Latas que implotan

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, Tercero 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.

  • Tercero medio

Fuerza y movimiento: hidrostática.

El experimento a continuación pretende introducir conceptos termodinámicos a través de un experimento accesible y económico. Se interiorizarán conceptos como presión, volumen, condensación y presión atmosférica, enmarcados en la Teoría cinética de los gases, temática abordada en los subsectores de química y física. Para ello, se precisa de una lata vacía de bebestible de 300 cc, calentador (mechero, cocinilla, etc), guantes aislantes y agua. La sinergia entre lo simple de lo empírico y lo rápido de su realización, lo convierten en el experimento perfecto para chicos intrépidos.

Introducción

En la experimentación que sigue, se pretende interiorizar conceptos básicos de termodinámica. Somos testigos constantes de cómo el océano de aire en el que vivimos se manifiesta en el clima. Por ejemplo, cuando vemos El Tiempo observamos los lugares afectados por “altas presiones” con buen clima, en contraste con los que sufren de “bajas presiones” tienen mal clima. O cuando viajamos a las montañas en auto, tenemos que desinflar las ruedas antes de ascender para evitar la rotura de la cámara y quedar en panne en mitad de camino... ¿Qué ejerce este efecto? ¿Cómo nuestro cuerpo actúa ante estos fenómenos?

Recapitulando, el comportamiento de los gases y su efecto en nuestra vida diaria es innegable y vital. El efecto más básico, como lo es el de la presión atmosférica, lo estudiaremos mediante una lata parcialmente llena de agua y su implosión al variar abruptamente su temperatura, experiencia que, complementada a la teoría previamente enseñada en clases y ejemplos con datos duros, se engancha de manera automática en la mente de los espectadores. Las propiedades claves a observar en el experimento son:

Estados de la materia. Los estados de la materia corresponde a cómo se presenta un elemento de manera constante según las condiciones externas (presión, temperatura, etc.) e internas (enlaces químicos, estructura molecular, etc.). Los estados más conocidos son: sólido, líquido, plasma y gas.

Cambios físicos de la materia. Describe la transición entre un estado a otro de un elemento. El ejemplo más popular es el paso de líquido a vapor del agua, que vemos diariamente en nuestra cocina al hervirla. Estos cambios radican en la variación de al menos uno de estos factores: presión, volumen, temperatura. Los cambios estudiados en esta oportunidad serán: evaporación (líquido a gas) y condensación (gas a líquido).

Presión. La presión es básicamente la fuerza ejercida sobre un área determinada. Por ejemplo, estudiemos el caso de una mujer; ella pesa 60 kg. Todas las mañanas sale a correr, utilizando zapatillas deportivas. En ellas, puede distribuir todo su peso en las plantas de los pies. Después va al trabajo, y debe cambiarse los zapatos por unos con taco. Los cambios están a la vista: sus pies duelen considerablemente más y puede romper objetos con más fácilidad al pisarlos. La pregunta que nace acá es: ¿por qué posee más “poder” si ella sigue manteniendo el mismo peso, es decir, la misma fuerza sobre el piso?. Es simplemente debido al área donde se apoya esta fuerza: a menor área, mayor presión (tacos); a mayor área, menor presión (zapatillas).

Presión atmosférica. Nosotros estamos inmersos en un fluido, que llamamos aire. Éste, aunque no lo notemos, ejerce una fuerza constante sobre nosotros, en todos los lados de nuestro cuerpo. Pensar que encima cargamos con 12 kilómetros de partículas que permanentemente nos aplastan, resulta agobiante. Pero, todos los seres vivos y objetos que apreciamos a nuestro alrededor han creado uno u otro mecanismo para poder soportar esta gran fuerza “imperceptible”. El punto es que, a medida que subimos a la montaña esa columna de aire va disminuyendo, por lo tanto, ejerce menor presión sobre nosotros: es por eso que las cosas tienden a expandirse o a explotar (como el ejemplo que mencionábamos de las ruedas de un auto). Es así que podemos relacionar presión atmosférica, con la altura relativa.

Temperatura. Este concepto en física es puede ser complejo de definir en un inicio, pero podemos relacionarlo intuitivamente con otras ideas. Una idea de la temperatura, es la medición de la actividad molecular en los objetos o sustancias. Por ejemplo, moléculas con bastante movimiento (o energía cinética) dentro de una sustancia tiende a mostrar más temperatura en tal sustancia que aquellas sustancias en que sus moléculas permanecen inactivas: no tienen energía interna para moverse.

