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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

LABORATORIO DE FÍSICA GENERAL II

AUTORES:

Ing. Luis Gutiérrez

Ing. José Jácome

Ing. Pablo Larrea

Ing. Bolívar Pilco

Ing. Patricio Vallejo

QUITO-ECUADOR

ABRIL 2016

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ABRIL 2016

REGLAMENTO PARA LOS ESTUDIANTES

1. Ingresar puntualmente al laboratorio. Pasado los 10 minutos del inicio de la hora de clase NO se le permitirá ingresar al estudiante y el informe deberá ser entregado en la oficina.

2. Las personas que no realizaron la práctica en el horario respectivo

deberán hacer solicitud al Jefe de Laboratorio, conjuntamente con la justificación del Departamento de Bienestar Estudiantil. En el caso de no presentar esta última justificación se sancionará al estudiante con el 40% de la calificación de la práctica.

3. La fecha máxima para la recuperación de la práctica atrasada será de 7

días (una semana) después de la fecha en la que se debía haber realizado.

4. La recepción de los informes serán 8 días después de haber realizado la

práctica en el mismo horario de laboratorio.

5. Evaluación de la Práctica.

· Coloquio: 3 puntos · Desenvolvimiento de la práctica: 2 puntos · Informe escrito: 5 puntos

6. Mantener un buen comportamiento durante el desarrollo de la práctica.

Estudiante que sea retirado de laboratorio por MAL COMPORTAMIENTO TENDRÁ CERO EN LA PRÁCTICA RESPECTIVA.

7. Anotar las medidas realizadas en la hoja de datos para entregar al

instructor.

8. Está prohibido el ingreso de alimentos y bebidas al laboratorio. 9. Cuidar los equipos del Laboratorio.

10. Mantener el celular APAGADO durante el desarrollo de la práctica. 11. TODO AQUEL INFORME COPIADO IDÉNTICO Y/O PARCIAL SERÁN

SANCIONADOS CON CERO.

12. La entrega de informe posterior a la fecha de entrega tendrá una sanción de 1 PUNTO MENOS por cada día de retraso.

13. Terminada la práctica dejar todo en orden, mesa, banco, equipo utilizado

y salir del laboratorio.

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PRÓLOGO

La presente edición del folleto de Prácticas de Laboratorio de Física Experimental es un Manual de Laboratorio actualizado y ampliado, redactado en base a las modernas técnicas de enseñanza. Las prácticas listadas en este folleto, responden a los contenidos del programa de Física General I y II, aprobado por el Concejo de Investigación y Desarrollo de la Escuela Politécnica Nacional y, por lo tanto, tienen una muy buena estrecha relación en su mayoría, con la enseñanza dada en el aula y con los conocimientos básicos que el estudiante debe dominar. Lo mismo que en las ediciones precedentes, en esta se concede la máxima importancia al método científico, al análisis y a la deducción lógica. Las prácticas de esta edición, también constituyen para el estudiante un intensivo adiestramiento en la selección y manejo adecuado de los instrumentos de medida, de prueba y de ensayo, de uso general. Los cambios que se han observado en la actual edición, son:

· La formulación de los objetivos de la Práctica en términos evaluables. Al finalizar cada experimento, el alumno y el Profesor pueden evaluar los resultados de la misma en función de los objetivos enunciados, ya sea teóricamente y/o cuantitativamente.

· Luego de la información teórica sobre los principios de cada Práctica, se han establecido un cierto número de preguntas para ayudar al alumno a determinar por si mismo y ante el Profesor, si ha asimilado y comprendido bien, los principios del experimento que va a realizar. Estas preguntas deben ser contestadas antes de realizar la práctica.

· El procedimiento de cada experimento, los trabajos y las respuestas a las preguntas de la parte final del mismo, son pasos que marcan el progreso de los estudiantes y les prepararán para adquirir una conveniente experiencia en las operaciones del proceso que constituyen la correspondiente práctica.

· El análisis de los resultados obtenidos en base a los datos tomados durante el experimento, el análisis del error y la comparación con los valores de las Tablas, obligan al estudiante a sacar sus propias conclusiones, e incrementan su interés e imaginación.

El continuo avance tecnológico y las posibilidades de conducción y control de experimentos por computadora, han determinado muchos cambios en la práctica de la experimentación; pero, a pesar de lo señalado anteriormente, a habido poca o ninguna modificación en los principios básicos que sustentan los procesos experimentales; por lo tanto, aún es imprescindible entrenarse formalmente en tales principios. En realidad, hoy en día quizá sea más necesario de lo que era hace dos o tres décadas atrás, hacer hincapié en estos principios, principalmente considerando la posibilidad actual de que el experimentador se quede totalmente aislado del fenómeno que investiga, por una barrera casi impenetrable de equipos de procesamiento de datos y de nuevos procesos de análisis. En estas circunstancias, fallas totalmente inadvertidas pueden generar resultados finales de poco o ningún significado. Finalmente, el uso del tiempo de Laboratorio será mucho más fructífero, cuando los experimentos se acepten como verdaderos problemas que deben ser resueltos por el estudiante.

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ÍNDICE

01 Simbología, uso del multímetro y otros aparatos de medida de tensión y

corriente ………………………………………………………..…………..………..…1

02 Dilatación lineal de Sólidos……………………………………………..………...11

03 Distribución de velocidades moleculares y función de distribución de Maxwell y

Boltzmann ……………………………………....…………………………...……..….20

04 Equivalente mecánico del calor….…………………………………………......…32

05 Capacidad calorífica de los gases .……………………...….……….………….....43

06 Calor latente de vaporización del agua...………………………………….……..54

07 Carga Eléctrica………………………...…………………...…………………...…63

08 Efecto Joule……...…………………………..………………………………...…...77

09 Ley de los Gases .……..…………………………………………………………....85

10 Ley de OHM……...………………………………………………………………...95

11 Dieléctrico …….…….…………………………………………………………….105

1

Física Experimental II

PRACTICA N° 01 TÍTULO: SIMBOLOGIA, USO DEL MULTIMETRO Y OTROS

APARATOS DE MEDIDA DE VOLTAJE Y CORRIENTE OBJETIVO: Estudiar el código de colores de las resistencias.

Aprender a utilizar el multímetro como óhmetro para medir el valor de las resistencias. Aprender a utilizar el multímetro como amperímetro para medir corriente continua. Aprender a utilizar el multímetro como voltímetro para medir voltaje continuo. Conocer los símbolos de los circuitos eléctricos. Identificar y conocer los diferentes componentes de los circuitos eléctricos como: Fuente de Corriente Alterna (AC) y Corriente Continua (DC), resistencias, amperímetros y voltímetros.

MÉTODO: Mediante el estudio del código de colores de las resistencias

y el uso adecuado del multímetro, se tomarán medidas voltaje, intensidad y resistencia, las cuales se compararán con los resultados obtenidos teóricamente. A través del uso de la simbología estándar se pretende familiarizar e incentivar al estudiante en el manejo de circuitos eléctricos, y las diferentes leyes que rigen a estos circuitos.

TEORÍA: Los componentes básicos de los circuitos eléctricos son:

FUENTES DE CORRIENTE CONTINUA Las fuentes son elementos activos; y de acuerdo a sus características o comportamiento frente a distintas cargas los podemos clasificar en dos tipos: los generadores de voltaje y los de corriente. Al voltaje se lo conoce con diferentes nombres como: tensión, diferencia de potencial. El voltaje es igual a la diferencia de potencial entre dos puntos. Y es continuo cuando no cambia de polaridad en el tiempo, es decir que el borne positivo de la fuente (el de mayor potencial) es siempre el mismo, al igual que el negativo o de menor potencial. El voltaje se mide siempre entre dos puntos del circuito y su unidad es el voltio [V].

2


Aunque la diferencia de potencial es un valor no vectorial (escalar) se atribuye un sentido en el que trata de hacer circular la corriente convencional. La corriente “trata” de salir por el borne positivo de la fuente, aunque a veces los parámetros del resto del circuito la hacen circular en sentido contrario. En un circuito eléctrico una fuente continua se representa con los siguientes símbolos.

FUENTES DE TENSIÓN ALTERNA Son generadores de voltaje (los más comunes) o de corriente. Se llama de voltaje alterno porque la polaridad de los bornes de la fuente cambian en el tiempo, este cambio es generalmente periódico y la onda de voltaje que se grafica en función del tiempo tiene generalmente una forma senoidal. En un circuito eléctrico una fuente alterna se representa con el siguiente símbolo:

CORRIENTE CONTINUA Se denomina corriente al movimiento de cargas (electrónes) a través de un circuito. Si este movimiento es en un solo sentido de circulación es corriente continua. A pesar de que la corriente es un valor escalar se la señala en los circuitos con una flecha, para indicar su sentido de circulación. CORRIENTE ALTERNA Si la corriente dentro del circuito se mueve en ambos sentidos de circulación es llamada corriente alterna. A pesar de que la corriente es un valor escalar y circula en ambos sentidos se la suele señalar con una flecha para indicar valores instantáneos de circulación. La unidad de la corriente es el Amperio [A]. En un circuito eléctrico la corriente se representa con el siguiente símbolo:

i i i

i

3


RESISTENCIA ELECTRICA La unidad de la resistencia eléctrica es el Ohm [Ω]. En un circuito eléctrico una resistencia se representa con los siguientes símbolos: Las resistencias de baja potencia, son resistencias de carbón recubiertas por una capa de pintura aislante, donde por medio de un código de colores normalizado se indica su valor óhmico (valor de resistencia en Ohms); este código ha sido adoptado por la mayoría de los fabricantes de estos elementos. El código de color está formado por cuatro franjas de colores. El orden, significado y valor de cada color se indica a continuación.

COLOR CIFRA

EQUIVALENTE MULTIPLICADOR TOLERANCIA

Negro 0 100

Marrón 1 101

Rojo 2 102

Naranja 3 103

Amarillo 4 104

Verde 5 105

Azul 6 106

Violeta 7 107

Gris 8 108

Blanco 9 109

Oro

0,1 ± 5% Plata 0,01 ± 10%

Sin color ± 20%

CAÍDA DE TENSIÓN Siempre que circula la corriente por una carga se produce una caída de tensión. La caída de tensión es una diferencia de potencial.

