LABORATORIO FÍSICA III 5 AÑO

Transcripción

1 ESCUELA SUPERIOR DE COMERCIO LABORATORIO FÍSICA III 5 AÑO UNIDAD 0 Diagnóstica. Repaso de conceptos de trabajo y energía. Sistemas de unidades.

2 UNIDAD 1 Termometría. Relaciones entre escalas termométricas. Dilatación de sólidos. Dilatación lineal, superficial y cúbica. Coeficientes. Relaciones. Dilatación de líquidos. Dilatación aparente y real. Dilatación anómala del agua. UNIDAD 2 Dilatación de gases. Dilatación a presión constante. Ley de Gay-Lussac. Dilatación a volumen constante. Gas ideal o perfecto. Temperatura absoluta. Ecuación de estado de los gases ideales. UNIDAD 3 Calorimetría. Cantidad de calor. Cambios de estado. Consideraciones generales. Calorímetro de mezclas. Calor específico de gases: a presión constante y a volumen constante. Propagación del calor: conducción, convección y radiación. UNIDAD 4 Equivalente mecánico del calor. Experiencia de Joule. Primer principio de la termodinámica. Energía interna. Conversión de calor en trabajo. Máquinas térmicas. Rendimiento. Motor de combustión interna. Concepto del Segundo Principio de la Termodinámica. LABORATORIO 1. Dilatación de sólidos y líquidos 2. Dilatación y compresión del aire 3. Cambio de volumen de un gas ideal 4. Cantidad de calor 5. Equivalente del calorímetro 6. Calor específico 7. Cambio de estado 8. Variación de los puntos de fusión y ebullición 9. Formas de transmisión del calor 10. Corrientes de convección ESCUELA SUPERIOR DE COMERCIO LABORATORIO PRACTICO Nº 1 TEMA: DILATACIÓN DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS

3 OBJETIVOS: Realizar varias experiencias para comprobar la dilatación de sólidos. Observar la dilatación lineal y volumétrica. Comprobar y comparar la dilatación de diferentes líquidos. Demostrar la dilatación anómala del agua. EXPERIENCIA DE HOPE Probeta de Hope Mezcla frigorífica Agua a 7ºC El Aparato de Hope consta de una probeta con dos tapones laterales, a distinta altura, para introducir por cada uno de ellos un termómetro. En posición central lleva adosado un depósito exterior para hielo, con un orificio para la salida de agua. 1. Llenar la probeta con agua a 7ºC. 2. Colocar la mezcla frigorífica en la cubeta negra. 3. La probeta tiene dos termómetros que señalan las temperaturas del agua en zonas de diferente profundidad. Observar y leer las temperaturas. 4. Al cabo de algún tiempo el termómetro inferior desciende a 4 ºC quedándose estacionario, mientras que el otro desciende muy lentamente a 0 ºC. Ambos resultados evidencian que la densidad máxima del agua toma su valor máximo a 4 ºC. DILATACIÓN DE LÍQUIDOS Equipo de calentamiento (mechero, tela de amianto, trípode) Soporte con aro Termómetro Hilo Embudo Micropipetas Fibrón marcador NOMBRES: CURSO: AÑO DIVISIÓN Balón de vidrio Pirex con tapón horadado Tubo capilar

4 Vaso de precipitado Glicerina Etanol 1. Armar el equipo de calentamiento, colocar el vaso de precipitado con agua y colgar el termómetro. 2. Llenar el balón con agua y colocar el tapón con el capilar. Mercar el nivel del agua en el capilar. 3. Sumergir el bolón en el baño de agua. 4. Observar el líquido a medida que aumenta la temperatura. (entre 20 y 60ºC) 5. Volver a marcar el nivel del líquido. 6. Repetir el procedimiento utilizando Etanol y luego con Glicerina. 7. Comparar los volúmenes dilatados en los tres líquidos. 8. En otro equipo similar estudiaran la dilatación de Etanol. ANILLO DE GRAVESANDE Este aparato consta una esfera metálica suspendida del soporte por una cadena. El soporte también posee un anillo del mismo material que la esfera. El diámetro de la esfera es ligeramente inferior al del anillo. 1. Sujetar la esfera con una pinza metálica y calentarla sobre la llama de un mechero. 2. Probar si la esfera pasa por el anillo. 3. Dejar enfriar la esfera y volver a probar si pasa por el anillo. 4. Calentar con el mechero la esfera y el anillo. Probar si la esfera pasa por el anillo.

