informe sobre práctica virtual de laboratorio: gases ideales

Centro Universitario de: Período:

COMAYAGUA TERCERO

Asignatura: Código Sección:

FÍSICA II FS200 1401

Catedrático:

ING. JUAN CARLOS FIALLOS

NOMBRE DEL ESTUDIANTE NÚMERO DE CUENTA

ÁNGEL MOISÉS GARCÍA ZEPEDA 2011 1900 175

Fecha de realización de la práctica:

MARTES, 6 DE NOVIEMBRE DE 2012

Fecha de entrega del informe sobre la práctica:

VIERNES, 16 DE NOVIEMBRE DE 2012

UNAH CURC — FÍSICA II INFORME SOBRE PRÁCTICA VIRTUAL DE LABORATORIO: GASES IDEALES

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE HONDURAS PÁGINA 1 DE 17 CENTRO UNIVERSITARIO REGIONAL DEL CENTRO

INTRODUCCIÓN

En la presente práctica se llevó a cabo, en primer lugar, un estudio sobre las influencias de la presión, temperatura y cantidad de moléculas en un gas ideal y cómo éstas afectan o inciden en el volumen ocupado por dicho gas, auxiliándose de una animación que posibilita cambiar todas los parámetros antes mencionados, exceptuando al volumen. Posteriormente

se le explicará más detalladamente la correcta funcionalidad

de los applets aquí empleados. En la segunda animación se aplican o analizan los conceptos del Ciclo de Carnot. Este applet permite modificar los valores referentes a cada uno de los cuatro procesos; en este caso, nombrados convenientemente a, b, c y d; respecto a temperaturas, volúmenes y presión. Más adelante se indicarán las unidades de medición utilizadas en cada applet en cuestión y todo lo imprescindible a esto.

OBJETIVOS

Continuación del empleo de simulaciones de computadora, en este caso, applets para desarrollar una

mayor comprensión de su importancia y beneficios en el estudio de fenómenos físicos.

Llegar a conocer mejor las influencias individuales y conjuntas de la cantidad de moléculas, la presión y

la temperatura en el volumen de un gas ideal.

Dar una demostración visual y gráfica de un ciclo de Carnot y cómo varían los volúmenes, presiones y

temperaturas a lo largo de los procesos y cambios dados entre cada uno.



MARCO TEÓRICO

GAS Estado de agregación de la materia que bajo ciertas condiciones de temperatura y presión permanece como tal.

Las moléculas que lo componen casi no son atraídas unas por otras, por lo que se mueven en el vacío a gran

velocidad y muy separadas unas de otras, explicando así las características o propiedades:

Fácilmente compresibles, debido a los espacios vacíos entre unas y otras moléculas

Adoptan la forma del recipiente que los contiene.

Ocupan por completo el volumen de su recipiente contenedor.

Las fuerzas gravitatorias y de atracción entre las moléculas son despreciables.

GAS IDEAL Un gas ideal es un gas teórico conformado por un conjunto de partículas puntuales con desplazamiento

aleatorio sin interacción entre sí, es decir, sin atracción ni repulsión entre ellas y cuyos choques son

perfectamente elásticos.

En condiciones normales tales como condiciones normales de temperatura y presión, la mayoría de los gases

reales se comportan en forma cualitativa como un gas ideal, pero los que más se aproximan al comportamiento

del gas ideal son los gases monoatómicos en condiciones de baja presión y alta temperatura.

LEY DE LOS GASES IDEALES Esta ley describe el comportamiento de los gases ideales, con las características antes citadas.

La teoría atómica de la materia define los estados, o fases, de acuerdo al orden que implican. Las moléculas

tienen una cierta libertad de movimientos en el espacio. Estos grados de libertad microscópicos están asociados

con el concepto de orden macroscópico. Las moléculas de un sólido están colocadas en una red, y su libertad

está restringida a pequeñas vibraciones en torno a los puntos de esa red. En cambio, un gas no tiene un orden

espacial macroscópico. Sus moléculas se mueven aleatoriamente, y solo están limitadas por las paredes del

recipiente que lo contiene.

Para los gases ideales hay una ecuación que describe con claridad y normalmente la relación entre presión, volumen,

temperatura y cantidad de materia (en moles):

Donde:

P: Presión absoluta V: Volumen T: Temperatura absoluta

R: Constante universal de los gases n: Número de moles de gas



TIPOS DE PROCESOS TERMODINÁMICOS Los procesos termodinámicos pueden ser de varios tipos según lo que se mantenga constante:

Proceso adiabático: Aquel en el que no entra ni sale calor del sistema.