4


Esta caída de tensión tiene una polaridad que depende del sentido de la corriente circulante. La caída de tensión tiene un polo positivo en el punto por donde la corriente entra en la carga (por ejemplo: una resistencia). Si la corriente circulante es continua la caída de tensión será continua, si la corriente circulante es alterna la caída de tensión en la carga será alternada. El valor en voltios de la caída de tensión en una resistencia se calcula con la Ley de Ohm.

(1)

VOLTÍMETRO Aparato que mide voltajes eficaces tanto en continua como en alterna, y su colocación es de forma obligatoria en "paralelo" al componente sobre el cual se quiere medir la caída de tensión. ERRORES AL MEDIR CON VOLTÍMETROS Al medir con un voltímetro se comete un pequeño error porque dentro del voltímetro hay un resistencia interna (R int.), que tiene un valor muy grande (se suele aproximar a infinito). AMPERÍMETRO Aparato que mide el valor medio de la corriente, y su colocación es de forma obligatoria en serie con el componente del cual se quiere saber la corriente que le atraviesa.

V

A

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ERRORES AL MEDIR CON AMPERÍMETROS Como ocurre con el voltímetro, al medir con el amperímetro se comete un error debido a una resistencia interna (R int.) de valor muy pequeño, que se suele aproximar a cero. ÓHMETRO Aparato que mide el valor de las resistencias, y que de forma obligatoria hay que colocar en paralelo al componente separado del circuito, es decir sin que le atraviese ninguna corriente. APARATOS Y ESQUEMAS:

Nombre Marca Catálogo Capacidad Apreciación Voltímetro

Amperímetro

Óhmetro

Resistencias

Fuente de poder

PROCEDIMIENTO Y TABLA DE DATOS: DETERMINAR EL VALOR DE LA RESISTENCIA

1. Encender el multímetro en la opción correcta para la lectura de resistencias.

2. Colocar entre los bordes de la resistencia selecciona y determinar el valor de las diferentes resistencias.

3. Anotar los valores medidos en la tabla 1.

TABLA 1

Resistencia Valor medido Valor calculado Error n [Ω] [Ω] % 1 2 3 4

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DETERMINAR EL VALOR DEL POTENCIAL

1. Armar el circuito con las diferentes resistencias como se muestra en la figura 1.

2. Leer el voltaje con el voltímetro en cada una de las resistencias y en la fuente.

3. Medir el voltaje total del circuito. 4. Conectar el amperímetro en los diferentes puntos y medir la corriente que

circula por cada resistencia. 5. Medir la corriente total que circula por el circuito. 6. Anotar los valores medidos en la tabla 2.

TABLA 2

Resistencia Voltaje medido

Intensidad Medida

Resistencia calculada

Resistencia medida

Error

N [V] [A] [Ω] [Ω] % 1 2 3 4

Total

Figura 1 TRATAMIENTO DE DATOS: Realice todos los cálculos y adjunte un anexo si es necesario

1. Mediante el uso del código de colores de las resistencias determinar el valor de cada una de las resistencias que se utilizaron en la práctica y calcular el error. Anotar los resultados en la tabla 1. Ejemplo de cálculo.

R1 R2

R3 R4

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2. Mediante la ley de Ohm determinar el valor de cada una de las resistencias que se utilizaron en la práctica y calcular el error. Anotar en la tabla 2. Ejemplo de cálculo.

3. Determinar la resistencia equivalente total del circuito, mediante la suma de las resistencias en serie y paralelo, y comparar con la que se obtiene por la ley de Ohm. Ejemplo de cálculo.

4. Graficar voltaje en función de la corriente. Calcular la pendiente. Interpretar el gráfico.

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PREGUNTAS:

1. ¿Qué son las leyes de Kirchhoff y cómo se aplican estas leyes en los circuitos eléctricos?

2. En un reóstato, indique cual debe ser la conexión y la posición de su cursor para obtener: 1. Resistencia mínima, 2. Resistencia máxima Explique en un diagrama.

3. Presente de manera más detallada las características observadas de los aparatos de medida, los elementos pasivos fijos y variables (ejemplo: reóstato y resistencias de carbón) ocupados en la práctica.

9


4. Mediante las leyes de Kirchhoff determinar la corriente que circula por cada una de las resistencias en el circuito y calcular el error más probable con la corriente medida.

5. Explique qué pasa si se desea medir con el voltímetro la caída de tensión en una resistencia muy cercana a 0 [ ]. ¿Cuál será el valor medido por el voltímetro?

6. Explique la conexión del amperímetro y del voltímetro en un circuito eléctrico, y detalle qué pasaría si se los conecta incorrectamente.

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CONCLUSIONES (MÍNIMO 5): RECOMENDACIONES (MÍNIMO 5): BIBLIOGRAFÍA:

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PRACTICA N° 02 TÍTULO: DILATACIÓN LINEAL DE UN SÓLIDO

OBJETIVO: Determinar experimentalmente el coeficiente de dilatación lineal de varillas metálicas.

MÉTODO: Mediante el uso de un dilatómetro, se determina el

incremento de la longitud de una varilla metálica, al producirse un incremento controlado de temperatura. Relacionando la longitud inicial, el incremento de la longitud y la variación de temperatura, se determina el coeficiente de dilatación lineal de una varilla.

TEORÍA: TEORÍA: Toda sustancia está constituida por moléculas, sean estas monoatómicas o poli atómicas, y al entregar energía en forma de calor a dicha sustancia, las moléculas captan esa energía e incrementan su energía individual. Esta energía captada por cada molécula se reparte dentro de la misma de acuerdo a sus grados de libertad, incrementándose las energías: de vibración, potencial, traslación y rotación. Cuando en un sólido las moléculas están dispuestas en forma ordenada, se tiene un sólido cristalino. La variación de la energía de cada molécula determina una variación en las distancias de las moléculas y en sus posiciones, haciendo que varíe el cristal que constituyen dichas moléculas, lo cual conduce a un cambio de la forma del cuerpo y de su volumen. Este cambio en las dimensiones del sólido se conoce como dilatación. Si el sólido está formado de tal manera que una de sus dimensiones predomina notablemente con respecto a las otras, la variación de esta dimensión también es notable en comparación de la que ocurre en las otras. En este caso, por convención, se dice que hay una dilatación lineal. Se ha encontrado que para iguales condiciones de longitud y variación de la temperatura, la variación de la dimensión depende de cada sustancia y esto se puede expresar mediante un coeficiente de dilatación lineal, que puede expresarse así:

Tlo

l

D

D=a

(1)

12


en donde: ∆l = l – lo ∆T = T-To lo = Longitud inicial l = Longitud final To = Temperatura inicial T = Temperatura final ∆l = Variación de la longitud α = coeficiente de dilatación lineal

Este coeficiente expresa la variación de la longitud por cada grado Kelvin de variación de temperatura y por unidad de longitud. De aquí se obtiene la longitud a una temperatura cualquiera:

l = lo (1+ α ∆T) (2) El coeficiente de dilatación lineal, para ciertos intervalos de temperatura, permanece constante (aproximadamente), pero en general es una función de la temperatura. Para trabajos rigurosos, debe tomarse en cuenta la variación del coeficiente.

· Explique brevemente sobre los mecanismos de transferencia de calor

· Al entregar energía calorífica a un sólido, este responde variando su temperatura o variando sus dimensiones?

APARATOS Y ESQUEMAS.

APARATO MARCA CAPACIDAD APRECIACIÓN 1) 1 Dilatómetro 2) 1 Fuente de energía 6 [V]

3) 1 Termómetro 4) 1 Varilla de Bronce 5) 1 Varilla de Acero

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6) 1 Varilla de Al

APARATO MARCA CAPACIDAD APRECIACIÓN 7) 1 Regla graduada 8) 1 Fuente de Calor 9) 1 Erlenmeyer 10) 1 recipiente de vidrio 11) Mangueras de caucho

PROCEDIMIENTO Y CUADRO DE VALORES. Se dispone de tres varillas metálicas de materiales diferentes.

1. Se instala el equipo de acuerdo al esquema respectivo. En el Erlenmeyer se pone agua hasta que esté en ebullición.

2. Se lee la temperatura To de la varilla antes de conectar el vapor.

3. El tornillo micrométrico del aparato debe moverse lentamente hasta que

al contactar a la varilla, emita luz la lámpara, se anota dicha lectura y se retira el tornillo. Se repite esta operación y se anota la lectura (Lo).

4. Se retira luego el tornillo micrométrico hasta una distancia prudencial, este

procedimiento es importante, si no lo hace, puede destruir el aparato.

1

2

9

3

14


5. El vapor de agua es conectado al dilatómetro y el residuo se recibe en un recipiente. Anotar la temperatura T después de tener 10 minutos conectado el vapor al dilatómetro.

6. Se manipula el tornillo hasta que la lámpara emita luz, se anota el valor.

Se repite este procedimiento por segunda vez. De los valores se sacan los promedios respectivos (L).

7. Se suspende el vapor de agua, dejando listo para repetir el experimento,

En forma similar se procede con las otras varillas.

VARILLA LO LOPROM ∆L ∆LPROM TO T ∆T α EXP α TAB

CÁLCULOS Y TRATAMIENTO DE DATOS.

1. Determinar el coeficiente de dilatación de cada varilla y comparar con los datos tabulados (calculando el porcentaje de error entre ambos valores).Ejemplo de cálculo.

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2. Obtener las fórmulas para calcular los coeficientes de dilatación superficial y volumétrica.

3. Determinar los coeficientes de dilatación superficial y volumétrica con los datos obtenidos en la práctica y con los datos tabulados (calcule el porcentaje de error entre ambos valores).

4. Comente los resultados de los literales 1 y 3.

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PREGUNTAS.

1. Explique y grafique que son las “Redes de Cristalinas de Bravais”.

2. En la práctica se comprobó que al aumentar la temperatura de un sólido, varían las dimensiones del mismo, ¿qué sucede con los gases al aumentar su temperatura?

3. ¿Qué es el calor y que tipos de transferencia de calor se producen en este experimento, argumente su respuesta?

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4. Qué es el esfuerzo térmico, ilustre el concepto con un ejemplo.

5. Encontrar el cambio de volumen de una esfera de aluminio (Al) de 20,0 cm de radio, cuando se calienta de 0 hasta 200ºC.

6. Dar ejemplos prácticos en donde se tome en cuenta este fenómeno relacionado a su carrera.

18


7. Explicar la ley de Fourier y su aplicación a la transferencia de calor

8. ¿Qué representaría la pendiente de la gráfica Variación de longitud vs Variación de temperatura?

