- Determinar experimentalmente la relación entre la presión y el volumen. - Comprender la Ley de Boyle.

Transcripción

1 LEY DE BOYLE Objetivos: - Determinar experimentalmente la relación entre la presión y el volumen. - Comprender la Ley de Boyle. Equipo y materiales: - Aparato de la Ley de Gases (pasco TD 8572) - Sensor de presión absoluta (pasco Cl 6532A) - ScienciaWokshop interface Varias masas de 25 g, 50 g y 100 g (5 de cada una) Nota teórica: La termodinámica se ocupa solo de variables microscópicas, como la presión, la temperatura y el volumen. Sus leyes básicas, expresadas en términos de dichas cantidades, no se ocupan para nada de que la materia esta formada por átomos. Sin embargo, la mecánica estadística, que estudia las mismas áreas de la ciencia que la termodinámica, presupone la existencia de los átomos. Sus leyes básicas son las leyes de la mecánica, las que se aplican en los átomos que forman el sistema. Afortunadamente, no son importantes las historias individuales detalladas de los átomos que hay en un gas, si sólo se trata de determinar el comportamiento microscópico del gas. Así, aplicamos las leyes de la mecánica estadísticamente con lo que nos damos cuenta de que podemos expresar todas las variables termodinámicas como promedios adecuados de las propiedades atómicas. Por ejemplo, la presión ejercida por un gas sobre las paredes de un recipiente es la rapidez media, por unidad de área, a la que los átomos de gas transmiten ímpetu a la pared, mientras chocan con ella. En realidad el número de átomos en un sistema microscópico, casi siempre es tan grande, que estos promedios definen perfectamente las cantidades. En el año de 1662, el físico y químico ingles Robert Boyle realizó uno de los experimentos clásicos de la historia científica. Varias semanas antes de efectuar 64

2 la demostración, Boyle solicitó a un vidriero de Londres que hiciera el tubo de dicho vidrio más largo y fuerte que jamás hubiera hecho. Dicho tubo debería tener la forma de una J, con una rama mayor de cinco metros de longitud y una menor de un metro y medio, cerrado en la parte superior con una llave de paso. El volumen es inversamente proporcional a la presión: Si la presión aumenta, el volumen disminuye. Si la presión disminuye, el volumen aumenta. El vidriero consiguió hacer lo que se le pedía. Boyle colocó el tubo en la escalera de su casa descansando la parte inferior en un recipiente de metal, a fin de recoger el mercurio en caso de que se rompiera el vidrio. Abrieron unos barriles que contenían mercurio; un ayudante comenzó a verter el mercurio en el extremo abierto del tubo, situado en la parte alta de la escalera. Al ir agregando más mercurio, este se iba introduciendo en la rampa pequeña que contenía aire cerrado, el cual se iba comprimiendo. Boyle continuó entonces su experimento abriendo la llave de paso de la rama corta y agregando mercurio, hasta que tuvo un espacio de 75 cm, entre la llave de paso y la parte superior de la columna de mercurio. El nivel de mercurio era ahora igual en las dos ramas y la presión de aire en ambas columnas era igual. Entonces cerró la llave de paso, sabiendo que esta columna de aire encerrado tenía una presión que era igual a la presión atmosférica. Luego, su ayudante vertió más mercurio en a rama del tubo hasta que el aire encerrado se comprimió a 37,5 cm. Se agregó otra vez mercurio hasta que la columna de aire se produjo de 18,7 cm, es decir, la cuarta parte del volumen de la presión atmosférica. La cantidad de mercurio aumentó, al ir agregando más, mientras que proporcionalmente el volumen de gas disminuyó. El experimento se siguió repitiendo, a veces se rompía el tubo, pero los resultados que obtenía Boyle siempre eran los mismos. Así pues, podemos decir que la Ley de Boyle fue descubierta por Robert Boyle en Edme Mariotte también llegó a la misma conclusión que Boyle, pero no publicó sus trabajos hasta Esta es la razón por la que en muchos libros encontramos esta ley con el nombre de Ley de Boyle y Mariotte. 65