Proceso isocórico: El que se efectúa a volumen constante.

Proceso isobárico: El realizado con presión constante.

Proceso isotérmico: El llevado a cabo a temperatura constante.

CICLO DE CARNOT

Es un ciclo reversible que se

compone de cuatro tramos

o procesos: Dos isotérmicos

y dos adiabáticos, lo cual

significa o implica un

transformación entre dos

temperaturas.

El rendimiento teórico,

como ocurre en todas las

transformaciones entre dos

temperaturas, está dado

por la ecuación:



DESCRIPCIÓN DE EQUIPO Y MATERIALES A seguir se describe brevemente los materiales requeridos para llevar a cabo esta práctica:

Guía o instructivo para la práctica

Cualquier computador preparado para con

acceder a Internet y con Java instalado y actualizado

Cualquier calculadora científica.

Cuadernos de Física con el tema

Hojas de papel en blanco tamaño oficio

Además de un lápiz grafito y un borrador.

PROCEDIMIENTO Y DATOS EXPERIMENTALES

A continuación se mostrarán los procedimientos y datos recopilados por cada applet, claro que tras dar una

explicación sobre los funcionamientos de cada uno donde corresponda.

(Obtendrá más información sobre esto en las próximas páginas…)



APPLET 1: INFLUENCIA DE PRESIÓN, VOLUMEN, CANTIDAD DE MOLÉCULAS

Y TEMPERATURA EN UN GAS IDEAL

ACCESO Y USO DEL APPLET.

1. Ante que todo ingrese a la dirección web: http://perso.wanadoo.es/cpalacio/GasesIdeales2.htm, allí

hallará la primera animación donde podrá observar un gas, constituido de una pequeña cantidad de

moléculas, con el objetivo de apreciar los desplazamientos de ellas, dentro de un cilindro con un pistón

móvil (Izq.), un termómetro, conectado a éste, un recipiente pequeño (Der.) que posibilita el variar la

cantidad del gas (amarillo) hacia el interior del cilindro.

2. Las barras de desplazamiento situadas debajo permiten variar temperatura (T), presión (P) y el número de

moléculas del gas (N).

3. El pistón del cilindro ascenderá o descenderá según las condiciones que usted fije en las barras de

desplazamiento descritas en el paso anterior.

http://perso.wanadoo.es/cpalacio/GasesIdeales2.htm



PROCEDIMIENTO Y DATOS EXPERIMENTALES

1. Empiece con los valores T=50, P=15 y N=30 y fíjese en el movimiento del pistón.

2. Conforme cambian las otras variables y observando atentamente los valores generados por el applet para

el volumen, haga un análisis de los procesos que se le dan:

a. Proceso isobárico con P=15, modifique la temperatura de acuerdo a la tabla y deje por escrito los

volúmenes donde corresponde.

TEMPERATURA VOLUMEN

25 39.5

50 82

75 123

100 162

125 203

150 245

b. Proceso isotérmico con T=50, varíe la presión según lo indicado y registre los volúmenes.

PRESIÓN VOLUMEN

10 122

20 61

30 39

40 30

49 27

c. Cambie la cantidad de gas, primero establezca dicha cantidad en N=15 y luego en N=45, mantenga

constantes P y T conforme se le indique, y nuevamente deje registro del volumen para cada caso.

TEMPERATURA PRESIÓN N VOLUMEN

60 30 15 23

45 75



APPLET 2: CICLO DE CARNOT

ACCESO Y USO DEL APPLET.

1. Diríjase al sitio web con enlace: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/carnot/carnot.htm

2. Tómese su tiempo para efectuar el análisis puesto que se cuenta con una significativa cantidad de

información sobre variables, más concretamente:

a. Las variables utilizadas son P (presión), V (volumen) y T (temperatura) para los procesos nombrados

A, B, C y D, siendo algunas manejables y otras ya dadas por los procesos, sus unidades se indican en

paréntesis, cuide de considerarlas más adelante, lo necesitará.

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/carnot/carnot.htm



Estos son los estados anteriormente menciones e indicados por las mayúsculas:

b. Al lado izquierdo de la pantalla del applet se brinda información

referente a las variables necesarias para la formulación de la

Primera Ley de la Termodinámica. Lo colores para W y Q

representan los signos positivos (azul) o negativos (rojo) que

manifiestan estas variables dependiendo del proceso del que

hagan referencia, además se dan sus valores instantáneos.

