LEY DE GASES IDEALES, Monografías, Ensayos de Física

¡Descarga LEY DE GASES IDEALES y más Monografías, Ensayos en PDF de Física solo en Docsity! UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS NATURALES Y EXACTAS LABORATORIO DE FISICA CALOR Y ONDAS NOMBRE DE LA EXPERIENCIA LEY DE GASES IDEALES Fecha de realización: 24/09/2023 Programa: Ingeniería Civil Barranquilla – Colombia RESUMEN En este informe se analiza la ley de gases ideales, donde se definen los GASES como aquellos que tienen tres propiedades volumen, presión y temperatura entonces los gases ideales se define como aquellos donde todas las colisiones entre átomos y moléculas son perfectamente elásticas, en el que no hay fuerzas atractivas intermoleculares. Se pueden visualizar como una colección de esferas perfectamente rígidas que chocan unas con otras, pero sin interacción entre ellas. En los GASES IDEAES toda la energía interna esta en forma de energía cinética y cualquier cambio en la energía interna va acompañada de un cambio en la temperatura. Partiendo de las tres variables de estado del gas volumen, presión y temperatura se puede deducir de la teoría cinética y constituye la LEY DE GASES IDEALES. Utilizando el laboratorio virtual, se analizaron las variables involucradas en esta ley de gases ideales y la relación entre ellas en diversas situaciones, interpretando gráficos relacionados con la termodinámica y esta ley. Palabras claves: Gases, Volumen, Presión, Temperatura, Termodinámica, y Energía Cinética. ABSTRACT I This report analyzes the ideal gas law, where GASES are defined as those that have three properties: volume, pressure and temperature, then ideal gases are defined as those where all collisions between atoms and molecules are perfectly elastic, in which there are no intermolecular attractive forces. They can be visualized as a collection of perfectly rigid spheres that collide with each other, but without interaction between them. In IDEAES GASES all internal energy is in the form of kinetic energy and any change in internal energy is accompanied by a change in temperature. Starting from the three state variables of the gas, volume, pressure and temperature, it can be deduced from the kinetic theory and constitutes the LAW OF IDEAL GASES. Using the virtual laboratory, the variables involved in this ideal gas law and the relationship between them in various situations were analyzed, interpreting graphs related to thermodynamics and this law. Key words: Temperature, specific heat, energy transfer and thermal energy. Keywords: Gases, Volume, Pressure, Temperature, Thermodynamics, and Kinetic Energy. UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS NATURALES Y EXACTAS LABORATORIO DE FISICA CALOR Y ONDAS 1. INTRODUCCIÓN El concepto de calor especifico de un sólido, ha sido estudiado por varios científicos a lo largo de la historia, esto ha involucrado una combinación de experimentos y teorías. Joseph Black es considerado pionero en este campo, ya que en el siglo XVIII realizó experimentos con sustancias como agua y metales para determinar su capacidad calorífica. Posteriormente, Pierre Louis Dulong y Alexis Thérèse Petit desarrollaron la ley de Dulong-Petit, que establece una relación aproximada entre el calor específico de un sólido y su peso atómico. Sin embargo, esta ley es válida solo a altas temperaturas. A medida que avanzaba la ciencia, se realizaron más investigaciones y se desarrollaron métodos más precisos para medir el calor específico de los sólidos, como la calorimetría diferencial de barrido y la espectroscopía. Estos avances han permitido comprender mejor las propiedades térmicas de los materiales sólidos y su aplicación en diversas áreas científicas e industriales. 2. MARCO TEÓRICO. 3. DISEÑO EXPERIEMENTAL 3.1 Para el problema número 1. Realizamos los siguientes pasos.  ingresamos al link del laboratorio virtual. https://phet.colorado.edu/sims/html/gas-properties/latest/gas- properties_es.html  observamos el valor de la presión al iniciar el experimento.  se escoge el tipo de partículas con las que vamos a trabajar y bombeamos 200 de estas dentro del recipiente.  