GASES IDEALES

L A B O R A T O R I O D E F I S I C A 2

Resumen Introductorio

Objetivos de la experiencia: Observar el comportamiento de los gases ideales. Ver la trayectoria de las molculas. Observar la influencia de la temperatura, volumen y presin en un gas ideal.

Precauciones Experimentales:

Seguir las instrucciones de la prctica.

Breve Resumen del trabajo realizado:

La prctica consiste en simular diferentes volmenes, temperaturas, gravedad y presin en un gas por medio de un applet. Primero utilizaremos el applet para simular tres volmenes, temperaturas y gravedades diferentes. En la segunda prctica observamos el comportamiento de un gas en relacin a la temperatura, volumen y presin. En la tercera parte encontramos el volumen en un sistema isobrico, isotrmico.

VOLUMENES:

Las imgenes mostradas corresponden a la primera prctica, en la cual se simula la compresin del volumen de un gas ideal, se presenta un histograma de velocidad de las partculas, el applet sirve para demostrar la teora cintica de los gases.

VOLUMEN 1

VOLUMEN 2

VOLUMEN 3

EQUAL:

EN ESTE APPLET LA PRESION VARIA CONSTANTEMENTE, NO ASI LA VELOCIDAD Y EL NUMERO DE MOLES, QUE SE MANTIENEN CONSTANTES. TODAS LAS PARTICULAS SE MUEVEN A LA MISMA VELOCIDAD. TODAS LAS PARTICULAS ESTAN EN CONSTANTE MOVIMIENTO.

EXTREME:

EN ESTE APPLET LA PRESION VARIA CONSTANTEMENTE, NO ASI LA VELOCIDAD Y EL NUMERO DE MOLES, QUE SE MANTIENEN CONSTANTES. LAS PARTICULAS SE MUEVEN A DIFERENTES VELOCIDADES Y ALGUNAS DE ELLAS PERMANECEN ESTACIONARIAS HASTA QUE SON GOLPEADAS POR OTRA PARTICULA.

TEMPERATURAS

TEMPERATURA MINIMA: EN ESTE SIMULADOR EL VOLUMEN Y EL NUMERO DE MOLES PERMANECEN CONSTANTES; LA PRESION, LA TEMPERATURA Y LA CONSTANTE K VARIAN. LAS PARTICULAS CHOCAN ENTRE SI HASTA QUE TODAS ALCANZAN LA MISMA TEMPERATURA; Y SE MUEVEN LENTAMENTE.

TEMPERATURA MEDIA:

EN ESTE SIMULADOR EL VOLUMEN Y EL NUMERO DE MOLES PERMANECEN CONSTANTES; LA PRESION, LA TEMPERATURA Y LA CONSTANTE K VARIAN. LAS PARTICULAS CHOCAN UNAS CON OTRAS,A UNA VELOCIDAD MUY ALTA Y NO TIENEN LA MISMA TEMPERATURA.

TEMPERATURA MAXIMA:

EN ESTE SIMULADOR EL VOLUMEN Y EL NUMERO DE MOLES PERMANECEN CONSTANTES; LA PRESION, LA TEMPERATURA Y LA CONSTANTE K VARIAN. LAS PARTICULAS CHOCAN UNAS CON OTRAS,A UNA VELOCIDAD MUY ALTA, QUE NO SE PUEDE SEGUIR Y NO TIENEN LA MISMA TEMPERATURA.

GRAVEDAD MINIMA:

GRAVEDAD MEDIA:

GRAVEDAD MAXIMA:

INTERPRETACION:

LAS PARTICULAS SE MUEVEN DE UNA FORMA SIMILAR EN LOS TRES CASOS. LA VELOCIDAD DE LAS PARTICULAS DECRECE CUANDO SE AUMENTA LA GRAVEDAD.

CUESTIONARIO

Haga un grfico en que presente una molcula individual dotada del vector velocidad correspondiente; incluya en ese grfico la gravedad para cada una de las tres opciones del procedimiento 4 y explique entonces el porqu de la disminucin de la velocidad promedio con el aumento de la gravedad. R/ GRAVEDAD MINIMA

GRAVEDAD MEDIA

GRAVEDAD MAXIMA

Al aumentar la gravedad las partculas son atradas hacia la superficie con mayor presin y esto hace que disminuya la velocidad.

En el procedimiento 1, por qu no hay variacin apreciable de la velocidad promedio de las molculas, aunque para volumen pequeo parecen viajar ms rpidamente? R/ Por que la presin es constante, viajan a la misma velocidad pero al ser el espacio ms reducido nos da la sensacin de que tienen mayor velocidad.

