ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORALINSTITUTO DE CIENCIAS FÍSICAS

LABORATORIO DE FISICA B

Profesor:

Ing. Bolívar Flores

Título de la práctica:

Experimento de Clement y Desormes

Nombre:

Nelson Chiriboga Cedeño

Fecha de entrega del informe:

Viernes, 28 de enero del 2011

Paralelo:

5

Año:

2010-2011

RESUMEN

En la práctica correspondiente al experimento de Clement y Desormes, nos enfocaremos en encontrar el valor de γ, por medio de la práctica con el equipo de laboratorio. La práctica consiste en suministrar aire en un envase que será sellado herméticamente, y observar las variaciones de la altura del aceite. El ingeniero nos indico que tomáramos como mínimo 6 mediciones. Después de obtener estas mediciones procedimos a realizar los cálculos con la fórmula correspondiente. En forma conjunta desarrollamos el error de la formula y analizamos las preguntas de la guía.

OBJETIVOS

Medir la relación de los calores específicos del aire a presión constante y volumen constante (γ ) de acuerdo al método de Clement y Desormes.

INTRODUCCIÓN

Proceso adiabático

Gráfico de un proceso adiabático en función de p y V.

En termodinámica se designa como proceso adiabático a aquél en el cual el sistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Un proceso adiabático que es además reversible se conoce como proceso isentrópico. El extremo opuesto, en el que tiene lugar la máxima transferencia de calor, causando que la temperatura permanezca constante, se denomina como proceso isotérmico.El término adiabático hace referencia a elementos que impiden la transferencia de calor con el entorno. Una pared aislada se aproxima bastante a un límite adiabático. Otro ejemplo es la temperatura adiabática de llama, que es la temperatura que podría alcanzar una llama si no hubiera pérdida de calor hacia el entorno. En climatización los procesos de humectación (aporte de vapor de agua) son adiabáticos, puesto que no hay transferencia de calor, a pesar que se consiga variar la temperatura del aire y su humedad relativa.El calentamiento y enfriamiento adiabático son procesos que comúnmente ocurren debido al cambio en la presión de un gas. Esto puede ser cuantificado usando la ley de los gases ideales.

Enfriamiento adiabático del aire

Existen, tres relaciones en el enfriamiento adiabático del aire:

1. La relación ambiente de la atmósfera, que es la proporción a la que el aire se enfría a

medida que se gana altitud.

2. La tasa seca adiabática, es de unos -1° por cada 100 metros de subida.

3. La tasa húmeda adiabática, es de un -0,6 ° - 0,3º por cada 100 metros de subida.

La primera relación se usa para describir la temperatura del aire circundante a través del cual está pasando el aire ascendente. La segunda y tercera proporción son las referencias para una masa de aire que está ascendiendo en la atmósfera. La tasa seca adiabática se aplica a aire que está por debajo del punto de rocío, por ejemplo si no está saturado de vapor deagua, mientras que la tasa húmeda adiabática se aplica a aire que ha alcanzado su punto de rocío. El enfriamiento adiabático es una causa común de la formación de nubes.El enfriamiento adiabático no tiene por qué involucrar a un fluido. Una técnica usada para alcanzar muy bajas temperaturas (milésimas o millonésimas de grado sobre el cero absoluto) es la desmagnetización adiabática, donde el cambio en un campo magnético en un material magnético es usado para conseguir un enfriamiento adiabático.

Formulación matemática

Durante un proceso adiabático, la energía interna del fluido que realiza el trabajo debe necesariamente decrecer.

La ecuación matemática que describe un proceso adiabático en un gas es

donde P es la presión del gas, V su volumen y

siendo CP el calor específico molar a presión constante y CV el calor específico molar a volumen constante. Para un gas monoatómico ideal, γ = 5 / 3. Para un gas diatómico (como el nitrógeno o el oxígeno, los principales componentes del aire)γ = 1,4

Derivación de la fórmula

La definición de un proceso adiabático es que la transferencia de calor del sistema es cero, Q = 0.Por lo que de acuerdo con el primer principio de la termodinámica,

donde U es la energía interna del sistema y W es el trabajo realizado por el sistema. Cualquier trabajo (W) realizado debe ser realizado a expensas de la energía U, mientras que no haya sido suministrado calor Q desde el exterior. El trabajo W realizado por el sistema se define como

Sin embargo, P no permanece constante durante el proceso adiabático sino que por el contrario cambia junto con V.Deseamos conocer cómo los valores de ΔP y ΔV se relacionan entre sí durante el proceso adiabático. Para ello asumiremos que el sistema es una gas monoatómico, por lo que

donde R es la constante universal de los gases.

