UNIVERSIDAD DON BOSCO

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
Calor Especifico de un Gas a
Presión Constante
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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 (N 2) 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:
Las unidades del Cp son entonces:
(Ec.2)
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
1
2
1
1
1
1
1
Material/Equipo
Tubo de Vidrio
Beaker de 400 mL
Barra sostén con base
Calibrador Vernier
Cinta Metrica
Termómetro
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.
Calor Especifico de un Gas a
Presión Constante
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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 5: 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
DATOS
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
Nota:
Una vez terminada la toma de datos, limpiar y ordenar su mesa de trabajo antes de retirarse.
Calor Especifico de un Gas a
Presión Constante
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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: [cm3 • Atm]
2.) Mediante la expresión
condiciones iniciales
así como se esperaban?
y tomando
y
)
obtenga el número de moles de aire tanto para las
como para las finales
y
. ¿Cómo son los valores de nf y ni? ¿Es
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.
5.) 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 5 conclusiones para su reporte, en base a los resultados obtenidos, causas de error y objetivos de la
práctica.
Calor Especifico de un Gas a
Presión Constante
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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 Presión Constante”
DOCENTE:______________________________________________Fecha:_____/______/______ G.L.:__________
Miembros del grupo:
No
Apellidos
1
2
3
4
5
No
Nombres
Aspectos a Evaluar
%Asig.
1
Presentación (Limpieza, orden, coherencia, estructura)
10
2
Valor y conversión de la presión atmosférica de mBar a
Atm. Evidencia de cálculos.
5
3
Resultado y cálculo del trabajo W del aire en unidades de
Joule y de cm -Atm. Evidencia de la conversión de unidades.
15
4
Obtención del número de moles inicial, final y promedio.
10
5
Cálculo de la energía interna (U) inicial y final. Obtención del
cambio de energía interna (ΔU). Unidades.
15
6
Obtención del Cp del aire en unidades de
Evidencia de conversión de unidades.
15
7
Obtuvo el porcentaje de error del valor de Cp experimental
respecto al Cp investigado. Incluyó bibliografía.
10
8
Explicó el tipo de proceso termodinámico que se desarrolló
en el experimento para la obtención del calor específico.
5
9
Explicó si el número de moles en el estado inicial y final
fueron iguales.
5
10
Elaboró las 5 conclusiones
3
y
Carnet
%Obten.
Firma
G.T.
Observaciones
10
TOTAL DE PUNTOS
100
Calor Especifico de un Gas a
Presión Constante
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