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EL COEFICIENTE DE DILATACIÓN DE UN GAS I.
OBJETIVOS : Calcular el coeficiente de dilatación térmica del aire.
II.
FUNDAMENTOS TEORICOS :
1.) Gas ideal : Es un gas que escapa a los comportamientos reales que sufren todos los cuerpos. Para desarrollar una teoría molecular de los gases debemos construir o representar imaginariamente un modelo que incorpore solo aquellos rasgos que se piensa que son importantes para determinar la conducta físico real. Entre las principales ideas planteadas para dar a conocer un gas ideal tenemos : a) Que no existan interacciones moleculares, es decir que es nula la fuerza de atracción y repulsión entre ellas. b) Que las moléculas tienen un volumen infinitesimal , es decir consideremos que los átomos o moléculas se comportan como centro de punto de masa. c) Que la trayectoria de las moléculas es recta , antes y después de cada choque. d) Que los choques son elásticos, es decir que se mantiene el momento lineal (mv) después de cada choque. 2.) Leyes de Gay Lussac, Charles y Boyle Mariotte : Gay Lussac postula que en todo cambio de estado a v = cte se tiene que la presión absoluta varia directamente proporcional a su temperatura absoluta: ===>
Pt = Po (1 + βt)
β : coeficiente de compresión isócoro
Ley de Charles : A p = cte. , el volumen de un gas varia directamente proporcional a la temperatura absoluta. Vf = Vo (1 + αt)
Gay Lussac indica que :
α : coeficiente de expansión Vf : volumen a cualquier temperatura “t” Vo : volumen a O0C t : temperatura cualquiera en oC
α = β = 1 / 273 oC = 0,003633 oC
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Boyle menciona que a t = cte se tiene una relación inversa :
PV = K
3.) Dilatación de los gases : Temperatura y Dilatación Térmica : a) Gases perfectos : En el supuesto que “p” permanezca constante, hallemos la relación entre los volúmenes V y Vo de una masa dada de un gas perfecto, a la temperatura t y OoC PV = nRT = nR(1/βo + t) a la temperatura de OoC se tiene: PVo = nR 1/βo Dividiendo estas dos relaciones se tiene la formula de dilatación de un gas perfecto a P = cte : V = Vo (1 + βo t) = Vo βo T
α = β = βo = 1 / 273,16 =
0.00366 gas perfecto b) Transformación Isobarica : Consideremos cierta masa de gas encerrado en un tubo de vidrio, que soporta una presión igual a la atmosférica mas la presión de una pequeña columna de Hg. Al calentar el gas y dejar que se expanda libremente, al presión sobre él no se altera, pues siempre es ejercido por la atmósfera y por la columna de Hg. Todos los gases se dilatan igualmente. Si hacemos los anterior pero con O2 y H2 el volumen final en los dos será el mismo al aplicarle la misma temperatura, es decir, ambos tiene el mismo coeficiente de dilatación. El físico francés Gay Lussac, a principios del siglo pasado, al realizar una serie de experimentos, comprobó que este resultado es verdadero para todos los gases. Si tomamos determinado volumen de gas a una cierta temperatura inicial y lo calentamos a presión constante hasta una temperatura final, al dilatación observada será la misma, cualquiera que sea al gas usado en el experimento, es decir al valor del coeficiente de dilatación volumétrica es el mismo para todos los gases. c) El diagrama V – T : En su experimento, Gay Lussac tomo determinada masa gaseosa y realizo mediciones del volumen y de la temperatura de esta, mientras era calentada y se expandía a presión constante. EL COEFICIENTE DE DILATACIÓN DE UN GAS – EXPERIENCIA N° 7 – FÍSICA II
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Con estas medidas construyo un gráfico rectilíneo concluyendo que el volumen de determinada masa gaseosa, cuando la presión es constante, varia linealmente con su temperatura ordinaria (°C). Naturalmente que el volumen disminuirá en forma gradual a medida que se fuese reduciendo la temperatura debajo de 0°C. Pensando en esto, Gay Lussac determino la temperatura a la cual se anularía el volumen del gas V=0 corresponde t = 273°C esta temperatura se denomina cero absoluto y se considera como el punto de origen de la escala Kelvin. Tomando en cuenta, si trazamos un gráfica del cambio del volumen V del gas, a presión constante, en función de su temperatura absoluta T, es obvio que se tiene una recta que pasa por el origen, esto nos hace ver que el volumen del gas es directamente proporcional a su temperatura Kelvin y por lo tanto , V / T = cte. III.