3 La Ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante. PV = Constante - PROCEDIMIENTO: a. Libere inicialmente el émbolo, para ello gire el tornillo de la parte superior de forma tal que este proceda a desatornillar (gire en sentido contrario al de las manecillas del reloj para liberar). Con el émbolo levantado, en la posición que llamaremos de máximo volumen, proceda haciendo uso de los dispositivos para cerrar las válvulas, proceda a cerrar ambas. MANIPULE CON CUIDADO DICHOS DISPOSITIVOS, YA QUE SON MUY FRÁGILES. b. Conecte el sensor de presión a una de las dos válvulas de salida en la parte inferior del Aparato de la Ley de Gases. c. Conecte el otro extremo del sensor de presión a la interface ScienciaWokshop interface 750 a alguno de los canales, a saber A,B o C. Luego proceda a activar la interface moviendo el interruptor colocado en su parte posterior o derecha. En la PC active el programa DataStudio, seleccione español para mayor facilidad, escoja crear nuevo experimento. d. Proceda a conectar en la interface mostrada en la pantalla el sensor de presión, tal cual lo hizo físicamente, o sea al respetivo canal, para ello solo coloque la flecha de su Mouse en el canal y déle click izquierdo, seleccione el respectivo sensor, para el de presión, seleccione una velocidad de muestreo de 10 segundos, y en Medidas selecciones Presión canal (A, B ó C). e. Proceda ahora a abrir la válvula a la que conectó el sensor de presión y que cerró anteriormente, se cuidadoso de no abrir la otra válvula de salida. 66

4 f. En el programa Data Studio, seleccione del menú pantallas (inferior izquierdo) Tabla, de esta forma observara en la pantalla una tabla de la presión contra el tiempo. g. Anote en la Tabla A la altura inicial marcada por la parte inferior del émbolo. Figura 1: Conexión del Aparato de Gases h. Presione el botón de inicio de la parte superior del la ventana del programa DataStudio para iniciar la toma de datos. i. Coloque cada 10 segundos una masa sobre el embolo, inicie con 100 g, luego proceda a agregar las otras diferentes masas. NO SOBREPASE UNA PRESIÓN DE 120 kpa, YA QUE ESTO PUEDE PROVOCAR FUGAS DE AIRE DEL PISTÓN Y HASTA PUEDE SER DAÑADO. 67

5 Recuerde que en cada caso, luego de agregar las masas, debe anotar la altura indicada por el émbolo en la tabla A. (Los datos de la masa no es necesario anotarlos) Tabla A: Ley de Boyle Altura h (m) EXPERIMENTO 1 EXPERIMENTO 2 Volumen Presión Altura Volumen V P h V (m 3 ) (kpa) (m) (m 3 ) Presión P (kpa) j. Proceda a repetir el experimento una vez más, anote sus datos en la tabla A. RESULTADOS 1. Convierta los datos de altura de la tabla A, a volumen, sabiendo que el diámetro del émbolo es de 32,5 mm. 2. Transcriba los datos de presión reportados por la tabla 1 del programa DataStudio a la tabla A. RECUERDE QUE ESTÁN EN EL MISMO ORDEN DE LAS ALTURAS ANOTADAS, POR ELLO LA IMPORTANCIA DE QUE LAS MASAS SEAN AGREGADAS CON LA MISMA FRECUENCIA 68

6 DE MUESTREO INDICADA EN EL SENSOR DE PRESIÓN. TENGA ESPECIAL CUIDADO EN ESTO. 3. Usando la información de la Tabla A, construya una gráfica de presión contra volumen, para cada experimento. Si esta se muestra como una línea recta, de una explicación de por que ocurre eso? CUESTIONARIO 1. Qué representa la gráfica construida en esta experiencia de laboratorio? 2. A qué procesos se aplica la Ley de Boyle-Mariotte? 3. Se esperaría una gráfica diferente, si se emplea otro tipo de gas diferente al aire? 69

7 SE APLICA A LEY DE BOYLE CONOCER LA LEY DE BOYLE CONSISTE EN Si no varía la temperatura a la que se encuentra un gas, el producto del volumen que ocupa por la presión que ejerce es constante GASES IDEALES PARA QUE SON EN EL LABORATORIO DETERMINAR RELACION ENTRE p Y V gas hipotético formado por partículas puntuales, sin atracción ni repulsión entre ellas y que chocan con choques perfectamente elásticos EN EL LABORATORIO CONSTRUIR EXPERIMENTALMENTE RELACION p Y V PARA ELLO SE SELECCIONA UN VOLUMEN INICIAL DE AIRE EN EL PISTÓN SE CONECTA SENSOR DE PRESIÓN A INTERFASE Y ESTA A LA PC COLOCAR MASAS SOBRE EL PISTÓN COLOCAR MEDIR MEDIR VOLUMEN EN EL PISTÓN PRESIÓN SEGÚN SENSOR CONSTRUIR CONSTRUIR UNA GRAFICA DE PRESIÓN CONTRA VOLUMEN DEDUCIR LEY DE BOYLE Figura 2: Resumen de la práctica 70