Observamos el valor de la presión y procedemos a responder las preguntas en base a las observaciones hechas. 3.2 Para el problema número 2. Realizamos los siguientes pasos.  En el campo "parámetros constantes", se elige el volumen constante y Anotamos el valor inicial promedio de la presión y el valor de la temperatura. UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS NATURALES Y EXACTAS LABORATORIO DE FISICA CALOR Y ONDAS  Se toman diferentes valores de volumen y presión a temperatura constante los cuales se registran en la tabla N° 3  Después de haber tomado todos los datos se realiza una gráfica donde podemos observar el comportamiento de la presión en función del volumen a presión temperatura. 3.5 Con lo observado en los puntos anteriores, se realizan los problemas 5, 6 y 7. 4. CALCULOS. Problema 1:  B. En esta parte del laboratorio, utilizaremos una simulación de un gas ideal. ¿Cuál es el valor de la presión antes de que haya alguna partícula en la caja? El valor de la presión es 0. UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS NATURALES Y EXACTAS LABORATORIO DE FISICA CALOR Y ONDAS  C. Elija las partículas que desea en este experimento (pesadas o ligeras). R/ Escogemos partículas pesadas  D. Bombee el mango e inserte 200 partículas en la caja. ¿Qué pasó con la presión cuando bombea el mango? R/ al insertar 200 partículas pesadas la presión aumento a 39 atm.  e. Basándose en su respuesta a las partes "b" y "d", ¿cuál es la causa física de la presión? R/ La causa física de la presión es la fuerza ejercida por las partículas sobre las paredes del recipiente, debido a que la presión es el resultado de la fuerza que ejercen las partículas de un gas sobre las paredes del recipiente en el que se encuentran. Cuando no hay partículas presentes, la presión es cero. Sin embargo, al insertar 200 partículas pesadas, estas chocan constantemente contra las paredes del recipiente, generando una fuerza que se distribuye sobre un área determinada. Esta fuerza dividida por el área es lo que conocemos como presión. En este caso, al aumentar el número de partículas, la fuerza de los choques aumenta y, por lo tanto, también aumenta la presión. En resumen, la presión es causada por la colisión de las partículas contra las paredes del recipiente. UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS NATURALES Y EXACTAS LABORATORIO DE FISICA CALOR Y ONDAS  f. Mantenga los ojos en una partícula específica en la simulación. ¿La velocidad de la partícula es constante con el tiempo? R/ En un gas ideal, las partículas se mueven de manera aleatoria y su velocidad promedio es constante, pero la velocidad individual de cada partícula puede cambiar con el tiempo, porque la velocidad de las partículas en un gas puede cambiar debido a colisiones con otras partículas, la pared del recipiente o cambios en la temperatura y presión del sistema. Estos factores afectan la energía cinética y la dirección de movimiento de las partículas.  g. Mire varias partículas. ¿Tienen la misma velocidad al mismo instante de tiempo? R/ En un gas, las partículas individuales no tienen la misma velocidad en un instante de tiempo dado. Cada partícula tiene una velocidad diferente debido a su movimiento aleatorio y las colisiones con otras partículas.  h. Basándonos en sus respuestas a las partes "f" y "g", ¿podemos describir el gas usando la velocidad de cada partícula, o necesitamos describirlo con una velocidad promedio? Para describir el gas de manera general, es más común utilizar una descripción estadística basada en la velocidad promedio de las partículas en lugar de considerar la velocidad de cada partícula individualmente. Problema 2: a. En el campo "parámetros constantes", elija el volumen constante (proceso isocórico). Anote el valor inicial promedio de la presión y el valor de la temperatura. (Pause la simulación y registre los valores que aparecen en los instrumentos). R/ Valor de la presión 38.9 atm y el valor de la temperatura es de 300 K b. Encienda el control de calor y aumente la temperatura del gas. Tome diferentes valores de presión y temperatura a volumen constante, use como ancho 15 nm, regístrelos