitud Final)( C) TABLA 1 DATOS Nota: Una vez terminada la toma de datos, limpiar y ordenar su mesa de trabajo antes de retirarse. Pág. 3
4 VI. ANÁLISIS DE RESULTADOS Nota: Para este análisis de resultados, considere en todo momento al aire como un gas ideal. 1.) Calcule el trabajo de compresión del aire en unidades de: [cm 3 Atm] ( ) 2.) Mediante la expresión y tomando obtenga el número de moles de aire tanto para las condiciones iniciales y como para las finales y. Cómo son los valores de nf y ni? Es así como se esperaban? 3.) A partir de la información del literal anterior obtenga el número de moles promedio 4.) Aplicando la ecuación para gases diatónicos, calcule la energía interna del aire para las temperaturas inicial y final. Luego obtenga U con sus respectivas unidades..) Obtenga el Cp del aire mediante la expresión: 6.) Dado que este resultado estará expresado en unidades de, haga las conversiones necesarias para obtener el Cp del aire en unidades de 7.) Investigue cual es el Cp Teórico del aire y añada la fuente de consulta a su reporte. 8.) Calcule el porcentaje de erro al determinar el Cp del aire, tomando como valor teórico el investigado, y como valor experimental el calculado en su reporte. 9.) En base a lo experimentado, qué tipo de proceso termodinámico se llevó a cabo? El tipo de transformación que sufrió el gas fue de Compresión o de Expansión? Explique su respuesta. 10.) El número de moles fue igual en el estado inicial y final del proceso termodinámico realizado? Si, No, por qué? Explique. 11.) Elabore conclusiones para su reporte, en base a los resultados obtenidos, causas de error y objetivos de la práctica. Pág. 4
5 Departamento de Ciencias Básicas Laboratorios de Física y Química NOTA: HOJA DE CRITERIOS DE EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS EXPERIMENTALES. Asignatura: Física II Nombre de la Practica: Calor Específico de un Gas a DOCENTE: Fecha: / / G.L.: Miembros del grupo: No Apellidos Nombres Carnet Firma G.T No Aspectos a Evaluar %Asig. %Obten. Observaciones 1 Presentación (Limpieza, orden, coherencia, estructura) Valor y conversión de la presión atmosférica de mbar a Atm. Evidencia de cálculos. Resultado y cálculo del trabajo W del aire en unidades de Joule y de cm 3 -Atm. Evidencia de la conversión de unidades. 4 Obtención del número de moles inicial, final y promedio Cálculo de la energía interna (U) inicial y final. Obtención del cambio de energía interna (ΔU). Unidades. Obtención del Cp del aire en unidades de Evidencia de conversión de unidades. Obtuvo el porcentaje de error del valor de Cp experimental respecto al Cp investigado. Incluyó bibliografía. Explicó el tipo de proceso termodinámico que se desarrolló en el experimento para la obtención del calor específico. Explicó si el número de moles en el estado inicial y final fueron iguales. 10 Elaboró las conclusiones 10 y TOTAL DE PUNTOS 100 Pág.
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