Velocidad del Sonido en Gases

P1.7.3.4
Mecánica
Acústica
Longitud de onda y velocidad del sonido
Determinación de la
velocidad del sonido en
gases
Descripción del CASSY Lab 2
CASSY Lab 2 (2011-06-07)
Para descargar ejemplos y ajustes
utilice por favor la ayuda del
CASSY Lab 2.
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CASSY Lab 2
Velocidad del sonido en gases
Tener cuidado al manipular la botella de gas comprimido Minican
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·
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·
El recipiente se encuentra bajo presión; para la toma de gas sólo utilice la válvula fina de regulación (660 980).
Proteja el recipiente de la irradiación solar o calentamiento por encima de los 50 °C.
No forzar el recipiente para abrirlo.
Evacue el recipiente sólo cuando esté completamente vacío.
Nunca trate de volver a llenar el recipiente.
Descripción del ensayo
En este ensayo se determina la velocidad de propagación de un pulso de sonido en el dióxido de carbono y en los
gases nobles helio y neón. Como las ondas sonoras en gases sólo muestran una reducida dispersión, es decir,
como en la propagación del sonido en gases las velocidades de grupo y fase concuerdan en buena aproximación,
en el ensayo se puede determinar la velocidad del sonido c simplemente a partir de la velocidad de propagación de
un pulso de sonido:
2
c = p κ/ρ con κ = Cp/CV
κ: Exponente adiabático
ρ: Densidad
p: Presión
Cp, CV: Capacidad calorífica específica
El pulso de sonido es generado con el flanco escarpado de un pulso de tensión que excita la membrana de un
altavoz. Este movimiento de la membrana produce una fluctuación de presión en el gas que puede ser registrada
con un micrófono.
Para determinar la velocidad del sonido c en un medio gaseoso se mide el tiempo transcurrido t entre la generación
del pulso en el altavoz y el registro en el micrófono. Como no se puede medir directamente el lugar de inicio del
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CASSY Lab 2
pulso de sonido en el altavoz, primero se tiene que determinar la velocidad del sonido c aire en el aire para poder
obtener a su vez la distancia efectiva de medición. Esto requiere medir los tiempos transcurridos: primeramente el
micrófono deberá ser colocado en el lugar sA1 y luego en el lugar sA2. A partir de la diferencia de las distancias
Δs = sA1-sA2 y de la diferencia de tiempos transcurridos respectivos Δt = t1-t2 resulta la velocidad del sonido en el
aire caire = Δs/Δt. De aquí se determinar la distancia efectiva s eff = caire · t1 para el lugar sA1, lo cual permite la
medición directa de la velocidad del sonido en un gas.
Equipo requerido
1
1
1
1
1
1
1
1
2
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1
1
1
1
1
1
1
1
Sensor-CASSY
CASSY Lab 2
Unidad Timer
Aparato para la velocidad del sonido
Soporte para bobinas y tubos
Altavoz para altas audiofrecuencias
Micrófono universal
Escala metálica, 0,5 m
Bases cilíndricas
Botella de gas comprimido Minican, CO2
Botella de gas comprimido Minican, He
Botella de gas comprimido Minican, Ne
Válvula reguladoras de gas (Minican)
Manguera de silicona, 7 x 1,5 mm, 1 m
Manguera de plástico, d = 4 mm
Conexión para manguera
Par de cables, 25 cm, rojo y azul
Par de cables, 100 cm, rojo y azul
PC con Windows XP/Vista/7
524 010 ó 524 013
524 220
524 034
413 60
516 249
587 07
586 26
460 97
300 11
660 999
660 984
660 985
660 980
667 194
604 481
604 510
501 44
501 46
Montaje del ensayo (véase el esquema)
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·
Coloque el tubo de plástico (sin radiador) sobre el soporte de tubos y bobinas y gírelo hasta que las dos boquillas
de mangueras se encuentren verticalmente una encima de la otra.
Acerque el altavoz al tubo de plástico de tal forma que el tubo quede cerrado lo más herméticamente posible.
Introduzca el micrófono universal en el taladro del centro a 1 cm y oriéntelo de tal forma que al desplazarlo se
mueva en paralelo al tubo de plástico. Ponga el conmutador de funciones del micrófono universal en el modo de
operación "Trigger" y no olvide de encenderlo.