Aprécielo en la captura de pantalla más a la derecha.

c. El diagrama para el ciclo incluye un punto móvil rojo que se

desplaza y señala el estado por el cual transita. Este corresponde

(como se ve en el diagrama P-V) al movimiento del pistón a la

izquierda y a la derecha en el cilindro.

d. El gas también es perceptible a través de los puntos de color

azul alojados en el interior. Finalmente, es posible seleccionar el

tipo de moléculas del gas de trabajo.



PROCESAMIENTO DE DATOS Y CÁLCULOS

Asimismo como en “Procedimientos y Datos Experimentales” esta parte se mostrará separada según la

animación correspondiente.

APPLET 1: INFLUENCIA DE PRESIÓN, VOLUMEN, CANTIDAD DE MOLÉCULAS Y

TEMPERATURA EN UN GAS IDEAL

GRÁFICA “V VS T” PARA EL PROCESO ISOBÁRICO

Explicación del porqué de la forma de la curva obtenida.

Ya que es un proceso isobárico, es decir, a presión constante, la recta generada se debe a que la temperatura es

directamente proporcional al volumen (T∝V). Este proceso posee seis isotermas, por regla general se dice

que conforme éstas se alejan del origen la temperatura ha de aumentar.



Significado del valor de la pendiente

Calcule la pendiente y explique qué significado físico tiene ese valor que calculó

P 1.632, al ver con detenimiento la tabla observaremos que conforme la temperatura se incrementa el

volumen también, más o menos al doble, lo cual tiene por significado que la temperatura es Aprox. doblemente

proporcional al volumen (T=∝2V).

GRÁFICA “P VS V” PARA EL PROCESO ISOTÉRMICO

Explicación del porqué de la curva obtenida

La anterior curva es una isoterma debo a que la temperatura se mantiene constante durante el proceso. Posee

esa forma ya que es una función racional y a la vez exponencial, tiene tanto asíntota horizontal como vertical.



GRÁFICA “P VS V-1”

Explicación del porqué de la curva obtenida

La pendiente es Aprox. 0.00076320618, al fijarnos en la gráfica y discernir los valores conseguidos notaremos

un aumento en el volumen cuando la presión disminuye. Lo cual quiere decir que el volumen es inversamente

proporcional a la presión y viceversa.

CÁLCULOS DE VOLUMEN PARA CADA UNO DE LOS PROCESOS (A, B Y C) Y COMPARACIÓN

CON LOS DATOS OBTENIDOS EXPERIMENTALMENTE.

a. Proceso isobárico con P=15

TEMPERATURA VOLUMEN (APPLET) VOLUMEN (TEÓRICO)

25 39.5 41

50 82 82

75 123 123

100 162 164

125 203 205

150 245 246



b. Proceso isotérmico con T=50

PRESIÓN VOLUMEN (APPLET) VOLUMEN (TEÓRICO)

10 122 121

20 61 62

30 39 40

40 30 31

49 27 25

c. Cambie la cantidad de gas, primero establezca dicha cantidad en N=15 y luego en N=45

TEMPERATURA PRESIÓN N VOLUMEN (APPLET) VOLUMEN (TEÓRICO)

60 30 15 23 24

45 75 74

Explicación del porqué de lo ocurrido con los valores del volumen

Las diferencias se quizás se deben a errores de aproximación ya sean originados por la calculadora o de la

animación y al hecho de que los volúmenes anotados más bien son promedio de una cantidad desigual de

distintos volúmenes, que tenían ligeras variaciones conforme se daban los procesos. Lo anterior se puede

resumir en el volumen no es estable, sufre ligeros cambios.



APPLET 2: CICLO DE CARNOT

ANÁLISIS DEL CICLO UTILIZANDO LOS VALORES INICIALES QUE YA PRESENTA EL APPLET

En el proceso AB la temperatura se mantiene constante, puesto que es isotérmico, la disminución de ésta inicia

de B a C, lo cual indica que la temperatura mayor es la del foco caliente en lugar de ser la del foco frío, lo cual sí

debería ocurrir. Al ser una compresión a igual temperatura o isotérmica, es imposible variar manualmente el

volumen de C y D, lo que lleva a que el volumen se reduzca desde C hasta D. Únicamente nos está permitido

cambiar el valor de la presión A, lo que significa que podemos nada más variar los puntos de partida y final del

ciclo, el resto de variables y sus valores son generados por el applet sin necesitar nuestra intervención directa.

