¿Cuánto varía el volumen de los fluídos con la temperatura?

Objetivo

• Investigar el comportamiento de la
  dilatación de los fluidos con la
  temperatura.

Materiales /
Equipos

• Equipo de calentamiento.

• Soporte universal.

• Vaso de precipitados, 100
  ml.

• Vaso de precipitados, 250
  ml.

• Vaso de precipitados, 400
  ml.

• Matraz Erlenmeyer, 100 ml.

• Probeta graduada, 100 ml.

• Tubo de vidrio, 80 ml.

• Termómetro analógico (-
  10, + 10).

• 25 ml de glicerina.

• Clamp, Nuez doble.

• Varilla soporte
  metálica.

• Pinza universal.

• Tapón de goma, 1
  orificio.

• Tapón de goma, 2
  orificios.

• Tubo flexible, transparente , 7 por
  1,5.

• Pipeta con caperuza de goma.

• Tubo de vidrio, 250 mm.

• Papel milimetrado.

Fundamento
teórico

La temperatura es una magnitud referida a las nociones
comunes de caliente o frío. Por lo general, un objeto
más "caliente" tiene una temperatura mayor, y si
es frío tiene una temperatura menor. Físicamente es
una magnitud escalar relacionada con la energía interna de
un sistema termodinámico, definida por el principio cero
de la termodinámica. Más específicamente,
está relacionada directamente con la parte de la
energía interna conocida como "energía
sensible", que es la energía asociada a los
movimientos de las partículas del sistema, sea en un
sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A
medida que es mayor la energía sensible de un sistema, se
observa que está más "caliente"; es decir, que su
temperatura es mayor.

En el caso de un sólido, los movimientos en
cuestión resultan ser las vibraciones de las
partículas en sus sitios dentro del sólido. En el
caso de un gas ideal monoatómico se trata de los
movimientos traslacionales de sus partículas (para los
gases multiatómicos los movimientos rotacional y
vibracional deben tomarse en cuenta también).

Dicho lo anterior, se puede definir la temperatura como
la cuantificación de la actividad molecular de la
materia.

El desarrollo de técnicas para la medición
de la temperatura ha pasado por un largo proceso
histórico, ya que es necesario darle un valor
numérico a una idea intuitiva como es lo frío o lo
caliente.

Multitud de propiedades fisicoquímicas de los
materiales o las sustancias varían en función de la
temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado
(sólido, líquido, gaseoso, plasma), su volumen, la
solubilidad, la presión de vapor, su color o la
conductividad eléctrica. Así mismo es uno de los
factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las
reacciones químicas.

La temperatura se mide con termómetros, los
cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas
que dan lugar a unidades de medición de la temperatura. En
el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es
el kelvin (K), y la escala correspondiente es la escala Kelvin o
escala absoluta, que asocia el valor "cero kelvin" (0 K) al "cero
absoluto", y se gradúa con un tamaño de grado igual
al del grado Celsius. Sin embargo, fuera del ámbito
científico el uso de otras escalas de temperatura es
común. La escala más extendida es la escala Celsius
(antes llamada centígrada); y, en mucha menor medida, y
prácticamente sólo en los Estados Unidos, la escala
Fahrenheit. También se usa a veces la escala Rankine
(°R) que establece su punto de referencia en el mismo punto
de la escala Kelvin, el cero absoluto, pero con un tamaño
de grado igual al de la Fahrenheit, y es usada únicamente
en Estados Unidos, y sólo en algunos campos de la
ingeniería.

Experimento

• A. Calentamiento de
  agua.

A.1 Vierta 100 ml de agua en los vasos de
precipitados 100 ml y 250 ml, y 200 ml de agua en el de 400
ml.

A.2 Colóquelo en la rejilla el vaso
de precipitados de 250 ml.

A.3 Introduzca el termómetro en el
tapón de goma de dos orificios, hasta que el
vástago salga casi completamente.

A.4 En el otro orificio del mismo
tapón introduzca el tubo de vidrio largo de forma que por
debajo quede enrasado.