Dado ΔP y ΔV entonces W = PΔV y

Ahora sustituyendo las ecuaciones (2) y (3) en la ecuación (1) obtenemos

simplificando

dividiendo ambos lados de la igualdad entre PV

Aplicando las normas del cálculo diferencial obtenemos que

que se puede expresar como

Para ciertas constantes P0 y V0 del estado inicial. Entonces

elevando al exponente ambos lados de la igualdad

eliminando el signo menos

por lo tanto

y

Representación gráfica de las curvas adiabáticas

Las propiedades de las curvas adiabáticas en un diagrama P-V son las siguientes:1. Cada adiabática se aproxima asintóticamente a ambos ejes del diagrama P-V (al igual que las

isotermas).2. Cada adiabática interseca cada isoterma exactamente una sola vez.3. Una curva adiabática se parece a una isoterma, excepto que durante una expansión, una

adiabática pierde más presión que una isoterma, por lo que inclinación es mayor (es más vertical).

4. Si las isotermas son cóncavas hacia la dirección "noreste" (45°), entonces las adiabáticas son cóncavas hacia la dirección "este noreste" (31°).

5. Si adiabáticas e isotermas se dibujan separadamente con cambios regulares en la entropía y temperatura, entonces a medida que nos alejamos de los ejes (en dirección noreste), parece que la densidad de las isotermas permanece constante, pero la densidad de las adiabáticas disminuye. La excepción se encuentra muy cerca del cero absoluto, donde la densidad de las adiabáticas cae fuertemente y se hacen muy raras.

PROCEDIMIENTO

1. Bombee al frasco una pequeña cantidad de aire y cierre la conexión a la bomba con la abrazadera de compresión, la deferencia del nivel del liquido en los brazos del manómetro debe del orden de 15 cm.

2. Espere a que el aire en el frasco llegue a la temperatura ambiente y por precaución nos aseguramos que no se esté escapando el aire; entonces procedimos a registrar h1 en la tabla de experimento.

3. Abra el frasco momentáneamente a la atmosfera, deslizando la placa de metal por medio segundo.

4. Volvimos a colocar la varilla y tapones de caucho de modo que hicimos que la placa haga presión contra el vidrio.

5. Después de un momento registre h2 en la tabla.

PRECAUCIÓN:Si empieza a caer la presión del aire, significa que hay fuga y hay que repetir el experimento.

RESULTADOS

1. Observaciones y datos.a. Complete la tabla de datos.

H1 H2 γ90 23 1,34

116 20 1,2079 15 1,23

113 24 1,27115 19 1,20113 20 1,22

PROMEDIO 1,24

b. Calcule los valores de γ.

γ=h1

h1−h2

γ= 9090−23

=1.34 γ= 116116−20

=1.20

γ= 7979−15

=1.23 γ= 113113−24

=1.20

γ= 115115−19

=1.20 γ= 113113−20

=1.22

2. Análisis.a. Encuentre los valores de Δγ.

∆ γ=| δγδ h1|δ h1+| δγδ h2|δ h2∆ γ=|h1−h2−h1(h1−h2)

2 |δ h1+|−h1 (−1 )

(h1−h2 )2 |δ h2

∆ γ=| −h2(h1−h2)

2|δ h1+| h1

(h1−h2 )2|δ h2∆ γ1=5.12 x10

−3+0.02=0.025

∆ γ2=2.17 x10−3+0.012=0.017

∆ γ3=3.66 x10−3+0.019=0.023

∆ γ 4=3.02 x10−3+0.014=0.017

∆ γ5=2.06 x10−3+0.012=0.014

∆ γ6=2.31x 10−3+0.013=0.015

∆ γ=∑ ∆γ

n

∆ γ=0.025+0.017+0.023+0.017+0.014+0.0156

∆ γ=0.1116

∆ γ=0.0185

γ=(1.24 ±0.019 )

b. Si un globo lleno de helio al principio a temperatura ambiente se pone en una congeladora, ¿su volumen aumenta, disminuye o queda igual? Explique.El volumen va disminuyendo debido a que es inversamente proporcional a la temperatura, y esto hace que disminuya la energía de las moléculas de helio provocando un encogimiento.

c. ¿Qué le pasa a un globo Heno de helio que se suelta en el aire? ¿Se expandirá o se contraerá? ¿Dejará de ascender a cierta altura? Explique.El volumen de aire aumenta a medida que disminuye la presión, y también se encoge debido a la disminución de la temperatura. Ahora, entre la disminución de presión y la de temperatura, mas significativo es la incidencia de la temperatura. Además la densidad del helio aumentará hasta que el globo deje de ascender y flotará en el aire.

FOTOS PRÁCTICA

CONCLUSIONES:

Al final del experimento pudimos obtener un índice adiabático de 1.24 promedio, con un error de 0.019. De acuerdo con el Ingeniero, el índice podía estar entre los rangos de 1.20 a 1.60, con los respectivos márgenes de error. Sin embargo el valor teórico era de 1.40. Nuestro resultado pudo deberse a errores en la medición de las alturas o en el momento de abrir por medio segundo la tapa, aquí pudo haber ingresado calor, causando que ya no sea un proceso adiabático. Pero en líneas generales estuvimos correctos, y además se aterrizo lo visto en clase y se respondieron interrogantes del folleto.

BIBLIOGRAFIA:

Guía de Laboratorio de Física B.

http://es.wikipedia.org/wiki/Proceso_adiab%C3%A1tico