en la tabla 1. UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS NATURALES Y EXACTAS LABORATORIO DE FISICA CALOR Y ONDAS c. ¿Qué pasó en la simulación cuando enfrió el gas? R/ Al disminuir la temperatura el volumen se redujo hasta el punto donde la presión no pudo mantenerse constante. d. Tome diferentes valores de volumen y temperatura a presión constante, regístrelos en la tabla 2 de manera descendente. Empiece colocando el valor máximo del ancho de la caja (15 nm). Recuerde que el volumen lo calcula como: V = (36 nm2)h, donde h es el ancho de la caja. h(nm) V(nm3) T(K) P (kPa) 15 540 450 2368 13.3 478.8 400 11.7 421.2 350 10 360 300 8.3 298.8 250 6.7 241.2 200 5 180 150 UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS NATURALES Y EXACTAS LABORATORIO DE FISICA CALOR Y ONDAS 540 478,8 421,2 360 298,8 241,2 180 y = 1,1983x + 0,5143 0 100 200 300 400 500 600 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 vo lu m en ( n m 3 ) TEMPERATURA (K) GRAFICO TEMPERATURA vs VOLUMEN A TEMPERATURA CONSTANTE e. Esquematice el gráfico V-T para este proceso en la tabla 2. Etiquete los puntos de la gráfica y muestre la dirección del proceso. Represente la ecuación del gráfico (Excel). La ecuación del grafico es y = 1,1983x + 0,5143 UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS NATURALES Y EXACTAS LABORATORIO DE FISICA CALOR Y ONDAS Problema 4: a. En el campo "parámetros constantes", elija la temperatura constante (proceso isotérmico). Registre los nuevos valores iniciales de presión. (T= 235K) R/ La presión es de 1207 kPa. b. Disminuya el volumen del gas. Espere un par de minutos para alcanzar la misma temperatura. ¿Qué sucede con la presión cuando disminuye el volumen? R/ cuando se disminuyó el volumen la presión aumentó de 1207 kPa a 3689 kPa. UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS NATURALES Y EXACTAS LABORATORIO DE FISICA CALOR Y ONDAS Si remplazamos en la fórmula de la ley de gas ideal (PV = nRT) tenemos que. Si la temperatura es cero absoluto (T = 0 K), entonces el producto de nR y T sería cero. Como cualquier número multiplicado por cero es igual a cero, PV también sería igual a cero. Esto implica que la presión sería cero en ese caso. b. ¿Es posible tener una presión negativa? Explicar. R/ No, en términos físicos, no es posible tener una presión negativa. La presión se define como la fuerza ejercida por unidad de área y siempre se considera como un valor positivo. Una presión negativa implicaría una fuerza que actúa en la dirección opuesta a la fuerza normal, lo cual no es consistente con las propiedades físicas de los gases. Problema 6: Cuando usamos la ley de gas ideal en un cálculo, ¿importa si la temperatura está en Celsius o en Kelvin? Explique por qué. R/ Sí, es importante usar la temperatura en Kelvin al aplicar la ley de gas ideal. La temperatura en Kelvin es una escala absoluta que comienza desde el cero absoluto, mientras que la escala Celsius tiene un punto de referencia arbitrario en el cero. La ley de gas ideal requiere una temperatura absoluta para obtener resultados precisos y consistentes en los cálculos. Problema 7: Un cilindro de gas está a 10 °C. Un pistón comprime el gas a la mitad de su volumen original y cuatro veces su presión original. ¿Cuál es la temperatura final del gas? Ley general de gases 𝑝1𝑣1 𝑇1 = 𝑝2𝑣2 𝑇2 si despejamos T2 en la ecuación tenemos que 𝑇2 = 𝑝2 𝑣2 𝑇1 𝑝1 𝑣1 el ejercicio nos dice que. p2= 4 p1 v2= 1 2 v1 T1= 10°C T2=? Remplazamos. 𝑇2 = 4 𝑝1 𝑥 1 2 𝑣1 𝑥 𝑇1 1 𝑝1 𝑥 1𝑣1 = 2𝑇1 1 𝑇2 = 2 𝑇1 UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS NATURALES Y EXACTAS LABORATORIO DE FISICA CALOR Y ONDAS La temperatura final del gas va a ser 2 veces la inicial, si se resuelve el ejercicio tenemos que. 𝑇2 = 4 𝑝1 𝑥 1 2 𝑣1 𝑥 10 °𝐶 1 𝑝1 𝑥 1𝑣1 = 20 °𝐶 1 𝑻𝟐 = 𝟐𝟎 °𝑪 La temperatura final es 20°C 5. BIBLIOGRAFIAS [1] https://phet.colorado.edu/sims/html/gas-properties/latest/gas-properties_es.html [2] https://www.illbruck.com/es_ES/servicio/blog/dilatacion-termica-materiales/ [3] https://enfisica.com/temperatura/dilatacion-lineal-superficial-y-volumetrica/ [4] https://daliaguzman1996.wordpress.com/temas/expansion-termica/