PROCEDIMIENTO 1

4.1 Llene el matraz Erlenmeyer casi hasta
el borde con agua fría.

4.2 Coloque el tapón en el matraz
Erlenmeyer. Debajo del tapón no debe quedar
aire.

4.3 En el vaso de precipitados de 250 ml
introduzca el matraz Erlenmeyer y sujételo con la pinza
universal tal que no toque fondo del vaso.

4.4 Caliente el agua a 50 ºC (vaso de
precipitados de 250 ml.) Anote lo que observe:

Se observa que la medida se ha
incrementado

En 17.5 cm.

4.5 Mida la variación del nivel del
agua: 17.5 cm.

4.6 Ahora, sumerja el matraz Erlenmeyer en
agua fría (vaso de precipitados 400 ml.)

Note sus observaciones:

Se observa que el nivel del agua va
bajando: 17.5 cm. Hasta 9 cm.

• B. Calentamiento del
  aire

MONTAJE

B.1 Coloque sobre la rejilla el vaso de
precipitados de 250 ml.

PROCEDIMIENTO 2

4.7 Vacíe el matraz Erlenmeyer y
séquelo bien.

4.8 Introduzca el tubo de vidrio
pequeño en el tapón de goma con un orificio, y
cierre con él el matraz.

4.9 Coloque el tubo de vidrio largo en el
soporte para tubos de vidrio, y sumérjalo en el agua (vaso
de precipitados de 100 ml.)

4.10 Empalme los dos tubos de vidrio con un
tubo flexible de unos 50 cm.

4.11 Sumerja el matraz Erlenmeyer en agua
previamente calentada a 50 º C (vaso de precipitados de 250
ml). Anote sus observaciones.

4.12 Luego, sumerja el matraz Erlenmeyer en
agua fría (vaso de precipitados de 400 ml.) Anote tus
observaciones:

La subida de agua por parte del matraz en
su inferior al vaso de precipitados de 250 ml.

4. 13 Espere a que el nivel del agua en el
tubo de vidrio, o en el tubo flexible, no
varíe.

Mida su altura: 98.6 cm.

• C. ¿Varía mucho el
  volumen del agua al calentarla?

PROCEDIMIENTO 3

4. 14 En el matraz Erlenmeyer vierta una
cantidad de agua fría (medida con la probeta), de manera
que quede unos 0.5 cm. Por debajo del borde. Anote este volumen
en la tabla.

4. 15 Cierre el matraz Erlenmeyer con el
tapón; cuide de no derramar agua, ni que quede aire debajo
del tapón.

4. 16 Marque el nivel del agua con un
rotulador o anótelo.

4. 17 Coloque el Erlenmeyer en un vaso de
precipitados y sujételo con la pinza universal, de manera
que quede lo más profundo posible.

4. 18 Llene completamente con agua el vaso
de precipitados.

4. 19 Lea la temperatura inicial del agua T
y anótela en la tabla.

4. 20 Caliente el agua con una llama baja.
Lea la variación del nivel del agua a 25ºC,
30ºC, etc., y anótela en la tabla de
valores.

Autoevaluación

PRIMER Y SEGUNDO EXPERIMENTO

5.1 ¿Cómo varía el
volumen del agua con la temperatura?

Según el cuadro, el volumen del agua
y la temperatura varían directamente
proporcional.

5.2 ¿Cómo varía el
volumen de aire con la temperatura?

El volumen de aire varía
inversamente proporcional.

5.3 Compare las variaciones de
volúmenes de agua y de aire.

El volumen de agua aumenta el volumen de
aire disminuye.

TERCER EXPERIMENTO

5.4 En cada uno de los casos calcule la
diferencia de temperatura con la temperatura inicial.

La diferencia es desde 25ºC a
75ºC entonces se da de 5 ºC en 5 ºC.

5.5 El diámetro interior del tubo de
vidrio es d= 0.5 cm.

5.6 ¿Cómo serían las
variaciones de volumen si el volumen inicial V0 fuera la
mitad?

V0 = 0.0295 se reduce a la mitad V0 =
0.0147 .El nuevo V0 = 0.029959 , es decir, disminuye.

5.7 Observe el termómetro.
¿Es lineal la relación entre la variación
volumétrica y la temperatura en la carga del
termómetro (alcohol)?

Sí varía
proporcionalmente.