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CONCLUSIONES (MÍNIMO 5): RECOMENDACIONES (MÍNIMO 5): BIBLIOGRAFÍA.

20


PRACTICA N° 03

TITULO: DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDADES MOLECULARES Y FUNCIÓN DE DISTRIBUCIÓN DE MAXWELL Y BOLTZMANN

OBJETIVO: - Determinar experimentalmente la distribución de

velocidades de las moléculas en sistema considerado como un gas ideal.

- Comparar los resultados experimentales con los obtenidos mediante la función de distribución de Maxwell y Boltzmann.

.

MÉTODO: Mediante el equipo de simulación del comportamiento cinético de los gases, se determina experimentalmente la distribución de velocidades para un sistema considerado como un gas ideal a una temperatura T y se comparan con los resultados teóricos obtenidos de la ecuación de distribución de Maxwell y Boltzmann.

TEORÍA:

En un gas ideal contenido en un recipiente, el movimiento de las moléculas es aleatorio, es decir, todas las direcciones del espacio son igualmente probables, pero no es posible que todas las velocidades de las moléculas sean igualmente probables.

Al trabajar con un número grande de partículas del rango del número de Avogadro, no es posible determinar la velocidad de una determinada molécula debido a que las colisiones con otras moléculas hacen que ésta cambie incesantemente. Para determinar una función de la distribución de velocidades moleculares, se recurre a métodos estadísticos, en este caso la función de distribución de velocidades de Maxwell y Boltzmann la cual puede expresarse así:

(1)

En donde:

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dN/N = fracción de moléculas que se mueven en el intervalo (c, c+dc) m= masa de las moléculas (kg) T = Temperatura (K) c= velocidad (m/s) k = constante de Boltzmann (J/K)

La ecuación 1 describe la probabilidad de que la velocidad de una molécula se encuentre dentro del intervalo (c, c+dc), y de ésta se deduce que la probabilidad de encontrar una molécula de gas con velocidad c depende de la temperatura absoluta y de la masa del gas.

Al graficar la función de distribución de las velocidades se obtiene una curva como la que se observa en la Figura 1.

Fig. 1 Distribución de las velocidades de las moléculas de oxígeno a 273 K

A partir de la ecuación de Maxwell y Boltzmann se pueden derivar tres expresiones de la velocidad: velocidad más probable ( ), velocidad promedio ( ) y velocidad cuadrática media ( ).

La expresión de la función de la distribución de velocidades considerando la velocidad más probable es la siguiente:

(2)

22


1. Escriba las expresiones de la velocidad más probable, promedio y cuadrática media en función de la constante de los gases (R) y la constante de Boltzmann (k).

2. En la Figura 1 ubique y comente donde se encuentra la velocidad más probable, la velocidad promedio y la velocidad cuadrática media.

3. Indique dos aplicaciones físicas de la distribución de Maxwell y Boltzmann

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APARATOS Y ESQUEMAS:

NOMBRE MARCA CATÁLOGO CAPACIDAD APRECIACIÓN

Cámara de simulación

cinética

Fuente de DC

Estroboscopio Digital

Balanza de precisión

Cronómetro

Fig. 2 Montaje del equipo de simulación cinética de gases

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PROCEDIMIENTO Y TABLA DE DATOS: 1. Armar el equipo como se muestra en la Fig. 2 2. Determinar el peso promedio de una esfera de cristal, pesando un número

conocido de esferas (por ejemplo 20) en la balanza de precisión y registrarlo en la Tabla 1.

3. Determinar el número medio de esferas de cristal expulsadas de la

cámara durante un minuto. Para ello, se deberá llenar la cámara del equipo con 400 esferas de cristal y fijar las siguientes condiciones: altura del pistón superior 6 cm y frecuencia del oscilador 50 Hz (controlado por el estroboscopio).

4. Abrir la salida de la cámara durante 1 minuto y determinar el número de

esferas expulsadas mediante el peso de las esferas contenidas en los compartimentos del dispositivo de recepción. Registrar el peso y la cantidad de esferas en la Tabla 1.

5. Llenar la cámara con las esferas recolectadas y repetir el paso 4 dos

ocasiones más, registrar el peso y la cantidad de esferas en la Tabla 1. 6. Calcular el promedio de esferas expulsadas con los datos obtenidos del

paso 4 y 5; posteriormente registrarlo en la Tabla 1. 7. Llenar el número promedio de esferas expulsadas en cada uno de los 4

vasos de precipitación. 8. Realizar los siguientes ajustes al equipo: altura del pistón 6 cm, diferencia

de altura entre salida y el receptor 8 cm, frecuencia del oscilador 50 Hz y 400 esferas dentro de la cámara.

9. Abrir por 5 minutos el compartimento de salida de la cámara luego de que

la frecuencia sea estable. En cada minuto, y con la finalidad de mantener una densidad constante de esferas, verter en la cámara el contenido de cada uno de los vasos de precipitación.

10. Determinar el número de esferas en cada uno de los 24 compartimentos

y registrar los datos obtenidos en la Tabla 2. 11. Repetir los pasos 8, 9 y 10 por 2 ocasiones y registrar los datos obtenidos

en la Tabla 2.

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TABLA 1.

Peso promedio de 1 esfera : [g]

Repetición Peso [g] Número de esferas

1

2

3

Número promedio de esferas expulsadas

TABLA 2. (a) # de compartimento

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Repetición

1

2

3

Promedio

TABLA 2. (b) # de compartimento

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Repetición

1

2

3

Promedio

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TRATAMIENTO DE DATOS:

1. Con los datos de la TABLA 1, calcular el número de esferas promedio expulsadas de la cámara del equipo por 1 minuto.

2. Con los datos de la TABLA 2, calcular el valor promedio de esferas para cada

compartimento.

3. Calcular la velocidad de las esferas para cada compartimento del equipo receptor mediante la siguiente ecuación:

(3)

Donde: g = aceleración en la superficie terrestre (9,8 m/s2) h = altura de diferencia entre la salida de la cámara y el equipo receptor s = distancia desde la salida de la cámara hasta el compartimiento

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4. Realizar en papel milimetrado el diagrama EXPERIMENTAL de la distribución de velocidades a partir de los datos experimentales considerando la siguiente función :

(2)

Donde : Ni = número de esferas en el intervalo i , i=1,2,3….24 ∆c = velocidad en el intervalo correspondiente a ∆s=1cm

5. Realizar en papel milimetrado el gráfico de la distribución TEÓRICA de velocidades mediante la ecuación de distribución de Maxwell y Boltzmann (ecuación 3).

6. Analizar y comentar los gráficos EXPERIMENTAL y TEÓRICO de la distribución de velocidades del sistema analizado en la práctica.

7. Calcular la velocidad más probable, la velocidad promedio y la velocidad cuadrática media del sistema analizado a una temperatura de 25 °C.

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PREGUNTAS: 1. ¿Por qué tiende a cero la distribución de Maxwell y Boltzmann a altas

velocidades?

2. Describa mediante un diagrama de distribución de velocidades la dependencia de la velocidad con la temperatura para un mismo gas con las siguientes consideraciones T3>T2>T1, además en el gráfico ubique a la velocidad más probable y comente los resultados.

3. Realice un gráfico representativo de la distribución de velocidades moleculares para el Helio y el Nitrógeno a 25 °C.

4. Indique la expresión matemática de la distribución de velocidades y espacio combinadas e identifique a cada término de la expresión.

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5. Indique qué función cumple el estroboscopio en el desarrollo de la práctica.

6. Obtenga el valor de la constante de Boltzmann (k).

7. Describa un método alternativo al presente para la determinación de la distribución de velocidades de Maxwell y Boltzmann en un gas ideal.

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CONCLUSIONES (MÍNIMO CINCO):

RECOMENDACIONES (MÍNIMO CINCO):

BIBLIOGRAFÍA:

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PRÁCTICA N° 04 TÍTULO: EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR

OBJETIVO: Determinar el Equivalente Mecánico del Calor, a partir del calor creado por la fricción entre dos cuerpos.

MÉTODO: Al realizar trabajo de fricción entre un cilindro y una banda

sintética se relaciona el trabajo entregado [J] con la cantidad de calor generado [cal].

TEORÍA: Cuando se realizaba trabajo para vencer la resistencia de rozamiento, se creía que en el proceso se “perdía energía” y que al mismo tiempo se “generaba calor”, considerando al trabajo y al calor como dos magnitudes diferentes. La idea de calor y trabajo como formas intercambiables de energía fue uno de los logros sobresalientes de los físicos del siglo XIX. Previamente se había establecido el principio de conservación de la energía, sin embargo los científicos consideraban que sólo era útil en ciertos sistemas mecánicos. A mediados del siglo XIX James Joule y otros, demostraron una relación entre la transferencia de energía por calor a procesos térmicos y la transferencia de energía por trabajo a procesos mecánicos. Lo que permitió generalizar el concepto de energía y establecer la ley de conservación de la energía en una ley universal de la naturaleza y posteriormente la primera ley de la termodinámica. En su experimento Joule pretendía demostrar que el calor, al igual que el trabajo, era una forma de energía, y que se podía obtener a partir de energía mecánica, es decir:

W α Q

Por lo tanto, W = J*Q (1)

En donde J es una constante de proporcionalidad, llamada equivalente mecánico del calor, y expresa la relación entre las unidades de energía de estos dos sistemas (térmico y mecánico). Joule demostró que, para elevar la temperatura de un kilogramo de agua desde 14.5 °C hasta 15.5ºC (es decir, para conseguir una energía de 1000 calorías), la energía potencial de la masa debía disminuir en 4186 Julios. Con lo que determinó la equivalencia entre unidades de calor y trabajo en:

4,186[J]=1[cal] Para expresar el valor de J en otras unidades se tiene:

777,9[lb-pie] = 1054,87[J] = 1 [BTU] = 252 [cal]

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Si un cuerpo gira, ejerce un torque sobre otro cuerpo o sistema de cuerpos, entonces realiza un trabajo. La cantidad de trabajo que hace se puede calcular del torque y del número de revoluciones. El trabajo mecánico se genera por la fricción entre el cilindro y la banda sintética. Si el cilindro gira a una velocidad constante, la fuerza de fricción FR es igual a la diferencia entre la fuerza gravitacional de la masa suspendida de la banda bajo el cilindro FG y la fuerza de la tensión de la banda sobre el cilindro FD que se mide en el dinamómetro. Como se observa en la figura 1

FG = M*g (2) FR = FG - FD (3)

Donde el trabajo mecánico está dado por la siguiente ecuación:

W = 2p * rcil * n* FR (4) en donde: M = es la masa suspendida de la banda sintética

FD = tensión de la banda medida en el dinamómetro n = número de revoluciones rcil = es el radio del cilindro g = es la aceleración gravitacional. La cantidad de calor (Q) generada por la fricción del cilindro y la banda sintética, se determina a partir de la elevación de la temperatura desde una temperatura inicial Ti hasta una temperatura final Tf , y de la capacidad calorífica (C) del sistema cilindro-banda-termómetro.

