CÁTEDRA : TERMODINÁMICA DE LOS PROCESOS QUÍMICOS I

CATEDRÁTICO : Ing. WALTER S. FUENTES LÓPEZ

ALUMNOS :

SEMESTRE : V

HUANCAYO2012

I. RESUMEN:

DIABLILLO DE DESCARTES Y CAMBIO DE VOLUMEN POR EFECTO DE LA TEMPERATURA Y

LA PRESIÓN

En este laboratorio explicamos los principios que rigen al fenómeno de ludión o diablillo de descartes que al presionar la botella se puede observar como disminuye el volumen de aire contenido en el interior del bolígrafo. Al dejar de presionar, el aire recupera su volumen original. Esto es consecuencia del principio de Pascal. Un aumento de presión en un punto cualquiera de un fluido encerrado se transmite a todos los puntos del mismo.

Antes de presionar la botella, el bolígrafo flota debido a que su peso queda contrarrestado por la fuerza de empuje ejercida por el agua. La disminución del volumen del aire en el interior del bolígrafo, lleva consigo una reducción de la fuerza de empuje ejercida por el agua. Esto es una consecuencia del principio de Arquímedes: “Todo cuerpo parcial o totalmente sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical ascendente que es igual al peso del fluido desalojado”.

También estudiamos el efecto de la temperatura y la presión sobre una cantidad de volumen de aire.

II. OBJETIVOS

II.1.OBJETIVOS GENERALES:

Estudiar el Principio del Submarino. Estudiar el Efecto de la Temperatura y presión sobre el volumen.

II.2.OBJETIVOS ESPECIFICOS:

Analizar los principios que intervienen en el equilibrio hidrostático. Analizar el efecto producido por el incremento de la temperatura sobre un

sistema cerrado de aire.

III. FUNDAMENTO TEÓRICO:

III.1. MARCO TEÓRICO.

III.1.1. LEY DE BOYLE:

En un proceso isotérmico (temperatura constante) el volumen de un gas varía inversamente proporcional a la presión absoluta a la que está sometido, mientras que la densidad varía proporcionalmente a esta; es decir, que cuando aumentamos la presión a un determinado volumen de gas este se reducirá pero aumentará su densidad.

Esto es muy importante, porque explica los cambios de volumen debido la profundidad, es decir, por las variaciones de presión.

K=P x V

Donde :

K=constantede proporcionalidad P=presi ónabsoluta V=volumen

P1V 1=P2V 2

Donde : P1:Presion inicial

P2:Presion final

V 1 :Volumeninicial

V 2 :Volumen final

III.1.2. PRINCIPIO DE PASCAL

Afirma que la presión aplicada sobre un fluido contenido en un recipiente se transmite por igual en todas direcciones y a todas las partes del recipiente, siempre que se puedan despreciar las diferencias de presión debidas al peso del fluido y a la profundidad.

p=p0+ ρgh

Donde :

p : presión totala la profundidad . p0 : presión sobre la superficie libre del fluido . ρ :densidad del fluido . g :de la . h : Altura ,medida en Metros.

III.1.3. EL PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES

Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza hacia arriba igual al peso del volumen de fluido desplazado por dicho cuerpo. Esto explica por qué flota un barco muy cargado; el peso del agua desplazada por el barco equivale a la fuerza hacia arriba que mantiene el barco a flote.

El punto sobre el que puede considerarse que actúan todas las fuerzas que producen el efecto de flotación se llama centro de flotación, y corresponde al centro de gravedad del fluido desplazado. El centro de flotación de un cuerpo que flota está situado exactamente encima de su centro de gravedad. Cuanto mayor sea la distancia entre ambos, mayor es la estabilidad del cuerpo.

Permite determinar la densidad de un objeto cuya forma es tan irregular que su volumen no puede medirse directamente. Si el objeto se pesa primero en el aire y luego en el agua, la diferencia de peso será igual al peso del volumen de agua desplazado, y este volumen es igual al volumen del objeto, si éste está totalmente sumergido. Así puede determinarse fácilmente la densidad del objeto (masa dividida por volumen). Si se requiere una precisión muy elevada, también hay que tener en cuenta el peso del aire desplazado para obtener el volumen y la densidad correctos.