ANALISIS DE DATOS Y RESULTADOS :
1.) En la experimentación tomamos como nuestro Lo = 6,7cm a una temperatura inicial To = 21°C 2.) Ahora, encontraremos un “a” para cada uno de los casos : - Para 1 :
T = 30°C y L = 6,3cm ∆L = 0,20cm ∆T = T – To = 30 – 21 = 9°C L – Lo 0,20cm a1 = ---------- = -------------- = 3,3167 x 10-3 °C-1 Lo(T-To) 6,7cm9°C
- Para 2 :
T = 40°C L = 7.15 ∆L = 0,450cm ∆T = 20°C 0,450cm a2 = ----------------------- = 3,358 x 10-3 °C-1 6,7cm 20°C
-Para 3 :
T = 50°C L = 7,4 ∆L = 0,70cm ∆T = 29°C 0,70cm a3 = --------------------- = 3,6026 x 10-3 °C-1 EL COEFICIENTE DE DILATACIÓN DE UN GAS – EXPERIENCIA N° 7 – FÍSICA II
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6,7cm 29°C - Para 4 : T = 60°C L = 7,6 ∆L = 0,9cm ∆T = 39°C 0,90cm a4 = -------------------- = 3,4443 x 10-3 °C-1 6,7cm 39°C - Para 5 : T = 70°C L = 7,9 ∆L = 1,2cm ∆T = 49°C 1,2cm a5 = ------------------- = 3.6551 x 10-3 °C-1 6,7cm 49°C - Para 6 : T = 80°C L = 8,10 ∆L = 1,4cm ∆T = 59°C 1,4cm a6 = --------------------- = 3,5416 x 10-3 °C-1 6,7cm 59°C - Para 7 :
T = 90°C L = 8,35 ∆L = 1,65cm ∆T = 69°C 1,65cm a7 = ---------------------- = 3,5691 x 10-3°C-1 6,7cm 60°C
-
Calculando el aaire del experimento : aaire
( 3,358 + 3,6026 + 3,4443 + 3,6551 + 3,5416 + 3,5691 + 3,3167) 10-3 = -----------------------------------------------------------------------------------7
aaire = 3,498 x 10-3 °C-1 -
Calculando el error experimental : EL COEFICIENTE DE DILATACIÓN DE UN GAS – EXPERIENCIA N° 7 – FÍSICA II
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Vteorico - Vpractico Eexp = ---------------------------- x 100%
Además: aaire = 3,663 x 10-3°C-1
V teorico 3,663x10-3 - 3,498x10-3 Eexp = -------------------------------------- x 100% 3,663x10-3 Eexp = 4,5 %
Existe un error experimental de 4,5% TABLA Nro 1
Nro. 1 2 3 4 5 6 7
IV.
°C 30 40 50 60 70 80 90
L (cm) 6,9 7,15 7,4 7,60 7,90 8,10 8,35
L – Lo (cm) 0,20 0,450 0.700 0,900 1,200 1,400 1,650
T – To (°C) 9 19 29 39 49 59 69
a (°C-1) 3,3167x10-3 3,358x10-3 3,6026x10-3 3,443x10-3 3,6551x10-3 3,5416x10-3 3,5691x10-3
CUESTIONARIO :
1.) Graficar L en función de T en papel milimetrado : Como la gráfica obtenida en el papel milimetrado es una curva recta, entonces podemos obtener una formula experimental a partir de la ecuación de la recta : y = mx + b Donde: m = pendiente o cte. de proporcionalidad b = parámetro medido del origen al punto de intersección de la recta con el eje x El método a utilizarse para hallar los valores de m y b va a ser el método de los mínimos cuadrados. EL COEFICIENTE DE DILATACIÓN DE UN GAS – EXPERIENCIA N° 7 – FÍSICA II
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T 30 40 50 60 70 80 90 420
Luego :
L 6,9 7,15 7,4 7,6 7,9 8,1 8,35 53,4
LT 207 286 370 456 553 648 751,5 3271,5
T2 900 1600 2500 3600 4900 6400 8100 28000
pΣLi Ti - Σ Ti ΣLi m = ------------------------------------p Σ (Ti)2 - (Σ Ti)2
Reemplazando : 7(3272) – 420(53,4) m = ----------------------------------7(28000) – (420)2 22904 - 22428 476 m = -------------------------- = ------------ = 0.0243 196000 – 176400 19600 Tambien :
ΣT2ΣL - ΣT ΣTL b = -------------------------pΣT2 - (ΣT)2 (28000)(53,4) – (420)(3271,5) b = ------------------------------------------ = 6,182 (28000) – (420)2
Si : y = mx + b y = 0,0243x + 6,182 Pero como hemos trabajado en función de L y T : L = 0,0243T + 6,182 2.) ¿ Que representa la pendiente de la gráfica? De la ecuación lineal : L = Lo + Lo a∆T le método de mínimos cuadrados : L = 0,0243T + 6,182
y comparando con la ecuación obtenido por
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Luego si :