5 APARATO PARA COMPROBAR LA DILATACIÓN DE SÓLIDOS 1. Calentar la barra de hierro a fuego directo durante 15 minutos. 2. Apoyar la barra en su base. 3. Colocarle una tiza en el orificio que posee en el extremo. 4. Ajustar el tornillo. 5. Dejar enfriar. 6. Observar la tiza. PÉNDULO DE LEROY (COMPENSADO) El péndulo de Leroy (relojero francés) está formado por un bastidor o parrilla de diferentes barras metálicas, Hierro y latón (aleación de zinc y cobre), que soporta un péndulo. Las barras están calculadas y colocadas de modo que al dilatarse las de hierro tratan de bajar el péndulo, lo contrario que acontece con las de latón, que tratan de subirla en igual cantidad, determinando así la compensación. Su objetivo es hacer que la longitud del péndulo permanezca constante, a pesar de los cambios de temperatura. NOMBRES: CURSO: AÑO DIVISIÓN ESCUELA SUPERIOR DE COMERCIO PRACTICO Nº 2

6 LABORATORIO TEMA: DILATACIÓN Y COMPRESIÓN DEL AIRE OBJETIVO: Demostrar el efecto de la temperatura en la dilatación y compresión del aire. MATERIALES: Frasco de vidrio pequeño Huevo duro Cuba refrigerante Mezcla frigorífica (hielo molido con Cloruro de Amonio y Cloruro de Sodio) Equipo de calentamiento (trípode, tela de amianto, mechero) Vaso de precipitado grande Soporte universal con pinza 1. Colocar un huevo duro en la boca del frasco de vidrio. 2. Colocar el frasco con el huevo dentro de la cuba con agua caliente. Esperar 10 minutos y observar. 3. Retirar de la cuba con agua caliente y sumergir en otra cuba con mezcla frigorífica. Esperar y observar. ESCUELA SUPERIOR DE COMERCIO LABORATORIO PRACTICO Nº 3

7 TEMA: CAMBIO DE VOLUMEN DE UN GAS IDEAL OBJETIVOS: Medir el cambio de volumen de un gas ideal a presión atmosférica cuando se enfría. Graficar el volumen en función de la temperatura (gráfico V-T) aplicando una extrapolación lineal. MATERIALES: Balde o recipiente grande Agua Mezcla frigorífica (hielo molido con Cloruro de Sodio y Cloruro de Amonio) Balón de 250 ml con tapón horadado Vaso de precipitado 500 ml Equipo de calentamiento (soporte universal, tela de amianto, mechero) Pinza para balones Termómetro Hoja de papel milimetrado Barrita de vidrio maciza corta Probeta 100 ml 1. Preparar en un balde o recipiente en el cuál entre el balón una mezcla frigorífica. 2. Armar el siguiente dispositivo:

8 3. Tapar el balón con el tapón de goma horadado y verificar que todo el material esté bien seco. 4. Llenar el vaso de precipitados con agua hasta cubrir la esfera del balón. 5. Encender el mechero y calentar el sistema hasta que el agua hierva durante 3 min. 6. Medir y anotar la temperatura del agua. 7. Apagar el mechero y tapar el orificio del tapón con el tubito de vidrio para que no escape aire del balón. 8. Dejar que el balón se enfríe un poco para poder manipularlo. Retirarlo del baño de maria. 9. Colocarlo boca abajo y sumergirlo en la mezcla frigorífica. 10. Sostenerlo en esta posición y quitarle el tubito de vidrio del tapón. 11. Dejarlo 3 minutos y medir la temperatura. Anotarla. 12. Al retirar el tubo de vidrio que cerraba el tapón ingresa agua al balón desplazando el aire contraído. Manteniendo el balón boca colocar el tubito de vidrio en el tapón. 13. Retirarlo del hielo y medir con una probeta el volumen de agua que ingresó en el balón. Anotarlo. 14. Medir con una probeta el volumen del balón Calcular el volumen de aire que quedó adentro. 15. Calcular el volumen de aire comprimido al colocarlo en la mezcla frigorífica. 16. Completar la tabla:

