Ampolleta y globo

De Física Itinerante
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Ficha del experimento
Autor(es) original(es) Claudia Araya
Área(s) abarcadas Termodinámica
Nivel de enseñanza Octavo Básico, Segundo Medio
Contenido curricular abordado
* Octavo Básico

Unidad 1. Materia y sus transformaciones: modelos atómicos y gases ideales.

  • Segundo medio

La materia y sus transformaciones: teoría cinética, propagación del calor.

A través del siguiente experimento, se introducirán conceptos de temperatura, energía, volumen y presión, enmarcándose en los gases ideales como introducción a la termodinámica. Para ello, se utilizará un montaje que consta de una unión entre una ampolleta con agua y un globo, los que al realizar contacto con la llama de una vela, se observa como el vapor de agua va ocupando lugar dentro del globo. Es decir, se logra inflar un globo sin necesidad de soplarlo directamente, ni bombearlo con un movimiento mecánico.

Introducción

Los conceptos de termodinámica son comunes al diario vivir del ser humano ya que, las 24 horas del día está inmerso en un fluido: el aire. De este, se predice diaramente su temperatura, o se habla de su relación con la presión cuando Chile va a jugar un partido en Bolivia pero, ¿qué es la temperatura?, ¿qué tiene que ver con la energía, la presión, el volumen?

Para simplificar el análisis del comportamiento de los gases, Joule y Krönig en forma independiente propusieron el siguiente modelo: confinar en un volumen V una cantidad de átomos o moléculas, como pequeñas esferas iguales que interactúan entre ellas y con las paredes mediante choques elásticos aleatorios (sin pérdida de energía ni moméntum). Si el tamaño de cada una es pequeña comparada con la distancia que las separa, entonces se habla del modelo de Gas ideal. (Demtröder, 2006), cuya relación se describe como:

Donde P es la presión, V el volumen, N el número de particulas, la constante de Boltzmann y T la temperatura.

Al desglosar su movimiento desde el moméntum que posee una partícula, al realizar un choque elástico con la pared con velocidad promedio v, se puede inferir la fuerza total F que realizan N partículas sobre la pared, y con ello, la presión (Serway, 1999):

Donde es la energía cinética traslacional promedio de la molécula. Al unir ambas expresiones, se puede inferir la siguiente relación entre energía cinética y temperatura:

Con estas relaciones aclaradas, es posible definir cada variable y las implicancias que tiene la variación de una en otra.

Energía cinética traslacional. Es la energía asociada al movimiento que tiene el objeto para moverse de un lado hacia otro, es decir, depende de la rapidez que porte. Por lo tanto, ésta es nula si un objeto está en reposo. Se mide en Joules (J).

Volumen. Espacio de tres dimensiones que ocupa un gas. Se mide en metros cúbicos (m3).

Presión. Es la fuerza neta ejercida sobre un área determinada. En este caso, es la fuerza que ejercen las partículas sobre las paredes del cuerpo de volumen V que las encierra. De la ecuación 2, se infiere que si éstas se mueven muy rápido debido a su alta energía, la presión que realizarán será alta también. Se mide en Pascal (Pa).

Temperatura. Magnitud asociada al calor (o energía cinética traslacional) que, comúnmente se usa para determinar si algo está frío o caliente, según un observador con temperatura intrínseca. Es decir, se utiliza para comparar el calor que poseen dos o más cuerpos. Se mide en Kelvin (K).

Procedimiento del armado del experimento

Material Precio Unitario Cantidad Precio Total Referencia
Ampolleta Clara $390 1 $390 Lider
Portalámpara con rosca $790 1 $790 Easy
Globo (pack de 10) $580 1 $580 Líder
Madera min 0.5 m2 $1.000 1 $1.000 Homecenter Sodimac
Adhesivo maderas

“No más clavos!”

$1690 1 $1690 Easy
Figura 2.1: Diagrama del soporte del experimento de expansión térmica.

Para armar este experimento, se necesitarán los siguientes implementos.

  • Ampolleta clara (es indiferente la marca y potencia que posea).
  • Globo.
  • Portalámpara.
  • Vela.
  • Abrasadera de plástico (cualquiera que pueda “abrazar” el soquete de la ampolleta).
  • Cortacartón.
  • Trozo de madera (20 x 15 cm).
  • Serrucho o sierra.
  • Adhesivo en cinta.
  • Adhesivo de madera.
  • Agua.

Para construir la base:

  1. Cortar con el serrucho o sierra, 3 trozos de madera de las siguientes dimensiones: uno de 15x10 (base), y dos de 15x5.
  2. Fijar las maderas como en la posición de la Figura 2.1, con el adhesivo para maderas favorito, y ayuda de cinta adhesiva en el periodo de secado.

