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• Angel Acosta Torres

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UNITEC GASES IDEALES LABORATORIO VIRTUAL

FISICA II OBJETIVOS: • Hacer uso de applets para mejorar la comprensión del comportamiento de los gases ideales. • Analizar cualitativa y cuantitativamente el comportamiento de los gases ideales.

A. ANÁLISIS CUALITATIVO

ESTUDIO MICROSCÓPICO DE UN GAS IDEAL 1. EXPLICACIÓN GENERAL Al ingresar a http://www.falstad.com/gas/, verá el ‘applet’ que muestra la figura

La parte de la izquierda muestra un gas adentro de un cilindro con pistón móvil; los puntitos son las moléculas

Se muestra a continuación para qué sirve cada botón de la parte derecha del ‘applet’: Controla la modalidad del applet Detiene la animación Enciende la “estufa” Regresa los valores a los iniciales Modifica el volumen del contenedor Modifica la velocidad de simulación Sube/Baja el conteo de moléculas

Temperatura de la estufa

Aumenta/Disminuye la gravedad

Maneje los botones para familiarizarse con el funcionamiento del ‘applet’

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Varíe el volumen y observe qué ocurre con las velocidades de las moléculas. Salve las imágenes correspondientes a tres valores de volumen, cada una con su correspondiente histograma de velocidades. Para variar el volumen: El setup debe estar en “Free Expansión” y luego para subir el volumen deben ir haciendo clicks en el botón Expand.

2. Utilice los botones ‘Reset to Equal’ y ‘Reset to Extreme’. Salve las imágenes inmediatamente posteriores a haber oprimido los respectivos botones. Para hacer Reset to Equal y Reset To Extreme: El setup debe estar en el que necesiten. Para el “Reset to Equal” primero ponen el setup en Equal Speeds y luego le dan Reset. Ahí toman la impresión.

Para el “Reset to Extreme” primero ponen el setup en Extreme Speeds y luego le dan Reset. Ahí toman la impresión.

3. Trabaje ahora con tres valores de temperatura: el mínimo, el central y el máximo. Grabe las pantallas correspondientes en el momento en que en cada caso se haya alcanzado el equilibrio térmico. Coloque el Setup en: Random Speeds.

Para modificar temperatura, habilitan la opción del “Heater” y varían la temperatura.

4. Para el volumen máximo y temperatura en el valor central, observe las pantallas que corresponden a gravedad mínima, intermedia y máxima. Salve las correspondientes pantallas. Colocar el Setup en: Free Expansion. 5. Se le recomienda usar también el botón de ‘Stopped’ para ver detenidas las moléculas y entender mejor el comportamiento del gas en base a los colores de las moléculas.

3. CUESTIONARIO Y RESULTADOS Presente en su reporte las pantallas que se le pidió que grabaran y haga una breve descripción de lo que representan En relación con el procedimiento experimental, 1) Haga un gráfico en que presente una molécula individual dotada del vector velocidad correspondiente; incluya en ese gráfico la gravedad para cada una de las tres opciones del procedimiento 4 y explique entonces el porqué de la disminución de la velocidad promedio con el aumento de la gravedad. 2) En el procedimiento 1, ¿por qué no hay variación apreciable de la velocidad promedio de las moléculas, aunque para volumen pequeño parecen viajar más rápidamente? 3) De las dos pantallas correspondientes al procedimiento 2, ¿cuál de los dos histogramas no deberá variar apreciablemente? ¿Por qué? (Dé sus razones en base al comportamiento microscópico del gas) ¿Qué tiene que ver eso con el equilibrio térmico? Explique cuál pantalla muestra el equilibrio térmico. 4) Respecto al procedimiento 3, explique por qué todo el calor proveniente del foco calorífico se invierte íntegramente en aumentar la velocidad promedio de las moléculas. 5) EXTRA ¿Por qué el histograma de velocidades siempre tiene la apariencia de una curva del tipo que ve en la figura? (Lea en su libro lo relativo a distribución de velocidades moleculares, revise la sección 18.5):

B. ANÁLISIS CUANTITATIVO 1. EXPLICACIÓN GENERAL Al ingresar a http://intro.chem.okstate.edu/1314F00/Laboratory/GLP.htm, verá el ‘applet’ que muestra la figura:

La parte de la izquierda muestra un cilindro con su pistón móvil. En la parte derecha se encuentran los botones y las barras para manejar el ‘applet’:

En las barras para número de moles puede ver que hay una opción para trabajar con dos gases (helio y neón). El uso de los botones es evidente: conviene que los emplee para familiarizarse con ellos. El botón permite ver la trayectoria de una de las moléculas (se le asigna un punto rojo, el cual también es visible en el histograma de velocidades)