Ley de los gases ideales. Esta ley relaciona las variables presión, volumen, temperatura y número de partículas.

Procedimiento de armado del experimento

Material Precio Unitario Cantidad Precio Total Referencia
Cocinilla sobremesa Pragma $15.990 1 $15.990 Doite
Gas para cocinilla 227 gr. $980 1 $980 Doite
Lata de bebida $264 1 $264 Líder
Guantes aislantes $2490 1 $2490 Easy
Compotera pequeña $369 1 $369 Easy


Para realizar el experimento, se necesitarán los siguientes elementos mostrados además en la Figura 1.1:

  • Calentador: mechero, cocinilla o símil.
  • Gas respectivo para el calentador.
  • Fósforos.
  • Lata de bebestible vacía.
  • Guantes aislantes.
  • Compotera chica.
  • Agua fría (500 cc).

Para realizar el experimento, seguiremos las indicaciones a continuación:

  1. Sitúe los instrumentos antes mencionados, sobre una superficie estable, segura y limpia.
  2. Dé vuelta la tapa de la cocinilla, tal como se muestra en la Figura 1.2.
  3. Una vez instalado el gas en la cocinilla (como se indica en la Figura 1.3), o verificando que el sistema efectivamente funcione, proceda a encenderla (guíese por la Figura 1.4).
  4. Paralelamente, vierta agua en la compotera y llene parcialmente la lata con el mismo líquido.
  5. ¡Manos a la obra! Con los guantes aislantes puestos, ubique la lata sobre el quemador hasta que vea salir una cantidad considerable de vapor de agua. La idea es colmar la lata de vapor de agua. Observe la Figura 1.5.
  6. Posteriormente, voltee la lata y pósela rápidamente sobre el agua fría, tal como se ve en la Figura 1.6... ¡Voilá!: ante sus ojos, una implosión.

Como tip para el experimento, observe que la idea es que los niños experimenten y vean que no es trivial implotar la lata: factores como la inclinación de la lata con respecto al agua, o el grosor de la lata usada son determinantes para su efectividad.

Nótese además, que este experimento puede reproducirse en la cocina del hogar de cualquier espectador. Es por esto importante avisar previamente a apoderados sobre la realización de este experimento, para llamar a su colaboración en la realización en casa y así evitar posibles accidentes.

Por último, si no se posee una lata vacía cercana, se puede utilizar también una caja de jugo individual de cartón. No use recipientes de plástico o de materiales más rígidos: prevenga situaciones riesgosas.

Preguntas con respuestas

Pregunta 1. ¿Por qué la lata implota?

La lata al comienzo está llena de aire por dentro y por fuera. Uno al evaporar agua dentro de ella, expulsa el aire y deja partículas de vapor de agua. Al acercarla al agua fría, ese vapor se condensa, sin existir partículas de vapor de agua que ejerzan presión hacia afuera, siendo aplastada finalmente por la presión atmosférica.

Pregunta 2. ¿Cuál es la diferencia entre el aire y el vapor de agua?

El aire es un gas invisible que rodea el planeta Tierra y está compuesto principalmente por nitrógeno y oxígeno. En cambio, el vapor de agua es visible y se produce por la evaporación del agua (compuesto por hidrógeno y oxígeno). En invierno, tenemos ambos presentes en el aire, y es por esto que al expirar aire (a temperatura mayor del ambiente), el vapor de agua se condensa, creando una nube de vapor visible. Otro ejemplo, es ver la presencia del vapor en la tetera hirviendo entre el aire.

Pregunta 3. ¿Por qué nosotros no implotamos?

El cuerpo del ser humano, mediante la presión sanguínea y su composición (tensión de los capilares, densidad, etc), permiten que la presión dentro del cuerpo sea igual a la presión atmosférica.

Pregunta 4. ¿Tiene que ver este fenómeno también con la altura?

Efectivamente. Quienes han viajado a las alturas en auto, se han fijado que deben desinflar las ruedas antes de emprender viaje. O cuando llevamos cremas u otras cosas en el mismo viaje, al abrirlos en ese lugar notamos que las botellas se “inflan”, desparramándose el contenido. Esto es porque, la relación entre la presión atmosférica y la altura es inversamente proporcional, es decir, a mayor altura, menor presión se siente. Por lo tanto, las ruedas o los recipientes, al recibir menos fuerza desde afuera y la misma desde adentro, tienden a distenderse.