9 Temperatura del agua hirviendo (ºK) Temperatura de la mezcla frigorífica (ºK) Volumen de aire caliente (ml) Volumen de aire frío (ml) 17. Realizar un gráfico con los dos valores del volumen en el eje vertical y las dos temperaturas en el eje horizontal. Usar escalas entre -400ºC y 100ºC para T y entre 0 ml y 250 ml para V. Trazar una recta que una los dos puntos prolongarla hasta cortar el eje horizontal. CUESTIONARIO: 1. Por qué entra agua cuando se destapa el balón dentro del hielo? 2. Cómo se puede mejorar la precisión del experimento? 3. Qué ocurre cuando el aire se enfría extremadamente? ESCUELA SUPERIOR DE COMERCIO PRACTICO Nº 4

10 LABORATORIO TEMA: CANTIDAD DE CALOR MATERIALES: Equipo de calentamiento (mechero, trípode y tela de amianto) Soporte universal con aro Probeta graduada Vaso de precipitado 250 ml Termómetro Hilo Cronómetro Agua Alcohol OBJETIVO: Obtener datos para caracterizar la magnitud llamada cantidad de calor. Convendremos que la llama del mechero entrega iguales cantidades de calor en intervalos de tiempo iguales y procederemos a compararlos bajo distintas condiciones. Se trata de conseguir que distintas masas de agua sufran la misma variación de temperatura, midiendo el tiempo necesario para ello. Colocar en el vaso de precipitado 100 ml de agua (medidos con probeta). Colocar en el equipo de calentamiento, encender el mechero y regular su llama. Determinar el tiempo necesario para que el agua pase de 30ºC a 60ºC. Tomar los intervalos de tiempo con cronómetro cuando la temperatura aumenta 5 ºC. Anotar en la siguiente tabla: Temperatura (ºC) Tiempo (min) 0

11 1. Realizar la misma operación anterior utilizando 150 ml de agua y completar la siguiente tabla: Temperatura (ºC) Tiempo (min) 0 2. Realizar la misma operación anterior utilizando 100 ml de alcohol y completar la siguiente tabla: Temperatura (ºC) Tiempo (min) 0 ESCUELA SUPERIOR DE COMERCIO LABORATORIO PRACTICO Nº 5

12 TEMA: EQUIVALENTE EN AGUA DEL CALORÍMETRO MATERIALES: Calorímetro Termómetro Vaso de precipitados de 200 ml Equipo de calentamiento (mechero, trípode y tela de amianto) Balanza Probeta Cristalizador OBJETIVO: Obtener el equivalente en agua del calorímetro. 1. Colocar en el recipiente que se encuentra dentro del calorímetro una masa de agua medida con la probeta (m1, alrededor de 50g) y medir su temperatura (To1) 2. Colocar otra masa de agua medida con la probeta (m2, alrededor de 50g) en un vaso de precipitado y calentar a 80ºC aproximadamente (To2) 3. Verter el agua caliente en el cristalizador del calorímetro, tapándolo rápidamente y agitándolo hasta medir la temperatura máxima alcanzada por la mezcla. 4. Registrar los datos obtenidos y calcular el equivalente en agua del calorímetro Para mayor exactitud repetir el procedimiento y promediar los resultados. ESCUELA SUPERIOR DE COMERCIO LABORATORIO PRACTICO Nº 6