El botón tres opciones:

localizado en la zona

permite

a) la del histograma de velocidades (‘Velocities’), que aparece por ‘default’ al entrar en el ‘applet’; b) la de ‘Relations’ que permite graficación de una de las variable vs. otra de ellas, entre todas las posibles que permite manejar el ‘applet’, a través de las barras superiores (vea la de la figura, de abajo como un ejemplo)

c) la de ‘Help’, para cualquier explicación que pudiera necesitar Al trabajar con el modo de relaciones, ud. elige cuál será la variable dependiente que usará según la gráfica que desee. Por ejemplo para producir las gráficas superiores se trabaja así: a) Asegúrese de estar en el modo ‘Disable’ (entonces el botón ha de verse como ‘Enable’: esto es, si lo oprimiéramos habilitaríamos la graficación). Las opciones ‘Single’ y ‘Multiple’ permiten ver una o varias gráficas a la vez. En la figura, los modos que están operando son ‘Enable’ y ‘Multiple’ lo que permite la graficación de varias gráficas similares en forma conjunta. Las teclas al trabajar en esos modos están listas para que, si lo deseara, pudiera entrar en los otros modos. b) Seleccione la variable que tomará como dependiente (en este caso, el número de moles de helio) c) Seleccione para los ejes, las variables que graficará juntas (en este caso número de moles (total) y temperatura) d) Finalmente, determine los valores que fijará para el resto de variables (en la figura de arriba: p = 1.45 atm; V = 12.71 l; n(mol Ne) = 3.32)

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL o Parte primera: Trabajo con las variables macroscópicas Establezca valores adecuados en las respectivas barras para obtener las siguientes gráficas: a. Presión-volumen para temperaturas de 175, 253, 293 y 313 K (utilice modo ‘Multiple’ para que el ‘applet’ presente todas las curvas en el mismo diagrama) b. Presión-inverso del volumen para temperatura de 20ºC con 2 moles de helio c. Volumen-temperatura de modo que la recta tenga 45º grados de pendiente (anote los valores de las variables que produjeron una pendiente de ese valor) d. Presión-inverso de la temperatura para un volumen de 25 litros, 8.3 moles de He y 1.7 moles de Ne o Parte segunda: Trabajo con las variables microscópicas a. Con ‘Enable Tracking’ analice la trayectoria roja de la molécula seleccionada y grabe la pantalla alusiva. b. Coloque valores no nulos para cantidades de Helio y Neón, varíe la temperatura y analice el comportamiento del histograma de velocidades c. Manteniendo temperatura constante y cantidades también constantes de helio y neón, analice el comportamiento del histograma de velocidades y el comportamiento que observa en el movimiento de las moléculas tal como el ‘applet’ las presenta. d. Coloque la temperatura en 35 K, tome para el helio n = 2 y para el neón n = 2 y ajuste el volumen en 30 litros. Cuente durante un minuto el número de choques de las moléculas azules sobre el pistón y el de las verdes y anote esos valores. Para que los resultados sean más precisos repita la misma operación cuatro veces, manteniendo las variables en los valores antes señalados, y utilice número promedio de choques después de las cuatro mediciones. Referencia: Vea Libro de Sears capítulo 18 sección 3 y 5.

3. RESULTADOS Y CUESTIONARIO General: Describa la actividad del gas, considerando el comportamiento de: o los fenómenos microscópicos de átomos y moléculas: movimiento, colisiones o la influencia de esos fenómenos en las correspondientes variables microscópicas (velocidad, momentum, fuerza, energía) los efectos finales en las variables macroscópicas (presión, volumen, temperatura) Respecto a la parte primera del procedimiento experimental: 1) Describa cómo podría hacer para medir la constante universal de los gases, R, manejando de manera adecuada este ‘applet’. 2) Presente la pantalla de los gráficos combinados del inciso “a”. 3) Explique por qué las gráficas conforme mayor es la temperatura aparecen por encima de las anteriores. 4) ¿Qué representa la pendiente en la gráfica del inciso b.? En el caso de la gráfica, ¿qué valor tiene esa pendiente (incluya las unidades correspondientes)? 5) ¿Qué tipo de curva se obtiene en el inciso c.? ¿Por qué necesariamente ha de ser ese tipo de curva? 6) ¿Qué volumen ocupa el neón en el inciso c.? Y, ¿el helio? ¿Cuál es la presión que ejerce cada gas en ese inciso? Respecto a la segunda parte del procedimiento experimental: 1) En relación con la trayectoria en color rojo que obtuvo con ‘Enable Tracking’: grabe la pantalla. Y con ella impresa explique el porqué de la forma de la trayectoria, los cambios de velocidad de la molécula después de los choques, tipo de choques efectuados por la molécula. 2) ¿Influye el volumen en la velocidad promedio de las moléculas? ¿Por qué? 3) ¿Por qué siempre observa el histograma de velocidades azules, desplazado a la izquierda respecto del histograma verde? 4) Asuma que las moléculas azules son de 1 mg y las verdes de 0.5 mg y calcule: • La velocidad promedio de impacto de las moléculas • La presión promedio que sufre el pistón (Para resolver esta última pregunta, lea en su libro el tema relacionado con obtención de la presión mediante estudio microscópico de un gas, Capitulo 18, Distribución de Maxmell Boltzman.) Ver. 1_2015 OZ 9Marzo del 2015. Sus notas de laboratorio AQUI