Q = C*(Tf – Ti) (5) La capacidad calorífica (C) de un cuerpo, es la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de un gramo de material en 1ºC, y es térmicamente equivalente a la masa por el calor específico (cp) del cuerpo.

C = m*cp (6) Donde la capacidad calorífica total del sistema cilindro – banda – termómetro está dado por:

Fig: 1

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Ctot = Ccil + Cband + Cter (7)

Donde: mcil = 1280g (Cobre) mcil = 430g (Aluminio)

cpcil = 0.094 cal/g K (Cobre) cpcil = 0.21 cal/g K (Aluminio)

Cband = mband * cpband = 0.96 cal/K

cpter =0.098 cal/g K

δter= 8.7 g/cm3

Por lo tanto el calor depende del material (cilindro) empleado. Finalmente el equivalente mecánico del calor es igual a;

(8)

Nota: En el sistema no se consideran las pérdidas de calor al ambiente.

APARATOS Y ESQUEMAS. APARATO MARCA CAPACIDAD APRECIACIÓN Sensor de fuerza Cobra4 Sensor de temperatura Cobra 4 Termocupla Adaptador wireless (flash) Cilindro de cobre

Cilindro de aluminio

Calibrador Banda Pesas

PROCEDIMIENTO Y CUADRO DE VALORES. 1. Montar el cilindro indicado en el rodete y medir su radio.

2. Suspender la masa de M [kg] en el sensor de fuerza utilizando la banda,

dando una vuelta alrededor del cilindro.

3. Colocar la termocupla dentro del cilindro verificando que entre el cilindro y la

termocupla exista una capa de grasa térmica.

4. Colocar el Wireless en la PC.

35


5. Prender los sensores de fuerza y temperatura

6. Abrir el programa messure y desplegar el experimento “equivalente

mecánico del calor”. Encender los sensores de fuerza y temperatura y

verificar sus lecturas en la PC.

7. Iniciar las mediciones presionando el botón

8. Presionar para guardar la primera medición.

9. Gire el volante a una velocidad uniforme y continua y cada 100 vueltas

registrar los valores de presión y temperatura en la PC presionado el botón

10. Cuando se alcance un incremento de 10° en la temperatura parar la medición

de los parámetros presionando el botón y transferir todos los datos al

messure.

11. Desplegar la tabla de datos en el programa y Anotar estos valores requeridos

en las tablas 1, 2 y 3.

12. Lea el número final en la cuenta de revoluciones.

13. Determine el valor promedio de la fuerza FD que indicó el sensor de fuerza

Cobra4.

TABLA 1.

Material del cilindro

RCIL [cm]

M [g]

n (totales)

FD [N]

Rter [cm]

Lter [cm]

36


TABLA 2. Temperatura de Calentamiento:

Número de vueltas (n)

Temperatura (°C) Tiempo (s)

37


CÁLCULOS Y TRATAMIENTO DE DATOS. 1.- Determine el trabajo realizado por la fricción de la banda sintética con el cilindro. 2.- Determine Ctot y el calor generado por la fricción realizado por el cilindro, la termocupla y la banda. 3.- Calcule el Equivalente mecánico del calor J [J/cal].

38


4.- Calcule el error porcentual del valor de J y comente los resultados y posibles causas. 5.- Grafique la temperatura [ºC] en función del tiempo [s], t = f(T): Curva de Calentamiento y Curva de Enfriamiento. (Utilice papel milimetrado). Comente. 6.- Si se quisiera aumentar en 5 K la temperatura cuántas vueltas se debería dar al cilindro?. Utilice J teórico para el cálculo.

39


PREGUNTAS.

1. Defina trabajo, energía, calor y temperatura. Explique con un ejemplo cada una de ellas.

2. Explique la diferencia entre propiedad intensiva y propiedad extensiva. Añada un ejemplo para cada propiedad.

3. Cite la 1º Ley de Termodinámica y explique cómo se aplica esta ley en el experimento realizado.

40


4. Defina el Equivalente Mecánico del Calor.

5. ¿Qué es el calor específico? ¿Qué es la capacidad calorífica?

6. ¿Qué es una caloría?

41


7. Cite un ejemplo de aplicación de calor generado por fricción.

8. Cite otro experimento para determinar el equivalente mecánico del calor y explique su funcionamiento mediante un gráfico.

42


CONCLUSIONES (MINIMO CINCO): RECOMENDACIONES (MINIMO CINCO): BIBLIOGRAFÍA

43


PRÁCTICA N° 05 TÍTULO: CAPACIDAD CALORÍFICA DE LOS GASES Estudiar la magnitud física, calor, que hay que suministrar a una cantidad de

masa o sustancia para elevar su temperatura en una unidad. Determinar la capacidad calorífica del aire a volumen

constante . Determinar la capacidad calorífica del aire a presión

constante . MÉTODO: El calor es añadido, a un gas que está dentro de un

recipiente de cristal, por medio de una resistencia eléctrica que es encendida. La temperatura incrementa y como resultado la presión aumenta la misma que es medida con un manómetro.

Bajo condiciones isobáricas la temperatura aumenta y como

consecuencia incrementa el volumen que puede ser medido con una jeringa.

La capacidad calorífica y son calculados con el cambio

de presión y volumen respectivamente. TEORÍA: La primera ley de la termodinámica puede ser ilustrada particularmente con un gas ideal. Esta ley describe la relación entre el cambio de energía interna , la energía intercambiada con los alrededores, y el trabajo realizado por el sistema generalmente hablando.

(1) La capacidad calorífica molar de una sustancia resulta de la cantidad de calor absorbido y la temperatura que cambia por mol, donde es el número de moles.

(2)

Una distinción entre la capacidad calorífica molar y la constante de volumen y presión, , de acuerdo a la ecuación (1) y (2) bajo condiciones de (

), es:

(3)

44


Bajo condiciones isobáricas ( ), se tiene:

(4)

Es obvio que de la ecuación (3) la capacidad de calor es una función de la energía interna del gas. La energía interna puede ser calculada con la ayuda de la teoría cinética de los gases con el número de grados de libertad y la constante universal de los gases :

(5)

Tomando la ecuación (3) considerando lo siguiente:

(6)

Diferenciando la ecuación de estado para los gases ideales:

(7) Da como resultado lo siguiente, para presión constante:

(8)

De la relación (4) se tiene

(9)

Con la relación de (6) y (9) se deduce que la diferencia entre y para un gas ideal es igual a la constante universal de los gases R.

(10) El número de grados de libertad de una molécula es una función de esta estructura. Todas las partículas tienen tres grados de traslación libre. Las moléculas diatónicas tienen dos grados de rotación libre alrededor de su eje de inercia principal. Las moléculas triatómicas tienen tres grados de rotación libre. El aire consiste de oxigeno (aproximadamente 20%) y nitrógeno (en un 80%) como una primera aproximación puede ser asumiendo.

45


Además

Conteste las siguientes preguntas:

1. La constante universal de los gases ¿depende de la densidad de la sustancia a estudiar?

2. ¿En qué se diferencia la capacidad calorífica molar y la capacidad calorífica especifica? Explique:

46


3. Explique ¿para qué ciclos termodinámicos no se cumple la primera ley de

la termodinámica?

4. El movimiento de las moléculas de los gases dentro de un recipiente ¿De qué forma se da?

47


5. En la gráfica indique las posibles direcciones que tienen las moléculas de

un gas encerrado en movimiento.

APARATOS Y ESQUEMAS

NOMBRE MARCA CATÁLOGO CAPACIDAD APRECIACIÓN Manómetro de precisión

Unidad básica cobra

3

Fuente de Alimentación

RS 232 Cable de

datos

Cobra 3 sensor de corriente

Dos Tapones de goma

Jeringa de gas

Tubo de goma

Llave de paso 1

48


Llave de paso de tres

vías

Figura N° 1. EQUIPO DE CALOR ESPECÍFICO DEL AIRE

Figura N° 2. CONEXIÓN BÁSICA DEL COBRA 3

49


PROCEDIMIENTO Y TABLA DE DATOS: A VOLUMEN CONSTANTE

1. Conecte los aparatos de acuerdo al diagrama Figura N° 2. 2. Conecte el puerto USB al computador previamente abrir el programa

measure 3. Determine si el computador está tomando los datos de voltaje y amperaje 4. Encienda el sistema con el switched y cronometre la elevación de presión

A PRESIÓN CONSTANTE

1. Repita los pasos 1, 2, 3 del enunciado anterior 2. Seleccione una presión de trabajo y encienda el equipo 3. Con la jeringa se debe restar la presión que se encuentra marcando en

manómetro de precisión hasta llegar al valor de referencia escogido 4. Tome los datos de variación de volumen que resulta de la jeringa

TABLA 1 A volumen constante

Medición 1 Medición 2 Medición 3

V [v] I [A] T [s] P [mBar] V [v] I [A] T [s]

P [mBar] V [v] I [A] T [s] P [mBar]

50


TABLA 2. A presión constante

Medición 1 Medición 2 Medición 3

V [v] I [A] T [s] V [ml] V [v] I [A] T [s] V [ml] V [v] I [A] T [s] V [ml]


1. Deducir las siguientes ecuaciones:

(11)

(12)

Tomando en cuenta que:

(13)

(14)

51


2. Con los datos de la Tabla 1, representar gráficamente . (Hoja de papel milimetrado con su respectiva escala), calcule la pendiente de la recta.

3. Calcule experimental con la ecuación (11)

52


4. Con los datos de la Tabla 2, representar gráficamente . (Hoja de papel milimetrado con su respectiva escala), calcule la pendiente de la recta.