13 TEMA: DETERMINACIÓN DEL CALOR ESPECÍFICO OBJETIVO: Medir el calor específico de algunos materiales, por ejemplo, cobre, aluminio, acero, vidrio, plomo, etc. MATERIALES: Calorímetro o recipiente de telgopor Agitador Termómetro 3 cuerpos de distintos materiales Vaso de precipitados de 200 ml Equipo de calentamiento (mechero, trípode y tela de amianto) o Estufa a 200 ºC Hilo Balanza Probeta Cristalizador Calorímetro de Lavoisier Mezcla frigorífica 1. Utilizar el equivalente del calorímetro calculado anteriormente para obtener el calor específico de distintos materiales. 2. Colocar en el calorímetro 100 ml de agua medidos con probeta (100 g ma ) y registrar su temperatura. 3. Pesar un cuerpo (mc) y colocarlo dentro de un baño de agua caliente (ToC=100ºC) durante 10 minutos de manera que alcance el equilibrio térmico. 4. Sacar el cuerpo del agua y rápidamente colocarlo en el calorímetro, tapar y agitar hasta medir la temperatura máxima alcanzada por la mezcla Tf 5. Registrar los datos en la tabla y calcular el calor especifico del material con que esta constituido el cuerpo (cec), aplicando la ecuación de la calorimetría. 6. Repetir el procedimiento con otros cuerpos. T o agua T o cuerpo T f m A m C Ce C

14 CALORÍMETRO DE LAVOISIER LAPLACE: Este antiguo calorímetro sirve para determinar el calor específico de un cuerpo por el método de la fusión del hielo. Consta de un cilindro de doble pared que termina en sendos troncos de cono, cada uno de ellos conectado a las llaves de salida. En el interior se sitúa un vaso. En la doble pared y en la tapadera, se coloca hielo a 0ºC. El cuerpo sólido cuyo calor específico se desea determinar, previamente calentado hasta una temperatura conocida, se coloca en el vaso perforado, que también contiene hielo a 0ºC, y se recoge el agua resultante de fusión del hielo abriendo la llave colocada en la parte inferior del vaso. La cantidad de agua recogida es proporcional al calor transferido por el cuerpo sólido. Aplicando la condición del equilibrio térmico se calcula el calor específico. ESCUELA SUPERIOR DE COMERCIO PRACTICO Nº 7 LABORATORIO TEMA: CAMBIO DE ESTADO

15 MATERIALES: Equipo de calentamiento (mechero, trípode y tela de amianto) Soporte universal con aro 2 Termómetros Vaso de precipitado 200 ml Probeta de 100 ml Tubo de ensayo Cristalizador Mezcla frigorífica OBJETIVO: Observar los cambios de temperatura cuando se produce un cambio de estado. Al entregar o quitar calor a un cuerpo aparece un nuevo efecto: el cambio de estado, una de cuyas características observaremos en los siguientes ensayos: Colocamos 200 ml de agua en un vaso de precipitados y colocamos el termómetro en el seno del líquido. Luego de encender el mechero se esperan dos o tres minutos y se hace la primera lectura de la temperatura. De allí en adelante se repiten las lecturas cada minuto y se completa la siguiente tabla TIEMPO TEMPERATURA Se continúa midiendo hasta que el líquido entre en ebullición y se continúa leyendo la temperatura hasta obtener tres valores sucesivos iguales. Colocar agua en un tubo de ensayo y sumergirlo en un cristalizador que contenga mezcla frigorífica. Sumergir el termómetro en el tubo. Completar la tabla hasta que la temperatura se estabilice

16 TIEMPO TEMPERATURA Realice los gráficos de la temperatura en función del tiempo en cada caso FENOMENO DE REHIELO: Atar un alambre de cobre alrededor de una barra de hielo. Colgar del alambre una pesa de 1 Kg. Esperar 10 minutos y observar. Si un alambre ejerce presión sobre una barra de hielo, el cuál está a varios grados bajo cero, puede fundir. Mientras el agua es líquida, el alambre desciende y la desaloja, haciéndola pasar hacia arriba. Pero, una vez pasado el alambre, el agua vuelve a estar a presión atmosférica, de modo que vuelve al estado sólido, y las dos porciones de hielo quedan así nuevamente soldadas. Así, pues, el alambre es capaz de atravesar la barra sin separarla en dos trozos. Gracias a este fenómeno se puede esquiar o patinar sobre hielo. ESCUELA SUPERIOR DE COMERCIO PRACTICO Nº 8 LABORATORIO TEMA: VARIACIÓN DE LOS PUNTOS DE EBULLICIÓN Y FUSIÓN