Empuje=peso=ρf . g .V

III.2. MARCO CONCEPTUAL

III.2.1. LUDIÓN O DIABLILLO DE DESCARTES:

El ludión o diablillo de Descartes es un juguete científico o montaje experimental en que alteramos la flotabilidad de un pequeño objeto sin actuar sobre él directamente, sino manipulando el recipiente que lo contiene. Para ello, aprovechamos la gran compresibilidad del aire frente a la pequeña compresibilidad del agua.

Más concretamente, un objeto hueco y abierto se sumerge en un recipiente que está cerrado por una membrana. El objeto contiene un volumen de aire en su interior que contribuye a su flotabilidad. Variando este volumen conseguiremos el efecto buscado. Al apretar la membrana del recipiente exterior, la presión que ejercemos se transmite por el líquido (incompresible en primera aproximación); esta presión comprime el aire contenido en el objeto hueco, con lo que varía

el volumen de líquido desalojado, y por tanto el empuje, con lo que el peso del objeto lo lleva al fondo del recipiente.

Se basa en:

El principio de Arquímedes y de Pascal. La ley de Boyle de los gases Ideales.

III.2.2. PRINCIPIOS DE FLOTABILIDAD

El hecho de que un submarino pueda flotar, tanto en superficie, como en inmersión, se debe a la existencia de dos fenómenos físicos, que se enuncian bajo los nombres de "principio de pascal" y "principio de Arquímedes".

PRINCIPIO DE PASCAL APLICADO A UN SUBMARINO

Sobre cada punto del casco de un submarino sumergido, ejerce el agua una presión perpendicular a la superficie del casco en dicho

punto y cuyo valor expresado en kg ./cm2, es igual a la decima parte

del que expresa en metros la profundidad del punto considerado, con respecto a la superficie de la mar.

Si se suman vectorialmente las presiones hidrostáticas en todas y cada uno de los puntos de la superficie del casco, se obtendrá una resultante, a la que llamaremos "f", aplicada en un punto interior del submarino llamado "centro de carena" (c) , dirigida hacia la superficie del mar y perpendicular a él.

Esto indica que en virtud del principio de pascal, el submarino tiende a subir hacia la superficie y en dirección perpendicular a ella.

PRINCIPIO DE ARQUIMEDES APLICADO A UN SUBMARINO

El principio de Arquímedes es realmente una consecuencia del de pascal; cuando se aplica a un submarino, puede enunciarse diciendo: “Todo submarino a flote experimenta un empuje hacia arriba, cuyo valor expresado en toneladas, es igual al peso (expresado también en toneladas) del volumen de agua desalojado por el submarino”. El principio de Arquímedes nos permite calcular el valor de esta fuerza (empuje), pesando el volumen de agua desalojado por el submarino.

IV. PROCESO METODOLÓGICO – EXPERIMENTACIÓN

IV.1. MÉTODO

Replica demostrativa

IV.2. PROCEDIMIENTOS:

Primer experimento:

Después de llenar la botella, echamos también agua en la tapa de lapicero, aproximadamente hasta la mitad.

Tapando el tubo con un dedo, le damos la vuelta, lo introducimos en la botella y la cerramos. Es muy importante echar en la tapa de lapicero la cantidad adecuada de agua, para que éste no se hunda y tampoco sobresalga demasiado de la botella antes de cerrarla.

Ahora apretaremos con las dos manos la botella. Anotaremos las ideas que tenemos sobre lo que creemos que va a ocurrir.

Segundo Experimento:

Teniendo la botella vacía (contenida solo de aire), cerramos fuertemente la tapa y observamos la rigidez de esta.