Ponga la escala metálica directamente debajo del zócalo.
Conecte la unidad Timer a la entrada A del Sensor-CASSY y realice la conexión tal como se muestra en el
esquema del ensayo; ajuste la fuente de tensión S a la tensión de salida máxima.
Indicaciones para el experimento
Para evitar una pérdida no deseada de gas, gire la rueda de mano de la válvula de regulación fina hacia la derecha
hasta el tope, antes que la válvula de regulación sea atornillada a la botella de gas comprimido.
Los gases pueden escapar por cualquier lugar no hermético del aparato de medición y falsear los resultados; por ello
se recomienda que desplace lo más cerca posible el altavoz al tubo de plástico.
Para llenar dióxido de carbono inserte la manguera de silicona a la boquilla inferior del tubo de plástico. Con esto se
consigue un intercambio casi completo de gases, ya que al llenar el tubo con dióxido de carbono, el aire, más liviano,
es expulsado por la boquilla superior. Similarmente se debe proceder con los gases nobles helio y neón pero de
manera inversa: suministrar helio o neón por la boquilla superior, de tal forma que el aire, más pesado, sea
expulsado por la boquilla inferior.
Para las mediciones con helio y neón hay que tener en cuenta la liviandad y volatilidad de estos gases, a que como
el aparato de medición no es absolutamente hermético, una parte del gas escapa. Una componente de aire
relativamente alta puede falsear las mediciones, por ello es recomendable realizar las mediciones con rapidez.
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CASSY Lab 2
Realización del ensayo
Cargar ajustes
En primer lugar hay que determinar la distancia efectiva seff:
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Introduzca el micrófono universal aproximadamente 1 cm dentro del tubo de plástico, lea la posición s A1 y
escríbala en la primera línea de la tabla. Ingrese el tiempo transcurrido Δt A1 en la tabla con . Para mejorar la
precisión de la medida repita varias veces la medición del tiempo transcurrido.
Desplace totalmente el micrófono universal en el tubo de plástico, lea la posición s A2 y escríbala en la línea
siguiente de la tabla. Ingrese el tiempo transcurrido Δt A1 en la tabla con . Para mejorar la precisión de la
medida repita varias veces la medición del tiempo transcurrido.
Para determinar los tiempos transcurridos medios t 1 y t2 determine el valor medio del intervalo y la velocidad del
sonido en el aire caire = Δs/Δt = (sA1-sA2)/(t1-t2).
Determine la distancia efectiva seff = caire · t1; para ello escriba los tiempos transcurridos t1 y t2 previamente
determinados en la fórmula sA1-sA2)/(t1-t2)*t1 en Ajustes seff (botón derecho del ratón sobre seff).
A continuación se puede medir directamente la velocidad del sonido en dióxido de carbono, helio y neón:
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Desplace nuevamente el micrófono hacia la posición sA1.
Deje ingresar el gas por la boquilla abriendo muy cuidadosamente la válvula de regulación, hasta que se escucha
claramente la salida del gas de la botella.
Lea la velocidad del sonido e ingrésela en la representación ya preparada Entrada de la tabla o con la función
drag & drop arrastre el valor hacia la tabla. Aquí también debe ingresar la densidad ρ del gas utilizado:
Gas
Densidad ρ
Exponente adiabático κ = Cp/CV
Dióxido de carbono 1,98 kg/m3
1,29
3
Nitrógeno (aire)
1,40
1,25 kg/m
3
Neón
1,64
0,90 kg/m
3
Helio
1,63
0,18 kg/m
Evaluación
2
En la representación preparada Evaluación se grafica la relación entre c y 1/ρ. Aquí se puede trazar por ejemplo la
recta que corresponde al exponente adiabático medio κ=1,4 para una presión atmosférica normal p=1013 hPa
después de ingresar la fórmula 101300*1,4*x en el ajuste libre.
La desviación de los valores medidos respecto a esta recta es normal, especialmente en el caso del helio que es
extremadamente volatilidad, pues su densidad real es mayor.
La gran diferencia de velocidad del sonido entre los gases se debe principalmente a las diferentes densidades ρ de
los mismos, ya que las diferencias entre sus exponentes adiabáticos C p/CV es comparativamente bastante menor.
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