Ampolleta:

  1. Se retira con ayuda del cortacartón la parte trasera de la ampolleta, con cuidado, siguiendo la línea de separación entre el vidrio y la parte metálica.
  2. Limpie los residuos.

Ensamble de ampolleta y globo:

  1. Se utiliza la parte tubular del portalámparas, desprendiéndola de cualquier parte externa.
  2. Se enrosca la ampolleta, y luego, se le agrega agua en su interior (hasta la mitad aproximadamente).
  3. Por el otro lado, se fija el globo.

Montaje final:

  1. Finalmente, se fija el ensamble de ampolleta y globo a la estructura de madera, con una abrasadera.
  2. Bajo ella, se coloca un trozo de vela, de forma tal que la llama pueda calentar el agua que se encuentra al interior de la ampolleta.

La base anteriormente propuesta es sugerida, cualquier tipo de base que afirme de forma segura la ampolleta es posible de usar.

Tenga en consideración que a pesar de que ponemos agua en la ampolleta, esta puede sufrir quemaduras debido a la exposición del fuego. Por esto, es recomendable tener una ampolleta de repuesto, o limpiar oportunamente la superficie de vidrio.

Preguntas con respuestas

Pregunta 1. ¿Por qué el globo se infla?

Tal como se explicó anteriormente, el globo se va llenando porque el vapor de agua va ocupando lugar dentro de él, que realiza la misma presión en todas las direcciones, logrando una forma esférica.

Pregunta 2. ¿El agua desaparece?

El agua no desaparece, sólo transforma su estado desde líquido a vapor. Tal como dicta la Ley de conservación de la materia: “La materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma”.

Pregunta 3. Cuando el agua líquida se convierte en vapor de agua, ¿es por fuerzas repulsivas entre las partículas?

Cuando una materia cambia de estado, en este caso de líquido a vapor, no es porque exista una fuerza repulsiva entre las partículas que se desencadene en el alejamiento de ellas y que eso se traduzca en el cambio de estado. Para entender lo que ocurre, vamos al caso más extremo: un sólido. En él, la distribución de partículas se puede modelar como un tejido, donde las partículas tienen lugares fijos e interactúan con las otras. Cuando se aplica calor a este sistema, las partículas comienzan a vibrar en su posición, hasta que llega el punto que se libera de ese punto fijo. En cambio, al pasar a un estado gaseoso, la distancia entre partículas es mayor, permitiendo más libertad de movimiento, llenando el volumen completo del recipiente que lo contiene. En conclusión: las partículas siguen unidas por la fuerza de atracción entre ellas, sólo que ahora pueden moverse uno con respecto a los otros.

Pregunta 4. Cuando un gas se enfría, ¿las partículas se acercan entre ellas por fuerzas atractivas?

Las partículas, tal como se vio en las fórmulas más arriba, se muestra que la temperatura está muy relacionada con la velocidad que ellas portan. Por lo tanto, al disminuir la temperatura de, por ejemplo, el vapor de agua que se encuentra en un punto inicial a 100°C, las partículas van dejando de moverse tan rápido produciendo que disminuya la presión que ellas realicen hacia las paredes del recipiente. Esto ocasiona que el volumen disminuya. Es decir: a menor temperatura del gas, menor presión de las partículas hacia las paredes del contenedor, lo que no se traduce en mayor fuerza atractiva entre ellas.

Pregunta 5. ¿Las moléculas de gas se expanden cuando se calientan?

Las partículas, ya sean átomos o moléculas, al calentarse no es que su cuerpo se vea afectado en el aumento de tamaño sino que las partículas entre sí, se van alejando.

Extensiones del experimento

Para una explicación interactiva sobre el comportamiento de los gases ideales, se recomienda visitar la emulación NetLogo Ideal Gas en la web. http://ccl.northwestern.edu/netlogo/models/run.cgi?ConnectedChemistry7IdealGasLaw.691.530

Referencias

Demtröder, W. (2006) “Atoms, molecules and photons” pp.17. Springer-Verlag Berlin Heidelbger, Alemania.

Serway, R. (1999) “Física Tomo I” pp.589. McGraw Hill Interamericana Editores, México.

Wilensky, U. (2005). “NetLogo Connected Chemistry 7 Ideal Gas Law model” http://ccl.northwestern.edu/netlogo/models/ConnectedChemistry7IdealGasLaw. Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling, Northwestern University, Evanston, IL.

Wilensky, U. (1999). “NetLogo”, http://ccl.northwestern.edu/netlogo/. Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling, Northwestern University, Evanston, IL.

Horton, C (2004) “Student Misconceptions and Preconceptions in Chemistry”, Arizona State University, Estados Unidos.