L = Lo a ∆T + Lo
entonces podemos decir que: m = Loa ≅ m = ba Así vemos que la pendiente de la gráfica representa el producto de la longitud inicial con la constante del coeficiente de dilatación térmica del aire. 3.) Calcular el coeficiente de dilatación del aire y determinar el error cometido. De la ecuación : L : 0,0243T + 6,182 Además si: m = Loa a = m/Lo 0,0243 a = ------------- = 3,931 x 10-3 °C-1 6,182 Luego, si : Vteorico - Vexperimental Eexp = -------------------------------------- x 100% Vteorico Además : aaire = 3,663 x 10-3°C-1 Entonces : 3,663x10-3 – 3,931x10-3 Eexp = ------------------------------------- x 100% 3,663x10-3 0,268x10-3 Eexp = ----------------- x100% = 7,3% 3,663x10-3 El error cometido en la experiencia fue del 7,3% Pero si obtenemos el aaire con la tabla Nro. 1 : aaire = 3,498 x 10-3 °C-1 3,663x10-3 - 3,498x10-3 Eexp = ---------------------------------------- x 100% 3,663 x 10-3 Eexp = 4,5 % es decir para el aaire existe un error experimental de 4,5%. Para nosotros este valor nos parece el mas confiable por aproximarse al valor real que es de 3,663 x 10-3 °C-1.
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4.) ¿Qué conclusiones puedes llegar al comparar el valor del coeficiente de dilatación con el valor de la pendiente de la gráfica? Al comparar el valor del coeficiente de dilatación obtenido por el método de mínimos cuadrados en relación a la pendiente, vemos que : L = mT + b .......(1) L = Lo a∆T + Lo ...(2) m = Lo a Pero : Lo = b m = b a Es decir que la pendiente solo varia en función de la longitud inicial (Lo), mientras que el valor del coeficiente de dilatación permanece constante. 5.) ¿ A que se debe los errores cometidos en este experimento? Podemos tratar de explicar debido a que las condiciones físicas no fueron totalmente ideales , primero: no se ha considerado la temperatura inicial del medio ambiente, sino la del agua como una referencia de aquella, además se ha tomado una presión atmosférica constante, sin considerar que la variación de la temperatura ambiente hace variar a la presión atmosférica, aunque en mínima medida, aunque para efectos de cálculos matemáticos, podrían en alguna forma variar la comparación con su respectivo valor físico, ya que estos errores mínimos se suman al error en los instrumentos de medición (caso del termómetro), la pureza de los líquidos (ron de quemar, aceite, etc.), originando discrepancias entre los valores teórico y experimental. V.
CONCLUSIONES :
•
El aumento de volumen de un gas es directamente proporcional al aumento de la temperatura, cuando la presión es constante.
•
Cuando un cuerpo se dilata, su masa no se altera, pero su densidad disminuye.
•
Casi todos los cuerpos se dilatan por calor , excepto por algunos que se contraen y otros que su volumen aumenta entre ciertas temperaturas y disminuye en otras.
•
El coeficiente de dilatación de los gases es constante para todos ellos y su valor es 0.003663.
•
El cambio de longitud ∆L es proporcional a ∆T y a la longitud inicial L en caso de dilatación lineal .
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•
VI.
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El valor del coeficiente de dilatación de los gases es igual a la inversa del punto de fusión del agua expresada en grados Kelvin.
BIBLIOGRAFIA :
•
FISICA PARA CIENCIAS E INGENIERIA; John P. Kelvey. 1ra, edición.
•
FISICA II ; Humberto Leyva Naveros.
•
FISICA; Alonso Finn.
•
FÍSICA TOMO I – Paul Tipler
•
FÍSICA TOMO I - Serway
•
FISCA TOMO I – Resnick & Halliday
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