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Universidad de Costa Rica Facultad de Ciencias Escuela de Física Laboratorio de Física General II (FS-0311) Ivannia Calvo Grupo 007 Programa II Ciclo 2013 Informe 3 Ley de Charles Mesa 4 Daybis Stuar Tencio González (B36946) Daniela Tello Villegas (B16549) Fecha de realización: 12 de octubre de 2013 Fecha de entrega: 15 de octubre de 2013

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Índice general 0.1.

Objetivos

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

0.2.

Procedimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

0.3.

Equipo y materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

0.4.

Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

0.5.

Muestra de resultados

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

0.6.

Discusión

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

0.7.

Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

0.8.

Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

0.9.

Referencias

9

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

0.1.

Objetivos Determinar experimentalmente el cero absoluto. Comprender la Ley de Charles

0.2.

1.

Procedimiento En caso de que no se encuentren las conexiones de la interface a su PC efectuadas, proceda a realizar la conexión de la interface a la PC por el puerto USB, conecte la misma a la toma de corriente de 110 V.

2.

Conecte el sensor de presión absoluta a alguno de los puertos A, B ó C de la interface.

3.

Conecte el sensor thermistor de temperatura a alguno de los puertos A,B o C de la interface.

4.

Proceda a activar la interface moviendo el interruptor colocado en su parte posterior o derecha. En la PC active el programa DataStudio, seleccione español para mayor facilidad, escoja crear nuevo experimento.

5.

Proceda a conectar en la interface mostrada en la pantalla los respectivos sensores, tal cual lo hizo físicamente, o sea a cada uno de los respetivos canales, para ello solo coloque la echa de su Mouse en el canal y déle click izquierdo, seleccione el respectivo sensor, para el de presión, seleccione una velocidad de muestreo de 10 segundos, y en Medidas selecciones Presión  canal (A, B ó C), para el de temperatura seleccione también una velocidad de muestreo de 10 segundos, y en Medidas selecciones Temperatura  canal (A, B ó C).

6.

Conecte el sensor de presión a la manguera del aparato de cero absoluto y la clavija tipo macho que este tiene al sensor de temperatura, y coloque la esfera del aparato del cero absoluto dentro del recipiente plástico, como se muestra en la gura 2.

7.

En el recipiente plástico coloque agua lo más caliente posible, aproximadamente unos 90 °C a 100 °C. El nivel de agua debe ser tal que tape apenas la esfera del aparato de cero absoluto. Figura 2: Colocación del equipo

8.

En el programa Data Studio, seleccione del menú pantallas (inferior izquierdo) Gráco, selecciones el graco de temperatura contra tiempo, luego arrastre al eje del tiempo desde el menú Datos el sensor de presión, de forma que la gráca que tendrá ahora es la de temperatura en el eje y contra la presión en el eje x.

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9.

Estando sobre seleccionado el sensor de temperatura sobre la ventana Datos, vaya al menú Experimento, seleccione agregar pantalla, seleccione medidor digital, si se presiona el botón de inicio en la ventana de DataStudio observará la temperatura en este indicador (indicador digital de DataStudio), También puede seleccionar dicho medidor desde el menú pantallas, en el lado izquierdo inferior.

10.

Presione el botón de inicio de la parte superior del la ventana del programa DataStudio para iniciar la toma de datos.

11.

Agregue agua fría o trozos de hielo al baño de agua caliente, aproximadamente dos o tres cubos cada 10 o 15 segundos, si se llenará mucho el recipiente que contiene el aparato del cero absoluto, puede sacar parte del agua, eso si, no deje descubierta la esfera del aparato del cero absoluto. Continué hasta que la temperatura sea cercana al 0 °C.

12.

Una vez que la temperatura sea cercana al 0 °C y las variaciones dadas son muy distanciadas (temperatura constante) detenga la toma de datos, dando click en el botón detener del programa Data Studio.

0.3.

Equipo y materiales Recipiente de diámetro no menor de 25 cm Aparato del cero absoluto (pasco  TD  8595) Plantilla eléctrica y/o generador de vapor (pasco -TD-8556) Sensor de presión absoluta (pasco  Cl  6532A) Sensor de temperatura de acero inoxidable (CI6605) o thermistor sensor (pasco  Cl  6527A) ScienciaWokshop interface 750 Hielo, aproximadamente unas 4 tazas por mesa Recipientes varios (beaker de 1000 ml, de 400 ml, 30 ml y 10 ml)

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0.4.

Resultados

Gráca 1. Relación entre la temperatura y la presión Fuente: Elaboración propia, 2013.

Muestra

Supuesto cero absoluto (±12) K

Porcentaje de error ( %)

1

248

9,21

Tabla 1. Cero absoluto y su porcentaje de error Fuente: Elaboración propia, 2013.

0.5.

Muestra de resultados Cálculo del porcentaje de error:

P orcentaje de error = 100 ·

Tte´o − Texp (273, 15K − 248K) = 100 · = 9, 21 % Tte´o 273, 15K 5

0.6.