5. Calcule experimental con la ecuación (12)

6. Comparar y comentar los valores experimentales de , con los valores tabulados correctamente justificados y calcular los posibles errores porcentuales.

53


CONCLUSIONES (MINIMO CINCO): RECOMENDACIONES (MINIMO CINCO): BIBLIOGRAFIA

54


PRACTICA N° 06 TÍTULO: CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN DEL AGUA OBJETIVO: Determinar el valor del calor latente de vaporización del

agua. MÉTODO: El aumento lineal de la temperatura de una cantidad de agua

ofrece una conclusión respecto de la cantidad de calor aportada por unidad de tiempo. Si el agua hierve, podrá determinarse su calor de vaporización con base en la cantidad de calor aplicada en un tiempo determinado a la masa de agua evaporada.

TEORÍA: Si un líquido se encuentra en un recipiente abierto, y evapora, es decir pasa al estado gaseoso. La evaporación tiene lugar a cualquier temperatura para cualquier líquido. La velocidad de evaporación aumenta con la temperatura.

El fenómeno de la evaporación se explica por el hecho de que en los líquidos, lo mismo que en los gases, las moléculas tienen diferentes energías que pueden ser mayores o menores que la energía media, cuyo valor depende de la temperatura. Por esta razón, cualquiera que sea la temperatura del líquido existirán algunas moléculas tan rápidas que pueden vencer la atracción de las moléculas contiguas y abriéndose paso a través de la capa superficial, escapan fuera de la interfase del líquido. Entonces, cuando la temperatura aumenta, el número de moléculas que restantes en la fase líquida disminuye, es decir, el líquido se evapora. Durante la evaporación se escapan del líquido las moléculas más rápidas las cuales, al ocurrir esto, gastan una parte de energía en realizar el trabajo necesario para liberarse de las fuerzas de cohesión intermoleculares que las retienen dentro del líquido. De ahí se deduce, que la energía media de las moléculas que se quedan en el líquido disminuye, es decir el líquido se enfría. Para mantener constante la temperatura del líquido durante la evaporación hay que darle calor desde el exterior. Este calor se llama calor de latente de vaporización, y no se invierte en elevar la temperatura, sino en realizar el trabajo necesario para el cambio de estado.

La temperatura de una masa de agua se incrementa debido a la cantidad de calor aportada, hasta la temperatura de ebullición de 100 °C (91°C en Quito), luego permanece constante. La cantidad de calor QV adicionalmente aportada tiene que ser consumida en la transformación de agua en vapor.

55


La cantidad de calor necesaria para transformar 1 gramo de agua en estado líquido a vapor a temperatura constante se conoce como calor latente de vaporización CV. La cantidad de calor entregada por unidad de tiempo (un segundo) será:

(1)

Donde: = calor entregado por segundo

= masa de agua A = Valor en agua del calorímetro y termómetro

= calor específico del agua = elevación de la temperatura del agua

Δ = tiempo de calentamiento El calor de vaporización QV es:

(2)

en donde: es el tiempo de evaporación. Luego el calor latente de vaporización por unidad de masa es:

(3)

en donde: es masa de agua evaporada. Entonces:

(4)

Δ

56


1. ¿Qué es el valor en agua de un cuerpo y cómo se determina?

2. Deduzca la ecuación 1.

3. Explique los estados de agregación de la materia en la naturaleza.


APARATO MARCA CAPACIDAD APRECIACIÓN Calorímetro Vaso Termómetro Dinamómetro Mechero Bunsen Soporte Completo

57


PROCEDIMIENTO Y CUADRO DE VALORES: 1. Se suspende el calorímetro vacío del dinamómetro y se determina su masa,

luego se agregan 150 gramos de agua destilada. Anotar estos valores en la Tabla 1.

2. Se introduce el termómetro en el calorímetro de tal manera que no impida una

variación en la longitud del resorte del dinamómetro. Calentar el agua con una llama pequeña pero no luminosa (colocar el mechero por lo menos 5 cm debajo del calorímetro). Agitar la masa del agua con el termómetro latente y

con cuidado. Después de empezar el calentamiento cronometrar el tiempo necesario para un aumento de la temperatura T de 20°C. Leer el tiempo en el aumento de la temperatura para otros dos intervalos iguales de temperatura.

3. A partir del comienzo de la ebullición medir el tiempo tV necesario para que se evapore una masa de agua de 10 gramos, cada vez y en tres ocasiones. Anotar estos valores en la Tabla 1.

58


TABLA 1. MEDIDA

1 MEDIDA

2 MEDIDA

3 MEDIDA

4 Masa del calorímetro (g)

Masa del agua (g)

Elevación de temperatura de agua (°C)

Tiempo de calentamiento Δ

(s)

Masa de agua evaporada

(g)

Tiempo de evaporación Δ (s)

TRATAMIENTO DE DATOS: 1. Utilizando la ecuación 1 determinar la cantidad de calor apartada por segundo.

2. Con la ecuación 2 calcular el calor de vaporización QV.

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3. Determine el valor del calor latente de vaporización del agua utilizando la ecuación 4.

PREGUNTAS: 1. Indique y grafique una aplicación del calorímetro.

2. ¿Qué cambio de fase observó en el experimento? Explique a través de otro ejemplo un cambio de fase.

60


3. Indique la diferencia entre gas y vapor.

4. Explique la Ley de enfriamiento de Newton.

5. Explique las razones por las cuales los puntos de ebullición y fundición pueden variar.

6. Calcule el error porcentual del valor de . Comente los resultados y posibles causas de error.

61


7. ¿Qué es el punto triple? ¿Cómo se lo puede obtener experimentalmente? (Incluir gráfico del punto triple).

8. ¿Qué representa el valor en agua de un sistema como el usado en la práctica?

9. Investigue, grafique y explique el diagrama ENTALPÍA vs. TEMPERATURA para el agua a CONDICIONES NORMALES y a las condiciones en las que se REALIZÓ EL EXPERIMENTO. Identifique cada uno de los componentes de la gráfica.

62


CONCLUSIONES (MÍNIMO CINCO):

RECOMENDACIONES (MÍNIMO CINCO):

BIBLIOGRAFÍA:

63


PRÁCTICA N° 07 TÍTULO: CARGA ELÉCTRICA

OBJETIVO: Comprobar las propiedades de las cargas eléctricas. Reconocer los distintos métodos de electrización. Comprobar la Primera Ley de la Electricidad.

MÉTODO: Establecer la naturaleza de la carga eléctrica de ciertos

materiales, lograda por frotamiento y su interacción con otras cargas estáticas.

TEORÍA: Al igual que la masa la carga eléctrica es otra propiedad intrínseca de la materia, la cual crea campos de fuerza en el espacio, por medio de los cuales puede transmitir o ejercer fuerzas sobre otros cuerpos cargados y alterar su estado de movimiento.

El conocimiento de la existencia de la electricidad, se da a partir del experimento de Tales de Mileto, en el año 600 a.c., que descubrió que al frotar una barra de ámbar con un trozo de piel, adquiría la notable propiedad de atraer pequeños objetos, muy livianos, como por ejemplo pedacitos de tela, paja, etc. Sin embargo, pasaron muchos años antes de que se vuelvan cuantitativas estas observaciones cualitativas. La razón por la cual, los cuerpos se electrizan al ser frotados, puede comprenderse en base a la teoría atómica de la materia, las piezas fundamentales de la constitución de la materia son: los protones, los neutrones y los electrones. En todo átomo, los protones y los neutrones ocupan un espacio muy pequeño, están en el llamado núcleo del átomo. En el caso de núcleos ligeros que sólo contienen unos cuantos protones y neutrones, el diámetro del núcleo es de 10-15 [m], es algo mayor en núcleos pesados, típicamente los electrones cuyo diámetro está en el orden de 10-15 [m], están situados a unos 10-10 [m] del núcleo.

La materia está formada por grandes cantidades de átomos y moléculas y, de ordinario es eléctricamente neutra, lo que implica que hay números iguales de protones y de electrones. Los electrones están ligados a sus núcleos por fuerzas que no son insuperables, aunque si realmente muy intensas; por lo tanto, ellos pueden pasar de un cuerpo a otro, cuando las substancias se ponen en un estrecho contacto; es por ello que al frotar dos cuerpos se pueden transferir electrones de un objeto a otro. Cuando esto sucede, uno de los cuerpos tendrá un exceso de electrones, mientras que el otro tendrá una deficiencia de ellos. El cuerpo que tenga un exceso de electrones, se hallará cargado negativamente, en tanto que el otro, que tiene deficiencia de electrones queda cargado positivamente. Para cargar un conductor, debe estar aislado, separado de su medio habitual, por un aislante. En consecuencia, los cuerpos pueden estar cargados positiva o negativamente.

64


Benjamín Franklin definió inicialmente la carga "negativa"', como la clase de electricidad (denominada entonces "resinosa") que se manifiesta en el caucho (hule) duro, luego de haber sido frotado con una piel de gato y, definió a la carga "positiva" como la electricidad (llamada "vítrea" en esa época) que adquiere el vidrio al ser frotado con seda.

A pesar de que las denominaciones de positiva y negativa fueron del todo arbitrarias, han persistido hasta la actualidad. Una definición equivalente y más moderna del signo de la carga eléctrica es decir que, los objetos cargados negativamente manifiestan una carga del mismo signo que la del electrón, en tanto que los cargados positivamente poseen carga del mismo signo que la del protón. Experimentalmente se ha demostrado que las cargas del mismo signo se repelen entre sí, mientras que cargas de signo contrario exhiben atracción mutua, lo que conduce a la afirmación bien conocida de que cargas del mismo signo se repelen y cargas de signo contrario se atraen por lo tanto, hay una fuerza de atracción entre las cargas eléctricas de signos opuestos. Otro factor importante de la carga eléctrica es el hecho de que aparece como un número entero de cargas electrónicas; entonces, hasta donde se sabe, la carga del electrón es la cantidad más pequeña de carga negativa que se puede encontrar en la naturaleza. En forma análoga, la unidad más pequeña de carga positiva que se puede hallar en el universo, es la carga del protón, que es numéricamente igual a la carga del electrón pero de signo contrario. El neutrón que es eléctricamente neutro, tiene la carga eléctrica cero; y, las cargas eléctricas de las demás partículas elementales son cero o algún múltiplo entero de la carga del electrón o del protón. Esta característica de la carga eléctrica de presentarse en múltiplos de una carga elemental indivisible, se conoce como cuantización de la carga. Otra característica en relación con la carga eléctrica es, que siempre se conserva, lo que quiere decir que en toda interacción o reacción, los valores inicial y final de la carga eléctrica total deben ser los mismos; por lo tanto, la carga eléctrica total ni se crea ni se destruye.