Ecuaciones termodinámicas relevantes

A continuación, indagaremos la teoría detrás: abarcaremos tópicos impartidos básicamente en enseñanza básica, y con más profundidad matemática en enseñanza media, recomendando altamente en el último caso construir el puente efectivo de comprobación entre las ecuaciones y la experiencia.

Si tenemos un gas ideal, aquél que se posee partículas que no se rechazan ni atraen y además chocan elásticamente, cumple con la siguiente relación:

Siendo P la presión, V el volumen, T la temperatura, R la constante universal de los gases ideales (aprox. 8,31 J/mol·K) y n el número de moles. Una manera alternativa de escribirlo es:

Siendo las variantes M, correspondiente al número de partículas y la constante de Boltzmann, equivalente a 1.38·10-23 J/K. Esta expresión es la que usaremos para analizar el fenómeno en detalle.

Nuestras condiciones son:

Temperatura. El agua al estar hirviendo, o en vapor de gas, su temperatura es del orden de 100 ºC ó 373 ºK.

Volumen. Una lata de bebida de 300 cc posee apróximadamente un largo h de 10 cm y un radio r de 1.5cm. Al introducir estos valores en la expresión del volumen de un cilindro, nos da:

Número de partículas. Esto lo calculamos sabiendo que se puede calcular mediante la siguiente expresión:

Siendo M la masa total, y la masa de cada molécula. La masa total la calculamos ocupando el concepto de densidad. ¿Cómo? con la siguiente expresión:

Con el dato de la densidad del vapor de agua, correspondiente a 0.6 kg/m3, y con el volumen antes calculado, obtenemos la masa total M = 42·10-5 kg.

Por otro lado, la masa molecular es 18,01 uma, o ma = 29,89 10-27 kg. Finalmente, obtenemos el número de partículas:

Si consideramos que dentro de la lata, se condensa apróximadamente la mitad o más del agua, tenemos que N es 7·1014.

Presión. Dentro de la lata, tenemos que las partículas anteriormente calculadas ejercen una presión sobre las paredes de ésta. Acudiendo a la Ley de los gases ideales, obtenemos que la presión es P = 0,006 Pa. Comparado con el exterior, donde hay presión atmosférica de 101325 Pa, es evidente que la lata recibe un golpe gigantesco desde el exterior, explicando así su implosión.

Llevemos estos números a ejemplos cotidianos, para ello evaluemos la fuerza total ejercida sobre la lata. Sabemos que la relación entre la fuerza F sobre un área A ejerce una presión P, de la siguiente manera:

Por lo tanto, la fuerza ejercida será la multiplicación del área afectada, por la presión hecha. Así obtenemos:

Por lo tanto:

Si pensamos en nuestro peso, suponiendo que tenemos una masa de 70 kg y que la aceleración de gravedad es 10 m/s, obtenemos alrededor de 700 N. Es decir, ni siquiera esta persona ejerce la fuerza que ejerce la presión atmosférica sobre la lata: ¡la presión atmosférica es muy poderosa!

Resumen de ecuaciones importantes

En resumen, tenemos 3 ecuaciones para estudiar este fenómeno termodinámico. Primero, la definición de presión en función de la fuerza aplicada F sobre un área A:

También, la expresión de la Ley de Gases Ideales, que relaciona la presión P, ejercido sobre un número de partículas N que ocupa un volumen V a temperatura T:

Donde es la Constante de Boltzmann. El número de partículas N lo podemos desprender de la masa total M y la masa atómica del elemento:

<math>N = \frac{M}{m_a}</math>

Así como la densidad relaciona la masa M y el volumen V:

Extensiones del experimento

Este experimento, tiene algunas variantes interesantes de experimentar. Por ejemplo, se podría determinar la dureza de una lata u otro según la resistencia que oponga ante la presión atmosférica.

Además, se podría cambiar el líquido con otro, para estudiar su reacción y así determinar propiedades químicas de los líquidos puestos.

Finalmente, un punto interesante de observar es la relación entre el grado de inclinación de la lata, y su efectividad al comprimirse: claramente al tener un ángulo no perpendicular al agua, el aire alcanza a meterse en la lata llena de vapor de agua, no permitiendo su total compresión.

(Articulo escrito originalmente por Claudia Araya)