Discusión

El instrumento con el que se realiza la determinación del cero absoluto se basa en el principio del comportamiento del gas ideal, ya que dentro de la cámara se encuentra un gas que se comporta como ideal y es por ello que si no se toma en cuenta la expansión térmica de la esfera con la que se determina, las únicas variables termodinámicas que uctúan son la temperatura y la presión interna del gas encerrado; ahora si se toma en cuenta las condiciones anteriores la relación entre la presión y la temperatura tendrá una regresión lineal bastante apreciable; como se nota en la gráca 1 la relación no es tan evidentemente lineal sino que hay una cantidad considerable de dispersión de los datos, la misma puede ser causada por que el sistema no es totalmente adiabático y que la expansión volumétrica de la esfera existe, además los materiales que se estuvieron analizando tienen propiedades distintas en diferentes lugares del globo además otro factor importante es el de la incertidumbre asociada que para el dato obtenido es de 12 K lo cual es considerablemente alto ya que la temperatura podría ser 260 K o de 236 K, otro dato que permite conocer la ecacia de las mediciones es el coeciente de correlación de la gráca, el mismo se nota que no es aproximadamente uno lo que induce a que el estudiante piense que la relación lineal que predice la teoría no se cumpla debido a las variaciones de los alrededores del sistema. Si se nota el dato de porcentaje de error mostrado en la tabla 1, se reconoce que a pesar de los factores anteriormente mencionados pueden generar una gran variación en la determinación del cero absoluto, en este caso no es tan apreciable sino que se aproxima de una manera bastante correcta ya que su valor es bastante razonable, un 9,21 %.

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0.7.

Cuestionario ¾Qué es el cero absoluto?

El cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible y se caracteriza por la total ausencia de calor. Es la temperatura a la cual cesa el movimiento de las partículas. Aquí el nivel de energía es el más bajo posible. El cero absoluto (0 K) corresponde aproximadamente a la temperatura de 273.16 ºC. Nunca se ha alcanzado tal temperatura y la termodinámica asegura que es inalcanzable.

¾Que es una escala de temperaturas?

En la actualidad se emplean diferentes escalas de temperatura; entre ellas están la escala Celsius, la escala Fahrenheit, la escala Kelvin. En la escala Celsius, el punto de congelación del agua equivale a 0 °C, y su punto de ebullición a 100 °C. Esta escala se utiliza en todo el mundo, en particular en el trabajo cientíco. La escala Fahrenheit se emplea en los países anglosajones para medidas no cientícas y en ella el punto de congelación del agua se dene como 32 °F y su punto de ebullición como 212 °F. En la escala Kelvin, la escala termodinámica de temperaturas más empleada, el cero se dene como el cero absoluto de temperatura, es decir, -273,15 °C. La magnitud de su unidad, llamada kelvin y simbolizada por K, se dene como igual a un grado Celsius.

¾Indique un procedimiento para construir un Termómetro?

Los termómetros iniciales que se fabricaron se basaban en el principio de la dilatación, por lo que se preere el uso de materiales con un coeciente de dilatación alto de modo que, al aumentar la temperatura, la dilatación del material sea fácilmente visible. El mineral base que se utilizaba en este tipo de termómetros ha sido el mercurio encerrado en un tubo de cristal que incorporaba una escala graduada.

¾Cómo se exterioriza la dilatación térmica en sólidos, líquidos y gases?

La mayoría de los objetos se dilatan (contraen) cuando se aumenta (disminuye) su temperatura. En escala microscópica, la dilatación térmica de un cuerpo es consecuencia del cambio

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en la separación media entre sus átomos o moléculas. Al aumentar la temperatura del sólido, los átomos vibran con amplitudes más grandes y la separación promedio entre ellos aumenta, dando por resultado que el sólido como un todo se dilate cuando aumente su temperatura. Por lo general, los líquidos aumentan su volumen al aumentar la temperatura y tienen coecientes de dilatación volumétrica aproximadamente 10 veces más grandes que el de los sólidos. El agua es la excepción a esta regla. En el caso de los gases:

1.

Si la temperatura T se mantiene constante, su presión P es inversamente proporcional a su volumen V, es decir

2.

P V = constante;

Si la presión P del gas se mantiene constante, su volumen V es directamente proporcional a la temperatura T, es decir

3.

esta es la ley de Boyle de los gases.

V /T = constante;

esta es la ley de Charles de los gases.

Si el volumen V se mantiene constante, la presión P del gas es directamente proporcional a su temperatura T, es decirP/T

= constante; esta es la ley de Gay-Lussac de los gases.

8

0.8.

Conclusiones A pesar de los inconvenientes técnicos a la hora de realizar la práctica se pudo comprobar satisfactoriamente lo que enuncia la teoría sobre el cero absoluto, y como se relacionan las variantes de temperatura, presión y volumen. El contar con más materiales (hielo) podría permitir mejores resultados y un acercamiento más acorde a la realidad. Las condiciones presentes en el laboratorio son sucientes para observar y comprobar la variación del volumen de un gas con la presión cuando la temperatura permanece, aun cuando se utilice una fórmula para un gas ideal, que en la vida real no se presenta. Aunque la relación entre volumen y temperatura de un gas se puede observar en el laboratorio, para obtener un resultado aceptable de la Ley de Charles necesita de mejores condiciones que la del laboratorio.

0.9.

Referencias Young, Hung D. y Roger Freedman (2009). Física universitaria volumen 1. (12 th ed.). Pearson Educación, México. Marion, Jerry B. (1996).  Dinámica clásica de las partículas y sistemas . Barcelona: Ed. Reverté Resnick, R. y David Halliday (2000). Física Vol. 1. (4th ed.). Grupo Patria Cultural. ,México, D.F. Figueroa R. (2010) Manual de prácticas de laboratorio. San José Paul G. Hewitt Addison Wesley (1999).  Física  Principios y Aplicaciones   D. Giancoli - Prentice Hall- México.

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