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jueves, 16 de agosto de 2018

M12S4 Proyecto Integrador: Experimentando con las leyes de los gases

Proyecto Integrador: Experimentando con las leyes de los gases.
Reporte de práctica: Ley de Charles & Gay Lussac
Alumno: Elber González López

Facilitador: José Blas Ron Limón
Modulo 12 semana 4 Grupo: M12C4G7-666


Introducción
El siguiente proyecto tiene entre otros objetivos el de ampliar nuestro conocimiento con un experimento que nos permita comprender el tema de los gases y sus leyes, sus formulas y las dinámicas que existen entre sus moléculas; previamente recordaremos un poco de lo que es en definición un gas:
"Se denomina gas al estado de agregación de la materia en el que las sustancias no tienen forma ni volumen propio, adoptando el de los recipientes que las contienen". Las moléculas que constituyen un gas casi no son atraídas unas por otras, por lo que se mueven en el vacío a gran velocidad y muy separadas unas de otras, explicando así las propiedades:
Las moléculas de un gas se encuentran prácticamente libres, de modo que son capaces de distribuirse por todo el espacio en el cual son contenidos. Las fuerzas gravitatorias y de atracción entre las moléculas son despreciables, en comparación con la velocidad a que se mueven las moléculas.
Los gases ocupan completamente el volumen del recipiente que los contiene.
De los tres estados de las materias, en el estado gaseoso las interacciones entre sus partículas son mínimas, por lo que es en este caso donde el estudio y la interpretación de los resultados obtenidos son menos complicados. Como resultado de tales estudios se ha llegado a establecer una serie de generalizaciones empíricas que se incluye bajo la denominación de leyes de los gases, las cuales describen el comportamiento de dichas sustancias en determinadas condiciones especiales.
Si un gas es introducido en un recipiente cerrado, sus moléculas se moverán según las consideraciones de la teoría cinética molecular, con una velocidad que aumentará con la temperatura.
Finalmente con el experimento comprobaremos la teoría de la ley de Charles & Gay-Lussac, al demostrar como aumenta el volumen de nuestro globo, al aumentar la temperatura al interior de la botella.
Teoría
Los gases reaccionan más rápidos y drásticamente a los cambios en el entorno que los sólidos y los líquidos, este comportamiento nos permite utilizarlos para muchas aplicaciones prácticas en nuestra vida diaria. Las propiedades que poseen los gases son volumen, temperatura y presión. La ley con la cual trabajaremos será la ley de Charles ya que esta nos comenta que el volumen de un gas se incrementa de manera directa cuando la temperatura aumenta. O dicho de otra manera “A presión constante, el volumen de la masa de un gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas” Esta ley surge en 1787 con los experimentos que le permitieron ver que el volumen de un gas aumenta a mayor temperatura y su creador fue Jacques Charles. Nos puede ayudar a resolver algún problema donde se tenga el volumen y temperatura, o si buscamos el nuevo volumen a mayor o menor temperatura. Su fórmula es la siguiente: 𝑉1/𝑇1 = 𝑉2/𝑇2 Y lo que nos representa es que si tenemos un volumen de gas V1, que se encuentra a una temperatura T1 y variamos el volumen del gas hasta V2 entonces la temperatura cambiara a T2. Por lo tanto esta es la fórmula que nos ayudara a explicar nuestro experimento.
¿De dónde surge?
En 1787, Jack Charles estudió por primera vez la relación entre el volumen y la temperatura de una muestra de gas a presión constante y, observó que cuando se aumentaba la temperatura el volumen del gas también aumentaba y que al enfriar el gas, el volumen disminuía. Esta Ley fue primeramente formulada por Jacques Charles en 1787, que descubrió que la relación del volumen de un gas con la temperatura era: V = V0 (1 + α t) donde V0 es el volumen del gas a 0ºC, t la temperatura (ºC) y
Una constante para todos los gases. Los trabajos de Charles, que no fueron publicados, cayeron por casualidad en manos de Joseph-Louis Gay-Lussac, quien repitió los experimentos de Charles y publicó el resultado en 1802. Esta Ley es en realidad un caso particular de la Ley de los gases ideales (también llamada ley de los gases perfectos) cuando la presión no varía (es decir durante un proceso isobárico).

¿Qué problema resuelve?
Es una de las leyes que nos explica como los gases tienden a expandirse cuando se calientan. Los problemas de Charles se trabajan en escala absoluta, es decir la temperatura debe estar en grados Kelvin, para ello (esto no es problema), solo debemos sumar 273 a las temperaturas que tenemos en grados Celsius también conocido como centígrados. Cuando aumentamos la temperatura del gas las moléculas se mueven con más rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Esto quiere decir que el número de choques por unidad de tiempo será mayor. Es decir, se producirá un aumento por un instante de la presión en el interior del recipiente y aumentará el volumen el émbolo se desplazará hacia arriba hasta que la presión se iguale con la exterior.
Actualmente ha resuelto varios problemas de termodinámicas y tiene un extenso uso en la industria y en áreas de generación de energía
¿Que representa?
Lo que Charles descubrió es que, a presión constante, el cociente entre el volumen y la temperatura de una cantidad fija de gas, es igual a una constante.
P = presión
V = volumen
R = constante de los gases = 0,0821 [atm L / mol K]
n = número de moles
T = temperatura absoluta (temperatura en Kelvin)
En 1848 William Thomson, propuso una escala de temperatura absoluta, ahora conocida como escala Kelvin. En esta escala, 0 K, que es conocida como cero absolutos, es igual a -273,15 oC. En términos de la escala Kelvin, la ley de Charles puede expresarse como sigue: El volumen de una cantidad fija de gas mantenida a presión constante, es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