17 OBJETIVO: Observar la variación de los puntos de ebullición y fusión del agua cuando se agrega un soluto no volátil. MATERIALES: Equipo de calentamiento (mechero, trípode y tela de amianto) Soporte universal con aro Probeta graduada 2 Vasos de precipitado 250 ml 2 Termómetros Hilo Cloruro de Sodio Cloruro de magnesio Tubo de ensayo Hielo Cristalizador 1. Colocar 100 ml de agua pura (destilada) medidos con la probeta en un vaso de precipitado. Calentar y medir la temperatura de ebullición. 2. Colocar en otro vaso de precipitados 100 ml de agua destilada (medir con probeta) y agregarle 2 cucharadas de sal o 10 cucharadas de Cloruro de magnesio. Agitar hasta que se disuelva. Calentar y medir la temperatura de ebullición. 3. Colocar en el vaso de precipitados hielo molido introducir el termómetro con una pequeña cantidad de agua dentro del mismo. Colocar un termómetro dentro del agua y otro dentro del hielo. Medir la temperatura hasta que se equilibren. Colocar 2 cucharadas de sal al hielo. Continuar leyendo la temperatura del termómetro en el hielo hasta que se estabilice. ESCUELA SUPERIOR DE COMERCIO LABORATORIO PRACTICO Nº 9 TEMA: FORMAS DE TRANSMISIÓN DEL CALOR

18 OBJETIVO: Observar como se propaga el calor a través de distintos materiales sólidos y de fluidos. Ejemplificar la propagación del calor por radiación. PROPAGACIÓN DEL CALOR POR CONDUCCIÓN: MATERIALES: Varilla de acero Varilla de hierro Varilla de aluminio Pie o soporte Fósforos Estearina o parafina Mechero 1. Fijar un fósforo usando estearina en el extremo de cada una de las varillas de distintos materiales. 2. Colocar las varillas en un soporte adecuado para que se puedan calentar. 3. Calentar los extremos libres mediante un mechero. 4. Observar cuando se desprenden los fósforos y comparar con los coeficientes de conductividad de cada material. 5. Completar la siguiente tabla: MATERIAL TIEMPO EN QUE TARDA EN CAER EL FÓSFORO (s) COEFICIENTE DE CONDUCTIVIDAD PROPAGACIÓN DEL CALOR POR CONVECCIÓN:

19 MATERIALES: Soporte Pinza Equipo de calentamiento (mechero, trípode y tela de amianto) Vaso de precipitado 250 ml Arena Papel de aluminio Tijera 1. Colocar sobre un equipo de calentamiento un vaso de precipitado con agua que contenga impurezas. 2. Calentar y observar el comportamiento de las impurezas. 3. Cortar en tiras finitas un papel de aluminio y atar en su extremo formando un penacho. 4. Sujetar el penacho en lo alto de un soporte con una pinza. 5. Encender el mechero y colocarlo abajo del penacho (a una distancia prudencial). 6. Observar el comportamiento del penacho. (Para realizar esta experiencia no debe haber corrientes de aire) PROPAGACIÓN DEL CALOR POR RADIACIÓN: MATERIALES: Lámpara Termómetro Varilla de vidrio Tomar la temperatura ambiente. Colocar el termómetro debajo de la lámpara (sin tocarla) Esperar unos minutos y leer la temperatura. ESCUELA SUPERIOR DE COMERCIO LABORATORIO PRACTICO Nº 10 TEMA: CORRIENTES DE CONVECCIÓN

20 MATERIALES: Vasos de precipitados Tubo de ensayo Agua coloreada Recipiente Cubito de agua coloreada Hilo Papel 1. Coloca el agua coloreada en un tubo de ensayo, calienta el agua colorada y colócalo despacio en el recipiente de agua fría. Observa qué sucede. 2. Llena un vaso de precipitados con agua caliente, coloca el cubito coloreado en el agua. Observa qué sucede. 3. Recorta la espiral de papel. Coloca el hilo en el centro. Enciende el mechero y sostenla por el hilo sobre el mechero. Agua caliente asciende y la fría desciende creándose las corrientes de convección. El agua caliente del frasco se dilata y se hace menos densa, como el agua superficial está más fría, es más densa y desciende, mientras que el agua caliente asciende. Se basan en corrientes de convección: Los radiadores que se emplean para calentar una habitación, o las brisas marinas y vientos.