Conclusiones

El cambio de la geometría del cuerpo
se da con la variación de la temperatura.

Sugerencias /
Recomendaciones

Los materiales sean iguales para todos los
grupos.

Bibliografía

• http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura

• http://www.monografias.com/trabajos/termodinamica/termodinamica

Dilatación
de gases

• I. OBJETIVO

• Calcular el coeficiente de
  dilatación térmica del aire.

• II. MATERIALES /
  EQUIPOS

• Tubo de vidrio de 30 cm. De longitud y
  1 mm. Diámetro.

• Mechero Bunsen.

• Vaso Pirex.

• Aceite.

• Agua.

• Regla.

• Termómetro.

• Agitador.

III. FUNDAMENTO TEÓRICO

Se consideran tres casos especiales de
dilatación en los gases, según permanezcan
constantes la presión, el volumen o la temperatura. Se
llama cero absoluto, la temparatura ideal de un gas en que
no ejerce ninguna presión; se calcula en -273º
C.  Las temperatura contadas a partir del cero absoluto son
las temperaturas absolutas. La ecuación general de los
gases perfectos nos sirve para relacionar en una sola
fórmula la temperatura, presión y volumen que
actúan sobre un gas, cuando las tres
varían.        

Casos de dialtación en los
gases

Los gases son mucho más dilatables
que sólidos y líquidos.  Si un gas aumenta de
temperatura el movimiento de sus moléculas aumenta, pero
si además está contenido en un recipiente; aumnta
el choque continuado de esas moléculas con las paredes del
recipiente provocando un aumento de presión. Por tanto hay
que tener en cuenta: temperatura, volumen y
presión.  Se pueden considerar tres
casos 

Temperatura Absoluta

Sabiendo que si aumenta la temperatura de
un gas aumenta la presión y que si la temperatarua
disminuye la presión también lo hace. Si
consideramos que la temperatura de un gas siguiese descendiendo
hasta un punto en el cual el gas ya no tienen ninguna
presión, este seria el cero absoluto, y se calcula
que corresponde a -273º C 

Si contamos las temperaturas a partir del
cero absoluto, se tienen las temperaturas absolutas sumando a la
temperatura t del cuerpo,  273 º C.  Esta es la
llamada escala Kelvin. Si un cuerpo está a -10ºC
estará a 263º Kelvin y si un cuerpo está a
20º C en grados Kelvin lo estár a
293º.

Experimento

1. Monte el equipo según el
diseño experimental, vierta agua al pirex.

2. Mida la altura del tubo a la temperatura
ambiente a la que se encuentra el agua.

Mida la altura a la cual se encuentre la
gota de aceite.

3. Caliente el agua. Determine el volumen
de aire por debajo de la gota 10ºC de temperatura. V= AL.
Anote sus medidas en la Tabla 1.

TABLA Nº 1

Autoevaluación

5.1 Averigüe y diga a qué se
deben los errores cometidos en este experimento.

El error de cálculo es debido al mal
planteo del experimento.

5.2 ¿Qué es un gas ideal?
Descríbalo sucintamente.

Un gas ideal obedece la ecuación
PV=nRT, es un conjunto de átomos o moléculas que se
mueven libremente sin interaccionar entre sí.

5.3 ¿Qué es un gas real?
Descríbalo sucintamente.

Son los que a condiciones ordinarias de
temperatura y presión se comportan como gases ideales,
pero si la temperatura es baja o muy alta, sus propiedades se
desvian en forma considerable obedeciendo la ecuación de
van der walls.

Conclusiones

No importa la temperatura que se encuentre
el gas, siempre que la presión sea constante.

Sugerencias /
Recomendaciones

Se recomienda, hacer mas rápido la
experiencia.

Bibliografía

• http://www.mailxmail.com/curso-iniciacion-fisica-calor/dilatacion-gases.

Comportamiento
térmico de las soluciones

• I. OBJETIVOS

• Investigar la disolución de una
  sustancia salina en H2O.

Equipos /
Materiales

• Equipo de calentamiento.

• Soporte para varilla de
  vidrio.

• Nuez doble.

• Calorímetro.

• Balanza universal, resolución
  1g.

• Probeta graduada, 100 ml.