De las dos pantallas correspondientes al procedimiento 2, cul de los dos histogramas no deber variar apreciablemente? Por qu? (D sus razones en base al comportamiento microscpico del gas) Qu tiene que ver eso con el equilibrio trmico? Explique cul pantalla muestra el equilibrio trmico. R/ Reset to equal. Porque la velocidad de las partculas es la misma. El cambio de la energa en las partculas es proporcional a su velocidad.

Respecto al procedimiento 3, explique por qu todo el calor proveniente del foco calorfico se invierte ntegramente en aumentar la velocidad promedio de las molculas. R/ Porque al aumentar el calor de las partculas aumenta la energa cintica de estas.

EXTRA Por qu el histograma de velocidades siempre tiene la apariencia de una curva del tipo que ve en la figura? (Lea en su libro lo relativo a distribucin de velocidades moleculares): R/ En un gas ideal encerrado en un recipiente, el movimiento de las molculas es completamente al azar, es decir, todas las direcciones del espacio son igualmente probables. Pero no es posible que todas las velocidades v de las molculas sean igualmente probables ya que hay una relacin lineal entre el valor medio cuadrtico de la velocidad y la temperatura absoluta del gas ideal.(teora encontrada en internet)

Anlisis cuantitativo

PRIMERA PARTE Presin-volumen para temperaturas de 173, 253, 293 y 313 K (utilice modo Mltiple para que el applet presente todas las curvas en el mismo diagrama).

Presin-inverso del volumen para temperatura de 20C con 2 moles de helio.

Presin-inverso de la temperatura para un volumen de 25 litros, 8.3 moles de He y 1.7 moles de Ne.

Volumen-temperatura de modo que la recta tenga 45 grados de pendiente (anote los valores de las variables que produjeron una pendiente de ese valor).

SEGUNDA PARTE: Con Enable Tracking analice la trayectoria roja de la molcula seleccionada y grabe la pantalla alusiva.

Coloque valores no nulos para cantidades de Helio y Neon, vare la temperatura y analice el comportamiento del histograma de velocidades. TEMPERATURA MINIMA:

TEMPERATURA MAXIMA:

Cuando la temperatura es mnima la molcula se mueve de forma lenta y su trayectoria es corta; cuando la temperatura es mxima se mueve rpido y su trayectoria es larga.

Manteniendo temperatura constante y cantidades tambin constantes de helio y nen, analice el comportamiento del histograma de velocidades y el comportamiento que observa en el movimiento de las molculas tal como el applet las presenta.

El histograma de velocidades sube y bajo al mismo ritmo; las molculas helio se mueven todas a la misma velocidad, al igual que las de nen.

Coloque la temperatura en 45 K, tome para el helio n = 4 y para el nen n = 6 y ajuste el volumen en 36 litros. Cuente durante un minuto el nmero de choques de las molculas azules sobre el pistn y el de las verdes y anote esos valores. Para que los resultados sean ms precisos repita la misma operacin cuatro veces, manteniendo las variables en los valores antes sealados, y utilice nmero promedio de choques despus de las cuatro mediciones (se necesitan dos personas para esto).

HELIONEON

TOMA 1215180

TOMA 2231174

TOMA 3243165

TOMA 4269186

PROMEDIO239.5176.25

RESULTADOS General: Describa la actividad del gas, considerando el comportamiento de: Los fenmenos microscpicos de tomos y molculas: movimiento, colisiones. Las molculas se mueven de forma rpida cuando la temperatura es alta, y de forma lenta cuando es baja; estas chocan unas con otras constantemente. La influencia de esos fenmenos en las correspondientes variables microscpicas (velocidad, momentum, fuerza, energa) los efectos finales en las variables macroscpicas (presin, volumen, temperatura). Las molculas adquieren velocidad al chocar unas con otras o se desaceleran, por tanto la velocidad no es constante.No hay conservacin del momento debido a que la velocidad de las partculas vara.La energa cintica de las partculas vara constantemente.

CUESTIONARIO

PRIMERA PARTE:

Describa cmo podra hacer para medir la constante universal de los gases, R, manejando de manera adecuada este applet. R/ en el applet tenemos la presin, el volumen, el nmero de moles y la temperatura; despejara para R en la formula

Presente la pantalla de los grficos combinados del inciso a. Explique por qu las grficas conforme mayor es la temperatura aparecen por encima de las anteriores. R/ Esto se debe a que tanto la presin como el volumen son dependientes de la temperatura (Ley de Boyle)

Qu representa la pendiente en la grfica del inciso b.? En el caso de la grfica, qu valor tiene esa pendiente (incluya las unidades correspondientes)? R/ Representa la variacin de la presin con respecto al inverso del volumen.