Por lo general, si se frota una barra de vidrio con seda, el vidrio pierde electrones y queda cargado positivamente; la seda por el contrario queda cargado negativamente, porque capta los electrones que perdió el vidrio; si la barra es de azufre, como este es electronegativo, capta electrones cedidos por la seda y se carga negativamente, la seda queda cargado positivamente. También, se puede producir intercambio de electrones cuando se frotan dos cuerpos de la misma sustancia, por ejemplo, si se frotan dos trozos de vidrio, uno más pulido que el otro, el menos pulido capta electrones.

Existen otras formas de cargar eléctricamente a un cuerpo aislado y que inicialmente no se encuentra cargado; por ejemplo: por conducción, si se tiene un cuerpo A que inicialmente ha sido cargado positivamente y un cuerpo B inicialmente no está cargado (neutro); cuando los cuerpos se los conecta con un conductor hay una partición de la carga, alguna carga eléctrica de A pasa por el conductor al cuerpo B, esta transferencia de carga consiste de una transferencia de electrones desde B hasta A, de esta manera, los dos cuerpos tienen cargas del mismo signo y, la carga total, por supuesto, es igual a la carga original A.

65


Otra forma, por la cual el cuerpo B podría recibir una carga desde la influencia de un cuerpo A es por inducción; si el cuerpo A cargado positivamente se coloca cerca, pero no en contacto con el cuerpo B, algunos de los electrones de B son atraídos por la carga positiva de A al lado de B más cercano de A; esto se conoce como polarización; la carga del mismo signo se conoce como carga "repelida" y la carga de signo diferente, como carga "ligada"; si en estas circunstancias, mientras A este cerca de B. Si al cuerpo B, se le conecta a tierra, la carga repelida será neutralizada por las cargas desde tierra, si antes de alejar el cuerpo A del cuerpo B, se elimina la conexión a tierra, al alejar la carga inductora, el cuerpo B quedará cargado eléctricamente, ya que la carga ligada queda atrapada en el cuerpo. APARATOS Y ESQUEMAS

NOMBRE MARCA CATALOGO Generador de Van der Graaff Electroscopio Varillas inductoras Esfera de descarga Placa semiconductora Cono-punta Tiras de papel Campanitas de Franklin Papeles de Aluminio

66


Hoja de Datos

TRABAJO 1:

a) AMBAR

b) VIDRIO

c) EBONITA

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TRABAJO2: a) b)

c) d)

68


TRABAJO 3:

a) AMBAR

b) VIDRIO

c) EBONITA

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PROCEDIMIENTO: Tener presente las siguientes precauciones:

· Manejar el electroscopio con cuidado, procurando siempre que la lámina no sea atraída a la ventana de vidrio; evitar colocar cuerpos "pesadamente" cargados en las cercanías; no colocarlo cerca de la máquina de inducción. Cuando no esté en uso, cubra la pesilla con una capa metálica.

· Evitar unir los terminales de la máquina de inducción, ya que el cortocircuito puede invertir su polaridad. Chequear ocasionalmente la polaridad.

1. Electricidad por frotamiento: Comprobar esta propiedad de electrización por frotamiento, al observar que

luego de frotar dos materiales entre sí puede atraer pedazos de papel. Completar los gráficos sobre estas observaciones en la respectiva hoja de datos, en este caso se frotara una franela y una barita de:

· Ebonita (V) · Ámbar · Vidrio

Comprobar la electricidad positiva y negativa.

2. La primera ley de electricidad:

Por medio del generador de Van der Graaff comprobar la carga eléctrica de los cuerpos neutros y realizar el análisis eléctrico de los mismos. Completar el gráfico respectivo para las siguientes observaciones:

a) Cuando se colocan las TIRAS DE PAPEL sobre la esfera metálica del generador.(cargas opuestas)

b) Cuando se dispone de un ESFERA MÁS PEQUEÑA la misma que se encuentra en estado neutro y a una distancia muy pequeña de la esfera metálica del generador.(Inducción)

c) Cuando se ubica la PLACA con partes metálicas sobre la esfera metálica del generador.(Conducción e Inducción)

d) Cuando se coloca las CAMPANITAS DE FRANKLIN se observa una carga y descarga de electrones en una esfera muy pequeña.

e) Cuando se coloca PAPELITOS DE ALUMINIO pequeños sobre la esfera metálica.

f) Cuando se coloca una punta sobre la esfera metálica llamada AGUJA DE DESCARGA

3. Funcionamiento del electroscopio:

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Cargar positivamente el electroscopio, y, determinar con él la carga de otros cuerpos electrizados. Registrar estas observaciones gráficamente.

Cargar negativamente el electroscopio y, determinar con él la carga de otros cuerpos electrizados. Registrar estas observaciones gráficamente.

Cargar el electroscopio por conducción y por inducción. Registrar gráficamente. Establecer la relación entre la carga del electroscopio y el desplazamiento de las hojuelas. Registrar gráficamente estas observaciones. ( ANEXOS)

CÁLCULOS Y TRATAMIENTO DE DATOS:

TRABAJO 1. Electricidad por frotamiento: Representar gráficamente las observaciones realizadas con la barra de:

· Ebonita Comente estas observaciones de la barra y de la carga con la queda el papel luego del acercamiento.

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· Ámbar. Comente estas observaciones de la barra y de la carga con la queda el papel luego del acercamiento.

72


· Vidrio Comente estas observaciones de la barra y de la carga con la queda el papel luego del acercamiento.

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TRABAJO 2.

La primera ley de la electricidad Representar gráficamente las observaciones realizadas, indicando el signo de la carga eléctrica en cada caso y comentar estas observaciones.

a. TIRAS DE PAPEL b. ESFERA DE DESCARGA c. PLACA SEMICONDUCTORA d. CAMPANITAS DE FRANKLIN

Anexe cada una de los gráficos con sus respectivas observaciones. TRABAJO 3. Funcionamiento del electroscopio:

Anexe cada una de los gráficos con sus respectivas observaciones para cada una de las barras al estar en contacto inducido con el electroscopio.

· Ebonita · Ámbar · Vidrio

PREGUNTAS:

1. La electricidad Estática es perjudicial cuando y porque. Explique.

2. Escriba tres aplicaciones de la jaula de Faraday.

74


3. Qué tipo de electricidad es la que genera un rayo.

4. ¿La electricidad estática que brinda el generador de Vander Graaff es de bajo o alto Voltaje, y de baja o alta Corriente? Es perjudicial para el ser humano.

5. Explique los principios de cuantización y conservación de la carga eléctrica.

75


6. Cuál es la diferencia entre Inducción y Contacto.

7. Defina los siguientes conceptos físicos:

a) Densidad de Carga lineal y volumétrica.

b) Campo Eléctrico

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CONCLUSIONES (MÍNIMO CINCO): RECOMENDACIONES MÍNIMO CINCO: BIBLIOGRAFÍA:

77


PRACTICA N° 8 TITULO: EFECTO JOULE DE LA CORRIENTE

ELÉCTRICA

OBJETIVO: Determinar la relación que existe entre la energía eléctrica y la energía calorífica.

TEORÍA: El trabajo L realizado por un campo eléctrico al transportar una carga eléctrica q entre dos puntos cuya diferencia de potencial es V, está dado por:

L = q . V Por otro lado de la definición: i = q / t , se tiene que el trabajo necesario para mantener una corriente i durante un tiempo t es:

L = V. i. t Este trabajo se transforma en calor gracias a la resistencia intercalada en el circuito, se logra en consecuencia elevar la temperatura de los cuerpos contiguos. Se ha establecido que existe una relación constante entre la cantidad de calor que se produce y el trabajo eléctrico realizado:

Esa relación recibe el nombre de equivalente eléctrico del calor o Ley de Joule en homenaje a su descubridor. Los experimentos de Joule demostraron que no solo la energía térmica permite elevar la temperatura, sino que también cualquier otra forma de energía suministrada a un sistema puede realizar el mismo efecto. La cantidad de calor generado en el tiempo se invierte en elevar la temperatura del agua, la de las paredes del recipiente y otros elementos del calorímetro. Otra parte del calor es emitido por radiación al exterior. Entonces la cantidad de calor absorbida por el sistema es:

Q = (m + k).Cp. (T2 - T1) Donde : m = masa del agua [g] k = masa equivalente en agua del calorímetro [g] Cp= calor específico del agua [kJ/kgºC]= 4,186 [J/gºC] T1 = temperatura inicial del sistema [ºC]

78


T2 = temperatura final del sistema [ºC] La capacidad calorífica de un cuerpo es el producto de la masa por el calor específico y representa el calor que se debe entregar a un cuerpo para que eleve su temperatura en un grado Kelvin (K). La capacidad calorífica de una sustancia equivale a cierta masa de agua que se comporta como lo haría el cuerpo. Este es el llamado equivalente en agua del cuerpo. Para determinar el equivalente en agua de los elementos de los cuales se compone el calorímetro, se usa la expresión:

Cuando un sistema no está aislado térmicamente del medio ambiente se deberá considerar la cantidad de calor que se entrega continuamente al medio ambiente mientras dura el calentamiento. En este caso el calor total deberá ser considerado como las suma de los calores absorbidos por los cuerpos contiguos y el entregado al medio ambiente. APARATOS Y ESQUEMAS:

APARATO MARCA CAPACIDAD APRECIACIÓN

RECTIFICADOR CALORÍMETRO FUENTE TERMÓMETRO CRONOMETRO

A

V

S

Calorímetro

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PROCEDIMIENTO:

1. Se determinan las masas: del agitador, de los soportes, del termómetro, y de aproximadamente un tercio del volumen del calorímetro de agua pura.

2. Los valores anteriores y los equivalentes en agua de soporte y

termómetro, se anotan en la Tabla 1.

3. Se conecta el circuito eléctrico mostrado en el esquema anterior. Se pone en marcha el cronómetro.

4. Se anotan también en la tabla N°1 los valores iniciales de corriente y

voltaje.