Luego de haber generado un equilibrio en el sistema cerrando la tapa, se procede a calentar la botella en baño maría entre unos 2 ó 3 minutos.

se vuelve a observar la rigidez de esta. En este instante se procede a abrir la tapa para dejar escapar el aire expandido en exceso, luego de haber cesado el escape.

se vuelve a tapar la botella y se deja enfriar observado la continua disminución del volumen de la botella (compresión).

IV.3. MATERIALES:

Botella vacía con su respectiva tapa. Tapa de lapicero. (trasparente) Hervidor eléctrico.

IV.4. REACTIVOS:

Agua Gas (aire)

V. CÁLCULOS:

Para el experimento se tiene una variación de volumen en el gas a causa del aumento de presión que es inversamente proporcional al

volumen (P∝V ), y de la densidad por lo tanto se genera:

ρaire inicial=mV 0

ρaire final=mV f

ρaire inicial :densidad inicial del aire

ρaire final :densidad finaldel aire

V f ,V 0 :Volumen final e inicial respectivamente

m :masa del aire

Siendo la densidad inversamente proporcional al volumen, y V f <V 0 entonces

diremos que la ρaire inicial< ρaire final a una temperatura constante; así la densidad

de la burbuja de aire llega a ser mucho mayor que la densidad del agua.

VI. DISCUSIÓN RESULTADOS

Para el primer experimento:

Al apretar con las manos en cualquier lugar de la botella, ésta se hincha por los demás lados. La presión que ejercemos con los dedos se transmite a todos los puntos del líquido.

Al empezar a apretar el nivel del agua dentro del tubo sube, el aire se comprime fácilmente, pero el volumen del agua de la botella no varía, lo que aumenta por un sitio disminuye por otro.

El tubo dentro del agua no se cae hasta el fondo cuando tiene suficiente aire dentro. El aire que metemos con el tubo desaloja el agua que había y esto produce una fuerza hacia arriba que hace flotar al tubo.

La fuerza que sujeta al tubo dentro del agua (que la llamaremos empuje) disminuye al comprimirse el aire dentro del tubo.

Para el segundo experimento:

El aumento de temperatura por efecto del calor, genera un cambio en el volumen de nuestro nuevo sistema, botella contenida de aire. Esto genera el aumento de volumen haciendo presión sobre las paredes de la botella, producto del aumento de la energía cinética de las moléculas. Manteniendo el sistema a temperatura constante, se deja escapar una determinada cantidad de aire caliente hasta llegar al equilibrio, luego cerramos el sistema dejando enfriar; observamos que la botella se comprime producto del escape del aire y la diferencia de presiones del interior con la presión atmosférica.

VII. CONCLUSIONES

Estudiamos el efecto del submarino explicado por los principios: Pascal, viendo que la presión que ejercemos con las manos se

transmite a todos los puntos del líquido. Principio de Arquímedes, viendo que el tubo, al meterlo con aire en el

agua, experimenta un empuje hacia arriba.

Analizamos la variación del volumen por efecto de la presión y temperatura. Analizamos el efecto producido por el incremento de la temperatura sobre la

energía cinética de las moléculas en un sistema cerrado de aire.

VIII. RECOMENDACIONES

Tener cuidado a la hora de usar el hervidor eléctrico, con agua potable ya que esta conduce la electricidad por tener sales y electrolitos.

Al hacer este experimento observar detenidamente, los diferentes eventos ocurridos, para poder especificar el porqué de ellos.

Para el primer experimento tener cuidado de no voltear la botella puesto que el aire contenido en la tapa de lapicero, saldría de ella perjudicando el experimento.

IX. BIBLIOGRAFÍA Gilbert W. Fisicoquímica. 2da Edición. 1974-1987. Castellán. Gases Reales. Pág. 37,111,113. México. http://it.wikipedia.org/wiki/Termodinamica http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/estatica/arquimedes/arquimedes.htm http://www.portalplanetasedna.com.ar/principio03.htm fisica.usach.cl/~lhrodrig/fisica1/hidrostb.pdf

X. ANEXOS