Qu tipo de curva se obtiene en el inciso c.? Por qu necesariamente ha de ser ese tipo de curva? R/ Se obtiene una curva invertida.Porque se grafico la presin con respecto al inverso de la temperatura.

Qu volumen ocupa el nen en el inciso c.? Y, el helio? Cul es la presin que ejerce cada gas en ese inciso? HELIONEON

VOLUMEN2104.10430.96

PRESION0.820.82

Cul debe de ser la relacin entre la presin y el nmero de moles para obtener esa pendiente del inciso d.? Compruebe su respuesta con los datos que recogi en las barras de variables.R/ Si aumenta la presin debe de disminuir el nmero de moles y si aumenta el nmero de moles debe disminuir la presin.

SEGUNDA PARTE:

En relacin con la trayectoria en color rojo que obtuvo con Enable Tracking: grabe la pantalla. Y con ella impresa explique el porqu de la forma de la trayectoria, los cambios de velocidad de la molcula despus de los choques, tipo de choques efectuados por la molcula.

La trayectoria la partcula la obtiene de los choques con las dems partculas y las paredes. La velocidad varia de dos maneras, acelera o desacelera despus de los choques. Las partculas realizan choques elsticos.

Influye el volumen en la velocidad promedio de las molculas? Por qu? R/ Si. Porque si expandimos el volumen las partculas realizan menos choques y eso hace que sean mas lentas; pero si lo comprimimos las partculas chocan mas veces y adquiere mayor velocidad.

Por qu siempre observa el histograma de velocidades azules, desplazado a la izquierda respecto del histograma verde? R/ Porque las molculas del helio se mueven mas despacio.

Asuma que las molculas azules son de 1 mg y las verdes de 0.5 mg y calcule: La velocidad promedio de impacto de las molculas. La presin promedio que sufre el pistn. (Para resolver esta ltima pregunta, lea en su libro el tema relacionado con obtencin de la presin mediante estudio microscpico de un gas).

INFLUENCIA DE PRESION, VOLUMEN Y TEMPERATURA EN UN GAS IDEAL.

Comience asignando valores T = 250, P = 15 y N = 30 y observe el movimiento del pistn.

2) Fijndose especialmente en los valores que da el applet para el volumen, conforme cambian las otras variables, analice los procesos que se indican: a. Isobrico: Mantenga la presin constante (en P = 15) y vare la temperatura como se muestra en la tabla. Anote los correspondientes valores de volumen que da el applet.

TEMPERATURAVOLUMEN

250588

260613

270624

280644

290663

300687

b. b. Isotrmico: Mantenga ahora invariada la temperatura en T = 300 y N=5, cambie la presin (segn la tabla); registre los valores de volumen.

PRESIONVOLUMEN

1078

2035

3023

4018

4912

c. c. De variacin de la cantidad de gas: Cambie ahora N (a los valores N=5 y despus a N = 35) manteniendo P y T constantes.

TEMPERATURAPRESIONNVOLUMEN

30049537

35240

RESULTADOS Y CUESTIONARIO

Grafique P vs. V para el proceso isotrmico. a. Explique el porqu de la forma de la curva obtenida. b. Grafique P vs. V-1, calcule la pendiente y explique qu significado fsico tiene ese valor que calcul.

La curva es decreciente porque para que aumente la presin debe disminuir el volumen.

La grafica es creciente tanto el volumen como la presin aumentan, esto quiere decir que se trabaja con la parte superior del frasco.

Grafique V vs. T para el proceso isobrico. a. Explique el porqu de la forma de la curva obtenida. b. Calcule la pendiente y explique qu significado fsico tiene ese valor que calcul.

Tanto la temperatura como el volumen son crecientes, se debe a que al aumentar la temperatura en el frasco aumenta el volumen.

El valor positivo de la pendiente indica que el sistema va en aumento.

Para cada proceso a., b. c. de 2. - 2) calcule y escriba los valores de volumen obtenidos y mediante una tabla, comprelos con los que da el applet y de una razn vlida para justificar las diferencias. TEMPERATURAV. CALCULADOV. APPLET

25016.67588

26017.33613

27018.00624

28018.67644

29019.33663

30020.00687

PRESIONV. CALCULADOV. APPLET

103078

201535

301023

407.518

496.1224489812

TEMPERATURAPRESIONNV. CALCULADOV. APPLET

30049530.6137

35214.29240

En el applet los volmenes varan cada cierto tiempo y tomamos el que ms veces vemos que se repite, y en los calculados tomamos los datos que se nos da.

Mediante el click del mouse sobre cada botn, determine los que podramos llamar errores instrumentales para P, T y N. R/ P= 1ATM; T= 1K Y N=1mol