5. El valor de la temperatura inicial, correspondiente al tiempo 0, se anotan en la Tabla 2.

6. Se completa la Tabla 2 registran los tiempos transcurridos para que

sucesivamente se eleve la temperatura de dos en dos grados hasta completar 10°C de diferencia con respecto al valor inicial. Se confirma si los valores de la corriente eléctrica y del voltaje se mantienen constantes.

7. Completados los 10 grados se abre el circuito y se toma un tiempo de 10 (min) al final de este se mide la nueva temperatura T3 y se anota en el respectivo casillero.

Amperímetro

Voltímetro

Termómetro

Calorímetro Rectificador

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CÁLCULOS Y TRATAMIENTO DE DATOS: TABLA 1

Masa agua (g)

Masa eq.

calorímetro

Eq.

Agitador (g)

Eq. Soportes

(g)

Eq.

Termóm. (g)

V (v)

I

(A)

TABLA 2

t (s) 0 T (°C) T3 (°C)

Con los valores anotados en las tablas calcular:

1. El trabajo eléctrico y masa equivalente de cada uno de los materiales utilizados, y justifique el Cp utilizado para el cálculo.

2. Calor ganado por el sistema formado por: agua, calorímetro, agitador, soportes y termómetro, para cada intervalo de temperaturas T.

81


3. Realizar un gráfico del trabajo eléctrico L versus el calor generado Q,

analice y compare con el valor teórico. (Error Porcentual). Utilice una hoja de papel milimetrado y adjunte como anexo.

4. Determine el Calor total entregado y Calor total disipado por el sistema.

5. Determine el equivalente eléctrico del calor.

6. Análisis de resultados. Discutir posibles errores

82


PREGUNTAS:

1. Describa como el calor puede transmitirse de un medio a otro.

2. Explique y compare gráficamente el fenómeno de enfriamiento y calentamiento que ocurre durante la trasferencia de calor de un cuerpo.

3. Explique brevemente que entiende por equivalente eléctrico de calor. Defina su dimensión.

4. Escriba las diferencias que existen entre Energía y Calor entregado.

83


5. Explique y obtenga el equivalente mecánico del calor.

6. Escriba tres aplicaciones prácticas del Efecto Joule

7. Explique un efecto negativo del Efecto Joule CONCLUSIONES (MÍNIMO 5):

84


RECOMENDACIONES (MÍNIMO 5): BIBLIOGRAFÍA:

85


PRÁCTICA N° 09 TÍTULO: LEY DE LOS GASES

OBJETIVO:

- Investigar experimentalmente la validez de la ley de los gases ideales.

- Analizar la Ley de Boyle y Mariotte de procesos isotérmicos.

- Analizar la ley de Gay- Lussac de procesos isobáricos.

MÉTODO: El estado de un gas es determinado por su temperatura, presión y cantidad de substancia. Para el caso de los gases ideales, estas variables están ligadas a la ley ideal de los gases. Para un cambio de estado bajo condiciones isobáricas la ecuación se convierte en la primera Ley de Gay-Lussac mientras que para condiciones isocóricas, volumen constante, se convierte en la Ley de Amonton y en el caso de proceso isotérmico en la Ley de Boyle y Mariotte.

TEORÍA: La ecuación de los gases ideales describe el estado termodinámico de un gas confinado a partir de sus parámetros de estado; presión P, volumen V, temperatura T y número de moles del gas n.

(1) R= Constante universal de los gases. Para un constante y determinado número de moles se tiene:

Donde Pi, Vi, y Ti son la presión, volumen y temperatura iniciales A partir de la ecuación 2 se derivan tres diferentes leyes para describir el comportamiento del gas dependiendo del proceso al que esté sometido: Isobárico, Isocórico o Isotermico.

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La ley de Boyle y Mariotte (proceso isotérmico) describe el comportamiento de la presión y el volumen de un gas cuando la temperatura se mantiene constante, en este caso la ecuación de los gases ideales se expresa:

La ley de Gay-Loussac (proceso Isobárico) describe el comportamiento del volumen y la temperatura de un gas al mantener la presión constante, en este caso la ecuación de los gases ideales se expresa:

La ley de Amonton (proceso isocórico) describe el comportamiento de la presión y la temperatura de un gas al mantener el volumen constante, en este caso la ecuación de los gases ideales se expresa:

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APARATOS Y ESQUEMAS.

APARATO MARCA CAPACIDAD APRECIACIÓN Set de vidrio del equipo de ley de gases (émbolo y chaqueta de vidrio)

Wireless (flash)

Adaptador de Wireless

Sensor de presión y temperatura

Termocupla

Barra de agitación

Imán

Embudo

Erlenmeyer de 250 ml

Recipiente de vidrio para agua

Termocupla

Embolo

Entrada de

agua

Sensor de presión y

temperatura Cobra4

Adaptador

Wireless

Plancha de

calentamiento

Chaqueta

con agua

Figura 1

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PROCEDIMIENTO Y CUADRO DE VALORES. Procedimiento general

1. Montar el equipo como se muestra en la figura 1. 2. Asegurarse de que el émbolo se encuentre debidamente aceitado. 3. Colocar dentro la chaqueta de vidrio una cantidad de agua de tal manera que

cubra completamente el cilindro interno e insertar el agitador. 4. Encender los sensores y verificar su funcionamiento. 5. Conectar el adaptador Wireless al PC. 6. Abrir el programa de trabajo “messure”

La Ley de Boyle y Mariotte

1. Dentro del programa messure desplegar el experimento “Ley de Boyle” (11.06) y reconocer los parámetros de medición en la PC.

2. Colocar el volumen en 40 ml aproximadamente. 3. Iniciar las mediciones presionando el botón 4. Presionar para guardar la primera medición. 5. Incremente el volumen en 1 ml y guarde los valores de medición presionando

en cada ocación el botón . Guarde los valores hasta cuando se haya alcanzado los 55 ml.

6. Parar la medición de los parámetros presionando el botón y transferir todos los datos al messure.

7. Para corroborar las mediciones calcular mediante la ecuación (4) la presión para cada volumen, asumiendo como presión inicial 770 hPa. Anotar los resultados en la Tabla 1.

La ley de Charles y Gay-Loussac

1. Dentro del programa messure desplegar el experimento “Ley de Charles” 2. Reconocer que parámetros se están midiendo en la PC 3. Colocar el volumen en 50 ml aproximadamente. 4. Iniciar las mediciones presionando el botón 5. Grabar la primera medición, presionando 6. Prender la plancha de calentamiento 7. Agitar con el imán para mantener una temperatura homogénea en el agua. 8. Tomar las medidas de presión y temperatura en cada ml de aumento en el

volumen haciendo clic en el botón . Debido al incremento de temperatura el gas dentro del tubo se expande haciendo que el émbolo se mueva y el volumen aumente

9. Cuando la expansión llegue a 60 ml, apagar la plancha de calentamiento y esperar hasta que el émbolo llegue a 61 ml y registrar el último valor.

10. Parar la medición de los parámetros presionando el botón y transferir todos los datos al programa.

11. Para corroborar las mediciones calcular mediante la ecuación (7) la temperatura para cada volumen, asumiendo como temperatura inicial la temperatura ambiente. Anotar los resultados en la Tabla 2

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TABLA 1 Datos para la ley de Boyle y Mariotte

TABLA 2: La ley de Charles y Gay-Loussac

Volumen (ml)

Presión experimental (hPa)

Presión teórica (hPa)

Volumen (ml)

Temperatura experimental (K)

Temperatura teórica (K)

Pendiente de la curva P vs 1/V:

nRT= (hPa ml)

Pendiente de la curva V vs T:

nR/P= (ml/K)

P= const= (hPa)

T= const= (K)

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CÁLCULOS Y TRATAMIENTO DE DATOS.

1. Calcular el número de moles para cada leyes a partir del volumen inicial ocupado y el volumen molar a 273,15 K. Vm=22,414 L/mol

Experimento Volumen inicial (ml) Moles (mmol) La ley de Boyle y Mariotte (proceso isotérmico)

La ley de Gay-Loussac (proceso Isobárico)

2. Calcular la constante universal de los gases con cada una de las

pendientes obtenidas en la experimentación. Experimento Pendiente R (Nm/Kmol) La ley de Boyle y Mariotte (proceso isotérmico)

La ley de Gay-Loussac (proceso Isobárico)

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3. Consultar el valor de la constante universal de los gases teórica y calcular el error porcentual de R obtenida en cada experimentación. Comente.

Experimento R (Nm/Kmol) Error porcentual (%) La ley de Boyle y Mariotte (proceso isotérmico)

La ley de Gay Loussac (proceso Isobárico)

4. A partir de la Tabla 1 graficar para la ley de Boyle y Mariotte: P=f(1/V) utilizando tanto la presión experimental como la teórica; y graficar PV=f(1/V). Comente las gráficas tomando como base la teoría. Utilice un anexo para las gráficas.

5. A partir de la Tabla 2 graficar para la ley de Gay loussac V=f(T) utilizando tanto la temperatura teórica como experimental; y graficar TV=f(T). Comente las gráficas tomando como base la teoría. Utilice un anexo para las gráficas.

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6. Para un proceso isocórico con un volumen constante de 50 ml, una temperatura ambiente de 18°C y presión atmosférica de 770 (hPa) graficar P=f(T) hasta una temperatura de 75 °C. Obtenga la pendiente y calcule R a partir de ella. Comente sus resultados. Utilice un anexo para las gráficas.

PREGUNTAS.

1. Consultar las diferentes unidades que puede tener la constante universal de los gases R e indique ejemplos de su uso según sus unidades.

2. ¿Qué es un gas ideal?

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3. ¿Qué es el estado termodinámico de un gas y cuáles son los parámetros que lo definen?

4. ¿En qué ciclo termodinámico se utilizan los procesos isobárico, isocorico e isotérmico?

5. ¿Qué es un proceso isotrópico y en qué se lo utiliza?

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CONCLUSIONES (MINIMO CINCO): RECOMENDACIONES (MINIMO CINCO): BIBLIOGRAFÍA

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PRACTICA N° 10 TITULO: LEY DE OHM OBJETIVO: - Identificar los elementos que constituyen un circuito

eléctrico. - Armar un circuito simple.

- Aplicar la Ley de Ohm en el circuito, para calcular el valor de la resistencia.

- Establecer la relación entre diferencia de potencial y corriente eléctrica en el circuito.

- Determinar las características de los elementos resistivos y su comportamiento al paso de la corriente eléctrica.