• Vaso de precipitado, 400 ml.

• Matraz Erlenmeyer, 100 ml.

• Tubo de vidrio, 250 ml.

• Pipeta con caperuza de goma.

• Termómetro 1/10
  grados.

• Manguera flexible, transparente, 7 x
  1.5

• Cuchara, con mango de espátula,
  plástico tiosulfato sódico, 500 g.

• Hielo.

• Soporte universal.

• 2 Varillas de soporte, 250 y 600
  ml.

• Clamp.

• Agitador de vidrio.

• Balanza, resolución
  0.01g.

• Pinza universal.

• Vaso de precipitado, 250 ml.

• Paño.

• Tapón de goma.

• Tubo de vidrio, 80 mm.

• Gotero.

• Termómetro – 10 –
  110

• Martillo.

• Glicerina.

• Cloruro sodico.

Fundamento
teórico

Los fenómenos térmicos y
caloríficos forman parte de losfenómenos
físicos cotidianos. Es sabido que Calor y Temperatura
son sustantivos que están incorporados al lenguaje popular
y que raramente son utilizados de una forma
científicamente correcta. Frecuentemente se identifican o
bien se utilizan en definiciones circulares en las que uno hace
referencia directa al otro como sinónimo. Ese es el error
que se comete al afirmar que la temperatura "mide el
calor que hace", o cuando de una persona que tiene
fiebre se dice que "tiene calor".

Otras veces el calor se identifica con algún
ingrediente material de los cuerpos. Por eso se cierran las
ventanas "para que no se vaya el calor", o las
calorías se utilizan como medida del aporte no deseable de
materia, "lo que engorda", por parte de los alimentos a
las personas que los ingieren.

Los contenidos de esta Unidad Didáctica tratan
sobre los fenómenos térmicos y caloríficos
más elementales, definiendo los conceptos fundamentales
que permiten describir tanto correctamente a estos
fenómenos como realizar predicciones cuantitativas acerca
de su desarrollo.

Supongamos que tenemos que considerar el caso de la
búsqueda del equilibrio térmico entre cuerpos en
diferente estado físico. Este sería, por ejemplo,
el caso de un bloque de hielo en un recipiente con agua
caliente.

En fenómenos de esta naturaleza tenemos que
considerar que el calor ganado o perdido no se tiene por
qué emplear únicamente en variaciones de
temperatura, sino que puede haber un cambio de estado total o
parcial de alguno de los cuerpos implicados.

El principio de conservación de la energía
seguirá siendo válido, pero en el empleo de la
energía absorbida o perdida por cada cuerpo debemos contar
con la que se ha empleado en el cambio de estado.

En la escena que vamos a estudiar contaremos con hielo y
agua en cantidades y temperaturas también variables. Tras
realizar las actividades que se nos sugieren debemos estar en
condiciones de predecir la temperatura de equilibrio y la
cantidad de agua líquida y hielo existente cuando se
consigue el equilibrio. Hay que hacer notar que el tiempo que se
tarda en alcanzar el equilibrio depende de muchos factores
externos, de manera que el tiempo invertido por alcanzar el
equilibrio en la escena no tiene por qué corresponder con
un tiempo real.

Experimento

• A. Relación de la
  temperatura con la disolución de sal en
  agua.

MONTAJE 1

A.1 Monte el equipo calorímetro tal
como muestra el diseño experimental.

A.2 Coloque el termómetro (sin que
toque el fondo ni las paredes del calorímetro) y el
agitador en los orificios de la tapa del
calorímetro.

PROCEDIMIENTO 1

4.1 Con la balanza obtenga la masa de los
gramos de tiosulfato sódico (o del cloruro de sodio de
cucharaditas de dicho número) que indica en la tabla
1.

4.2 Siempre vierta 100 ml de agua en el
calorímetro.

4.3 Las lecturas de las temperaturas,
inicial y final, hágalas con un termómetro de 1/10
de grado.

4.4 Disuelva sucesivamente las cantidades
de sal señaladas en la tabla 1 y haga las lecturas de las
temperaturas.

• II. SEGUNDO EXPERIMENTO

B. ¿Por qué en las alturas de
los Andes en invierno se echa sal sobre el piso
helado?

MONTAJE 2

B1. Monte el equipo
calorímetro.