V = Constante*T        o       V/T = Constante


Con P y n constantes. Ahora demostraremos la ley de charles y Gay Lussac por medio de su experimentación. En el medimos magnitudes como volúmenes y temperaturas por métodos experimentales para luego ser comparados con los valores que predice la teoría. Además, determinamos experimentalmente el valor de cero absolutos por métodos gráficos y no gráficos. Teniendo en cuenta lo hecho nuestra principal conclusión es: En gas a presión constante el volumen es directamente proporcional a la temperatura. En el siguiente experimento emplearemos la ley de Charles, esta ley dice que, si se mantiene la presión constante, el volumen del gas aumentará en la misma proporción en que aumenta su temperatura insoluta.


V/T=Constante  V1/T1=V2/T2
P/T=Constante  P1/T1=P2/T2

Si un globo se llena de aire, se volverá más pequeño (su volumen disminuirá) si se enfría, pero se volverá más grande (su volumen aumentará) si se calienta. El aire (gas) de dentro del globo adquiere un volumen menor si el globo se enfría, y un volumen mayor cuando el globo se calienta. Cuando usas la ley de Charles, la presión del aire (gas) exterior debe mantenerse igual (ser constante) porque la presión de afuera influye en la presión del gas que está en el globo.

Materiales para nuestro experimento:








Una botella de plástico







Globo








Estufa









Una olla con un poco de agua








Recipiente



Procedimiento:
Lo primero que hare será colocar el globo en la parte de arriba de la botella de plástico.


Después colocaremos la olla con un poco de agua en la estufa y prenderemos el quemador donde colocaremos la olla. Dentro de la olla pondremos la botella para ver qué es lo que sucede con el globo.


Precaución:

Tengan cuidado con el agua de la olla ya que se pondrá muy caliente y la botella de plástico se estará moviendo por el constante burbujeo del agua.
Te recomiendo usar unas pinzas o en su defecto guantes para manipular los elementos del experimento, nunca esta por demás hacer énfasis en nuestra seguridad y de quienes nos ayudan en dicho proyecto,
Enseguida vemos como el vapor generado dentro de la botella hace que el globo se empiece a llenar, por lo cual se comienza a levantar y a inflar (aumenta su volumen debido al incremento de la temperatura.


Como observamos va de menos a más, según aumente la temperatura de la estufa y se comience a calentar el interior de la botella esto hará que aumente la presión ejercida en las paredes del globo por lo que aumenta su volumen.


Resultados:
Al principio se puede ver que el globo se encuentra desinflado en la boca de la botella. Al pasar un poco el tiempo, la temperatura en el interior de la botella aumenta y nuestro globo comienza a incrementar su tamaño. Se puede observar en las imágenes que a mayor temperatura mayor volumen, es por esto que el globo consigue inflarse.
Después la pasamos al recipiente con agua fría y logramos que se desinflara totalmente, proseguimos a meterlo nuevamente a la olla y comenzó de nuevo a incrementar su volumen, lo retiramos del fuego aun un tanto inflado para comprobar nuevamente, pero esta vez a temperatura ambiente, como se restablecía nuevamente a su tamaño normal, al cabo de un pequeño rato, por lo que los resultados son satisfactorios.
Similar a esta operación quedo la nuestra:


Conclusiones:
Es importante destacar que comprobamos lo que nos menciona la ley de Charles, que a mayor temperatura el volumen aumenta y esto es lo que nos sucedió con nuestro experimento ya que al incrementar la temperatura de nuestra botella, el volumen del globo aumento, y después cuando dejamos enfriar la botella a temperatura ambiente, este volumen disminuyo a como estaba al principio. Conocer las leyes de los gases fue una experiencia buena y enriquecedora ya que comprendí lo valioso de estas leyes y la importancia que tienen estos principios en la vida cotidiana, aunque al principio me costó algo de trabajo identificarlas; ahora se mas de su evolución y uso en la historia de la humanidad. Además de que también puedo resolver los problemas que me pongan con mayor facilidad pues aprendí a aplicar sus formulas.
Referencias:
Todos los recursos a continuación nombrados, fueron revisados entre los días 12 y 17 de Junio del año 2017. Módulo 12. Matemáticas y Representaciones del Sistema Natural Unidad III. Ley De Los Gases Semana 3

Nota: Algunas imágenes fueron tomadas de google y sirven solo como referencia extra al experimento.