MÉTODO: Armar el circuito, medir la diferencia de potencial y la corriente eléctrica que circula por los elementos.

TEORÍA: El primero en estudiar la resistencia de diversos materiales, sistemáticamente, fue Georg Ohm. En 1826 publico sus resultados experimentales, consistentes en que, para muchos materiales, incluyendo la mayor parte de los metales, la resistencia es constante dentro de un amplio margen de diferencias de potenciales. Este enunciado se llama Ley de Ohm, que en realidad no es ley alguna, sino un enunciado empírico acerca del comportamiento de los materiales. Cuando la resistencia de un material es constante entre unos límites de diferencia de potencial, decimos que el material es óhmico y que responde a la ley: V = I x R (1) en donde: V = diferencia de potencial I = corriente eléctrica R = resistencia eléctrica de un material

La resistencia eléctrica es la oposición al paso de corriente por un elemento y una medida de la facilidad con la que fluye la carga dentro del material. Las unidades de resistencia en el sistema internacional (SI) son Volts sobre Ampere, llamada el ohm (Ω), y definida como la resistencia a través de la cual pasa una corriente de 1 (A) cuando se aplica la diferencia de potencial de 1(V).

1A

1V1 =W

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Una porción de material óhmico de resistencia apreciable es un resistor, y es el elemento más común que forma un circuito eléctrico. Los resistores se representan mediante líneas en zigzag ( ) en los diagramas eléctricos y se conectan entre sí y con otros elementos, mediante cables conductores, que por lo general, se suponen de una resistencia despreciable. La ley de OHM, se cumple sin mayor error en los elementos sencillos de los circuitos como cables de calentadores eléctricos, allí su aproximación es buena.

En un conductor la resistencia depende de su longitud (L), de su sección (A) y de una proporcionalidad intrínseca del material, su resistividad (ρ). La relación entre la resistencia y la resistividad es:

A

LR

A

LR´=®= r

r

1. Calcule la resistencia de un alambre N° 14, de cobre de 100m de longitud. La resistividad se encuentra en un manual.

2. Cuando usted conecta un interruptor y pasa la corriente en un alambre de la casa, ¿se carga el alambre?

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Aparatos Marca Capacidad Apreciación

Fuente De Alimentación Continua Regulable

Reóstato (330 kΩ)

2 multímetros

calibrador

CIRCUITO: PROCEDIMIENTO Y TABLA DE DATOS:

1. Armar el circuito según el esquema, sin conectar al tomacorriente 2. Hacer revisar el circuito con el profesor 3. Conectar la fuente de DC variable a la toma de 110 (V) 4. Seleccionar una posición en el reóstato y variar el voltaje aplicado

progresivamente 5 veces. En cada caso registre los valores de voltaje e intensidad en la tabla 1.

5. Cambiar la posición del reóstato y repetir el procedimiento.

ξ

R A

V

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TABLA 1.

Posición reóstato

VOLTAJE INTENSIDAD

1 2 3 4 5 V 1 2 3 4 5 I

1

2

3

4

5

6. Seleccione un cable de cobre, mida su diámetro y longitud, coloque el cable en serie con la resistencia en el sistema del circuito anterior. Establezca una corriente de 100mA y mida el voltaje en el cable. Registre los valores en la Tabla 2.

TABLA 2

MATERIAL LONGITUD DIÁMETRO INTENSIDAD VOLTAJE

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1. Con los valores de la posición 1, realice el grafico N° 1, V vs. I y determine el valor de la resistencia

Gráfico Nº 1 Titulo:

Escala eje X Escala eje Y

2. Repita los cálculos y gráficos para las siguientes posiciones del reóstato.



100






101




3. Calcule el error en cada caso

4. Aplicar los datos de la tabla 2 en la fórmula 2, calcular la resistencia térmica del alambre y anotar los valores en la tabla 3.

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TABLA 3 Longitud Área Resistividad Resistencia

5. Calcule la resistencia experimental con los datos de la tabla 2 y la fórmula 1. Anotar en la tabla 4.

TABLA 4 Voltaje Intensidad Resistencia

6. Calcule el error entre los valores de las tablas 3 y 4.

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PREGUNTAS 1. Explique la diferencia entre corriente de conducción y la corriente de

convección. 2. Explique cuál es la diferencia entre conductividad y conductancia. 3. Explique cuál es la diferencia entre resistividad y resistencia. 4. Si un conductor no tuviese resistencia, que sucedería con la velocidad de

los portadores de carga, si este está sometido a un campo eléctrico externo E.

5. La relación (Voltaje/intensidad) en todos los conductores es siempre

lineal.

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CONCLUSIONES (MÍNIMO CINCO): RECOMENDACIONES (MÍNIMO CINCO): BIBLIOGRAFÍA:

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PRÁCTICA N° 11 TÍTULO: DIELÉCTRICO OBJETIVO: Determinar el comportamiento de un capacitor y las

influencias del material dieléctrico empleado al aplicar un campo constante. Deducir la constante del material dieléctrico empleado.

MÉTODO: Se conecta un capacitor de placas paralelas a los terminales

de una fuente o batería de potencial conocido, y después de cargar completamente el capacitor se desconecta la batería y se intercala una lámina de dieléctrico que llene completamente el vacío entre las placas. Se mide el nuevo potencial y de la comparación se puede desprender la constante del dieléctrico.

TEORÍA: En la mayor parte de los capacitores o condensadores, se coloca entre las placas una hoja de material aislante como papel o plástico. El material aislante recibe el nombre de dieléctrico y sirve para varios fines. Evita que las placas entren en contacto, lo cual anulará al capacitor. También permite que las placas flexibles de hoja de aluminio se enrollen en un cilindro, dando al capacitor un tamaño apropiado. Finalmente incrementa la capacidad del capacitor para almacenar energía. Esta capacidad varía con los materiales y se caracteriza por la llamada constante dieléctrica (k) valores que se encuentran tabulados, y han sido hallados experimentalmente.

El capacitor se carga, se desconecta del acumulador y luego se inserta el

dieléctrico. En el capacitor se realiza un trabajo sobre los dipolos al experimentar fuerzas eléctricas que tienden a alinearlos con el campo. La polarización molecular de la carga puede ser inducida en forma permanente o temporal por el campo eléctrico. El campo entre las placas y el voltaje a través de ellas se reducen por un factor k.

V = Vo/k (1) Aquí, Vo es un voltaje dado sobre las placas sin el dieléctrico, o el voltaje

antes de agregar el dieléctrico. La carga Q no se afecta, de modo que la capacitancia es:

K=Q/ Vo

C = ( Q / V) = [ Q / (Vo / k)] = k. Co (2) Si, por otro lado, se inserta el dieléctrico en el acumulador aún conectado,

el voltaje original se mantiene y el acumulador puede suministrar más carga. La carga total sobre las placas es entonces Q = k Qo. Y nuevamente C = k Co. Como se puede demostrar con facilidad. Así, un dieléctrico incrementa la

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capacitancia por un factor de k. Esta ecuación demuestra, por otra parte, que la constante dieléctrica carece de unidades. Para un capacitor de placas paralelas con un dieléctrico

C = k Co. = (k. εo. A / d) (3)

Algunas veces esto se escribe como C = εA / d. en donde ε es la permisividad del material eléctrico ε = k. εo. (4)

εo = 8.85 x 10-12 (C2/Nm2)

Dado que un material dieléctrico incrementa la capacitancia, un capacitor con un dieléctrico puede almacenar más carga, y por lo tanto energía, que con uno con las mismas dimensiones pero sin el dieléctrico; si se supone que en ambos casos se tienen iguales voltajes. Esto se puede mostrar de la siguiente manera:

U=1/2(Co) V2

U = 1/2 (C x V2 ) = l/2( k Co x V2 ) = k x Uo (5)

La energía se incrementa por un factor de k para un voltaje dado. Se

puede comprender ese resultado como una consecuencia de la polarización molecular del dieléctrico. Si las moléculas del dieléctrico son polares, es decir poseen momentos dipolares permanentes, estos momentos están originalmente orientados al azar. La presencia del campo eléctrico existente entre las placas del condensador obliga a la alineación de los momentos en la dirección del campo debido a que experimentan la acción de un par de fuerzas. La medida de esa alineación depende de la fuerza del campo y de la temperatura.


Aparato

Marca

Capacidad

Apreciación

Capacitor

Fuente

Voltímetro

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PROCEDIMIENTO Y TABLA DE DATOS:

1. Se conecta el capacitor de placas paralelas a una fuente de corriente continua y se deja que transcurra un tiempo adecuado hasta que se cargue totalmente el condensador.

2. Desconectar el capacitor de la fuente.

3. Introducir el dieléctrico, medir la diferencia de potencial entre las placas y anotar en la tabla 1.

4. Proceder de la misma manera con los otros dieléctricos.

TABLA 1. Dieléctrico V1 V2 V3

[V] [V] [V]


1. Determinar el valor de la carga cuando el capacitor está lleno de aire.

2. Con la diferencia de potencial de la tabla 1, determinar la capacitancia del condensador, con los diferentes dieléctricos colocados entre las placas.

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3. Determinar el valor de la constante del dieléctrico empleado y comparar con los valores tabulados.

PREGUNTAS:

1. Una vez que se ha cargado un capacitor y se ha desconectado la energía, ¿Puede cambiar el dieléctrico del capacitor? Explique.

1. ¿Qué sucede con la diferencia de potencial al introducir entre las placas de un condensador un material dieléctrico? .Explique.

2. ¿Qué sucede con el valor de la diferencia de potencial cuando se triplica

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la separación que existe entre las dos láminas de un condensador que emplea como dieléctrico el aire luego de que ha sido cargado completamente?

3. Al introducir el dieléctrico en el interior de un condensador cargado ¿Se efectúa trabajo mecánico? ¿En qué caso es mayor ese trabajo?

4. Explique la teoría molecular de las cargas inducidas en un capacitor cuando se introduce un dieléctrico en un capacitor.

5. Desarrolle las curvas características de carga y descarga de un capacitor

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en un circuito serie y en un circuito paralelo.

6. ¿Qué tipos de capacitores existen? y ¿Cuál es la diferencia entre ellos?

7. ¿Cuál es la forma correcta de descargar un capacitor?

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CONCLUSIONES (MÍNIMO 5): RECOMENDACIONES (MÍNIMO 5): BIBLIOGRAFÍA:

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