CONSTRUCCIÓN DE DOS CICLOS CON UNA EFICIENCIA DEL 18%

Primer ciclo

( ) ( )( )

Segundo ciclo

( ) ( )( )



Datos del applet

Con los datos anteriores:

ESTADOS TEMPERATURA (K) VOLUMEN (L) PRESIÓN (ATM)

A 450 3 101.137

B 450 9 33.712333

C 369 12.120533 20.526903

D 369 4.0401777 61.580710

RESPUESTAS Y CÁLCULOS PARA ALGUNAS DE LAS INTERROGANTES DEL CUESTIONARIO

Razones por las cuales los valores de P, V y T, únicamente en los estados que pide el applet y no en

todos, son más que necesarios y número de moles hacia el interior del cilindro

La principal razón es porque se puede hacer uso de las fórmulas para cada uno de los procesos. Y

de

( ) ( )

( ⁄ )( )

Demostración mediante la primera ley de la termodinámica de porqué se absorbe calor en el

proceso A→B y porqué se desprende en C→D

Proceso A→B

( ) ( ) (

⁄ ) ( )

Calor absorbido



Proceso C→D

( ) ( ) (

⁄ ) ( ) (

)

Calor cedido o perdido .

Elección de un gas monoatómico o diatómico y su influencia

El hecho de si el gas está compuesto de moléculas de un solo átomo o dos no ejerce influencia en los valores

obtenidos puesto que el applet sea asegura de cambiar los valores de la compresión a igual temperatura de

modo que los resultados y datos ingresados sean iguales.

¿Tal como se realiza el ciclo es de una máquina térmica o de un refrigerador? Respecto al trabajo

neto, ¿en qué difiere uno del otro?

El ciclo tal como se realiza pertenece a una máquina térmica no a un refrigerador. El trabajo W con una

diferencia de temperatura ΔT = 400 K tiende, o se acerca mucho, o se aproxima a ser la octava parte del trabajo

neto.



DISCUSIÓN GENERAL

A varias de las instrucciones descritas en el material del laboratorio les faltaron claridad y más detalles,

en algunas no se sabía exactamente lo buscado o pedido.

En la animación de gases ideales, la diferencia entre datos teóricos y datos prácticos o del simulador fue

bastante pequeña, pero para que eso sea así es requerido ver las variaciones del volumen durante un

tiempo y buscar el valor más pequeño y el más grande, luego sacarle el promedio de ambos y ese dato

se anota en las tablas correspondientes.

No hubo problemas respecto a las condiciones de la práctica, es decir, al ser ésta virtual, se eliminan

muchos otros factores que podían haber creado más variaciones. El hecho de realizarse por simulación

facilita el controlar mejor las condiciones del experimento y los resultados.

Pudo haber sido útil una explicación general previa a la realización de los experimentos, quizás con ella

el tiempo se habría aprovechado mucho mejor y las dudas habrían sido menos.

CONCLUSIONES

A pesar de que en un proceso termodinámico para un gas ideal, alguna de sus variables, sea ésta

presión, temperatura o cantidad de moléculas, sea constante, el volumen no se mantiene exactamente

constante, en todo tiempo varía ligeramente producto del movimiento aleatorio de las moléculas y sus

efectos.

Las animaciones por ordenador facilitan la realización de experimentos y el estudio de diversos

fenómenos, puesto que son más económicos y fáciles de montar, y además, los errores en cierta forma

son más predecibles.

Es interesante cómo en los gases ideales los cambios en las variables y relaciones de proporcionalidad

entre algunas de ellas pueden representarse bastante bien con funciones matemáticas.

Un determinado valor para la eficiencia no está confinado a un único ciclo de Carnot, es decir, existe la

posibilidad de hallar distintos ciclos con la misma o muy cercana eficiencia.



BIBLIOGRAFÍA

SITIOS WEB



http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_los_gases_ideales

http://es.wikipedia.org/wiki/Gas_ideal

http://es.wikipedia.org/wiki/Gas

LIBROS

FÍSICA UNIVERSITARIA, 12ª EDICIÓN de Francis W. Sears, Roger A. Freedman,

Hugh D. Young y Mark W. Zemansky

OTRAS FUENTES

MICROSOFT STUDENT ENCARTA 2009, enciclopedia de consulta



http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_los_gases_ideales

http://es.wikipedia.org/wiki/Gas_ideal

http://es.wikipedia.org/wiki/Gas

informe sobre práctica virtual de laboratorio: gases ideales

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