Experimento: procesos termodinámicos

Autor: S. Gil y E. Rodríguez.
Fuente: Física re-creativa.

Para cursos “un poquito” avanzados. El objetivo de este experimento es el estudio experimental de distintos procesos termodinámicos simples para un gas ideal (aire). En particular se estudiarán procesos adiabáticos, isotermos e isocóricos.
Si sobre un sistema se realiza un proceso termodinámico de modo tal que no haya intercambio de calor (energía) con el medio circundante, se lo denomina proceso adiabático. Este tipo de proceso tiene lugar si el sistema estuviera perfectamente aislado térmicamente o bien si se lo realiza suficientemente rápido como para que no haya tiempo suficiente para que se produzca un intercambio de calor con el medio circundante.
Si el sistema puede intercambiar energía con su medio y el proceso se realiza lentamente, de modo que el sistema tenga tiempo de entrar en equilibrio térmico con el medio circundante, el proceso es isotérmico. Cuando el proceso es intermedio entre estos dos extremos (adiabático e isotérmico) el proceso se denomina politrópico.
A presiones moderadas, casi todos los gases pueden ser considerados como ideales. Esto significa que, entre otras propiedades, ellos se comportan siguiendo la ecuación de estado: P.V = n × R×T , donde P es la presión absoluta del gas, V su volumen, T la temperatura absoluta, n el número de moles del gas y R la constante universal de los gases. Es importante considerar que para estudiar las propiedades de un gas es crucial evitar la presencia de vapores (agua) en el mismo, ya que los vapores no siguen la misma ley.
Cuando a un gas se lo somete a distintos procesos termodinámicos, el mismo sigue trayectorias en un diagrama PV que son características del tipo de proceso al que es sometido.
Para este experimento es necesario disponer de un aparato que permita medir simultáneamente la presión, el volumen y la temperatura de gas simultáneamente.
También es necesario disponer de un sistema de toma de datos por computadora (u otro modo automático de adquisición de datos) que pueda medir estos parámetros a una frecuencia de por lo menos 30 Hz. El dispositivo, como los equipos de compresión de gases provistos por firmas comerciales (Leybol, Pasco (Adiabatic Gas Law Apparatus - TD 8565), etc.) son adecuados para estos experimentos. Desde luego, otras realizaciones también son posibles.
En esencia, el equipo necesario para este experimento consiste de un cilindro con un pistón que puede operarse manualmente para comprimir (o descomprimir) un gas, como se ilustra esquemáticamente en la figura. El mismo dispone de sensores rápidos de medición de presión P, temperatura T y volumen V, capaces de ser conectados a una interface de conversión analógica-digital conectada a una PC. También se debe disponer de válvulas de entrada y salida del gas.
Primera actividad. Calibración de los sensores.
Como primer paso para el estudio de los procesos termodinámicos a analizar, es preciso calibrar el equipo, de modo que los datos que se registren en la computadora puedan ser convertidos a valores de presión, volumen y temperatura en unidades estándares. En el caso del volumen del sistema, esto se puede lograr por medio del conocimiento de la geometría del sistema, es decir midiendo (o conociendo) los valores del diámetro interno del cilindro y la altura del pistón.
Para calibrar el sensor de presión se puede usar un manómetro calibrado de mercurio o preferentemente uno tipo Bourdon. Conectando el manómetro calibrado al aparato, se realiza la calibración en condiciones estáticas, es decir, se comprime el gas con el pistón, se deja equilibrar el sistema y se miden el valor de presión en el manómetro y la tensión que produce en estas condiciones el transductor de presión.
A partir de estos datos se realiza la calibración del transductor. En el caso de la temperatura, se puede partir de la temperatura ambiente y hacer circular por el aparato un flujo de gas (aire) a distintas temperaturas. Esto puede lograrse usando una serpentina metálica (cobre preferentemente) sumergida en un baño de agua colocado en un termostato. En todo los casos debe evitarse el flujo de aire demasiado grande que pueda perjudicar a los sensores del aparato. Se debe tener mucha precaución en el manejo del equipo y discutir con el instructor el esquema de calibración antes de llevarlo a cabo.
Si ya se cuenta con una calibración confiable del sensor de temperatura, esta última calibración puede obviarse.
Segunda actividad. Procesos termodinámicos con otros gases.
Si se dispone de otros gases distintos que el aire, por ejemplo Helio, Argón, gas natural, etc., cargar el gas en el aparato de la figura, teniendo la precaución de que el contenido del cilindro contenga el nuevo gas en forma lo más pura posible. Para esto se puede utilizar el émbolo para purgar varias veces el recipiente. Una vez logrado el llenado con el nuevo gas, repetir el procedimiento.
Comparar los resultados con los valores obtenidos para g con el valor correspondiente para el aire.

Contiene cálculos y fórmulas demostrativas.

Para descargar este experimento hacer clic aquí: http://www.mediafire.com/?e4a7vg2uxsb41wr