B2. Coloque el termómetro y el
agitador de la misma forma que en el montaje 1.

B3. Troce hielo con un martillo (primero
envuelva el hielo en un paño, a fin de que no salten los
trocitos).

PROCEDIMIENTO 2

Sal común con agua de
fusión

4.5 Coloque 100 ml de hielo en el
calorímetro.

4.6 Añada 20 ml de agua fría
y agite cuidadosamente la mezcla.

4.7 Haga la lectura de la temperatura del
agua, T1.

4.8 Añada 3 cucharaditas de sal y
agite cuidadosamente la mezcla.

4.9 Haga la lectura de la temperatura del
agua T2.

4.10 Añada otras 3 cucharaditas de
sal y agite cuidadosamente la mezcla.

4.11 haga la lectura de la temperatura del
agua, T3.

Tabla 2 Sal con agua de
fusión

4.12 Ahora, trabaje con sal y trozos de
hielo. Coloque alternadamente en el calorímetro capas
gruesas de hielo y capas finas de sal.

4.13 Agite la mezcla.

4.14 Haga la lectura de la temperatura. (T=
– 3ºC)

EXPERIMENTO 3

C. ¿Qué temperatura de
ebullición tiene una disolución de sal?

MONTAJE 3

C1. Monte el equipo
calorímetro.

C2. Vierta 70 ml de agua en el matraz
(eventualmente se coloca dos piedrecitas para no perturbar la
ebullición)

C3. Coloque el matraz sobre la rejilla,
sujételo con la pinza universal.

C4. Coloque el termómetro y el tubo
de vidrio corto en el tapón. Tape el matraz sin
apretar.

C5. Empalme el trozo de manguera flexible
de unos 50 cm en el tubo de vidrio corto y de su otro extremo en
el tubo largo.

C6. Sujete el tubo de vidrio largo, en
posición vertical, en el soporte para tubos de vidrio, y
colóquelo debajo del vaso de precipitados de 400
ml.

PROCEDIMIENTO 3

4.15 Encienda el mechero y haga hervir el
agua.

4.16 Haga la lectura de la temperatura del
agua T0.

4.17 Apague el mechero, y espero que el
agua deje de hervir.

4.18 Retire con cuidado el tapón del
matrazy añada3 cucharaditasde sal

4.19 Vuelva a colocar el
tapón.

4.20 Encienda el mechero y haga hervir la
solución.

4.21 Haga la lectura de la temperatura del
agua T1.

4.22 Haga la lectura de la temperatura
T2

Tabla 3 Sal común de
ebullición.

Autoevaluación

5.1 ¿Qué ocurre con la
temperatura al disolver distintas cantidades de sal en
agua?

La temperatura inicial del agua (25
ºC) en cada cucharada de sal disuelta en agua
disminuye.

5.2 ¿Cómo varía la
temperatura de ebullición del agua cuando está
disuelta con sal ?

Desde T0 a T1 se da diferencia de 2 grados
se evidencia el aumento de la temperatura del agua con
sal.

5.3 ¿Qué relación hay
entre el contenido en sal y la variación de
Temperatura?

La sal es un factor de diferencia en la
ebullición, al aumento de temperatura, en l afusion enla
disminución.

5.4 Al disolverse las sales
¿Cómo varía la temperatura?

La evolución del agua en su aumento
y en el agua en el decenso de temperatura.

5.5 A partir del concepto de
energía, con sus propias palabras, describa el
fenómeno observado.

En la fusión del agua
(pérdida de energía) y en la ebullición del
agua (ganancia de energía)

5.6 De lo trabajado ¿Qué
puede decir sobre la temperatura de congelación del agua
con sal?

La sal es un factor de cambio de
temperatura en ambos casos.

Conclusiones

La sal por ser la sustancia que hace variar
la temperatura de agua.

OBSERVACIONES/RECOMENDACIONES

Se debe tener cuidado al manejar los
instrumentos como el calorimetro, para obtener datos mas
precisos.

Bibliografía

• http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/calor/calor-indice.htm

• http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/calor/calor-equilibrio2.htm?3&1

Enviado por:

Bart