Gases Ideales

GASES IDEALES

LABORATORIO DE FÍSICA I

DINORA MONTOYA 21141153

INSTRUCTOR DANIEL ZELAYA

SAN PEDRO SULA, CORTÉS 07/06/2013

I.

OBJETIVOS

1. Comprender el comportamiento de gases ideales por medio de simulaciones. 2. Entender cómo afectan los cambios de temperatura, volumen, presión etc. el comportamiento de los gases ideales.

II. PRECAUCIONES EXPERIMENTALES 1. Poner los valores correctos en las aplicaciones para obtener los resultados deseados.

III. RESUMEN INTRODUCTORIO Por medio de simulaciones se estudia el comportamiento de gases ideales a lo largo de esta práctica se experimentó con diversos cambios que afectan el comportamiento de un gas ideal como ser su temperatura, volumen y presión.

Estudio Microscópico de un Gas Ideal 1.

Varíe el volumen y observe qué ocurre con las velocidades de las moléculas. Salve las imágenes correspondientes a tres valores de volumen, cada una con su correspondiente histograma de velocidades.

2. Utilice los botones ‘Reset to Equal’ y ‘Reset to Extreme’. Salve las imágenes inmediatamente posteriores a haber oprimido los respectivos botones. Equal speed

Extreme Speed

3. Trabaje ahora con tres valores de temperatura: el mínimo, el central y el máximo. Grabe las pantallas correspondientes en el momento en que en cada caso se haya alcanzado el equilibrio térmico. Temperatura Máxima

Temperatura Minima

Temperatura Intermedia

4. Para el volumen máximo y temperatura en el valor central, observe las pantallas que corresponden a gravedad mínima, intermedia y máxima. Salve las correspondientes pantallas. Gravedad Minima

Gravedad Máxima

Gravedad Intermedia

1) Haga un gráfico en que presente una molécula individual dotada del vector velocidad correspondiente; incluya en ese gráfico la gravedad para cada una de las tres opciones del procedimiento 4 y explique entonces el porqué de la disminución de la velocidad promedio con el aumento de la gravedad. La velocidad varia menos a una gravedad mínima, como pudimos observar hay un leve incremento en la presión por lo que eso ocasiona que a mayor gravedad la velocidad disminuya. Claro ejemplo de la relación de gravedad altura, entre mayor altura más fuerza de gravedad actúa sobre el objeto por lo que se desplaza más lento si viene en caída libre 2) En el procedimiento 1, ¿por qué no hay variación apreciable de la velocidad promedio de las moléculas, aunque para volumen pequeño parecen viajar más rápidamente? Hay variación debido a que las moléculas se encuentran encerradas en un espacio que no es muy grande y debido a eso la velocidad va cambiando cuando pega en las demás. 3) De las dos pantallas correspondientes al procedimiento 2, ¿cuál de los dos histogramas no deberá variar apreciablemente? ¿Por qué? (Dé sus razones en base al comportamiento microscópico del gas) ¿Qué tiene que ver eso con el equilibrio térmico? Explique cuál pantalla muestra el equilibrio térmico. El histograma del Reset to equal no varía apreciablemente porque los colores se mantienen casi iguales y las velocidades también se mantienen iguales también. Debido a esto los colores que muestran las moléculas son iguales para todas mostrando que no hay un cambio térmico. 4) Respecto al procedimiento 3, explique por qué todo el calor proveniente del foco calorífico se invierte íntegramente en aumentar la velocidad promedio de las moléculas. Las partículas adquieren mayor energía interna cuando se incrementa la temperatura, y debido a esto la presión aumenta y su velocidad también. 5) EXTRA ¿Por qué el histograma de velocidades siempre tiene la apariencia de una curva del tipo que ve en la figura? El movimiento de las moléculas dentro de un recipiente no siempre es el mismo varia bastante, entonces determinar la dirección de una partícula es indeterminable, entonces la gráfica tiene una similitud con una distribución binomial, primero se demuestra la velocidad y luego una velocidad promedio es por eso que la gráfica sube y luego baja y se mantiene estable.

Análisis cuantitativo Parte primera: Trabajo con las variables macroscópicas a. Presión-volumen para temperaturas de 173, 253, 293 y 313 K

b. Presión-inverso del volumen para temperatura de 20ºC con 2 moles de helio.

c. Presión-inverso de la temperatura para un volumen de 25 litros, 8.3 moles de He y 1.7 moles de Ne.

d. Volumen-temperatura de modo que la recta tenga 45º grados de pendiente (anote los valores de las variables que produjeron una pendiente de ese valor). P (atm) = 1.03 V (L) = 2.01 n (mol He) = 0.97 n (mol Ne) = 0.04 T (K) = 25

Parte segunda: Trabajo con las variables microscópicas a. Con ‘Enable Tracking’ analice la trayectoria roja de la molécula seleccionada y grabe la pantalla alusiva.

b. Coloque valores no nulos para cantidades de Helio y Neon, varíe la temperatura y analice el comportamiento del histograma de velocidades.

c. Manteniendo temperatura constante y cantidades también constantes de helio y neón, analice el comportamiento del histograma de velocidades y el comportamiento que observa en el movimiento de las moléculas tal como el ‘applet’ las presenta.

d. Coloque la temperatura en 45 K, tome para el helio n = 4 y para el neon n = 6 y ajuste el volumen en 36 litros. Cuente durante un minuto el número de choques de las moléculas azules sobre el pistón y el de las verdes y anote esos valores. Para que los resultados sean más precisos repita la misma operación cuatro veces, manteniendo las variables en los valores antes señalados, y utilice número promedio de choques después de las cuatro mediciones (se necesitan dos personas para esto). Molécula Cantidad de Choques Promedio

Verdes 90 88 87 84 87.25

Azules 86 81 82 88 84.25

General: Describa la actividad del gas, considerando el comportamiento de: 

Los fenómenos microscópicos de átomos y moléculas: movimiento, colisiones. Las partículas siempre se encuentran en movimiento y su velocidad es proporcional a la temperatura. Los gases tienen partículas que están mas dispersas si se compara con un solido.



La influencia de esos fenómenos en las correspondientes variables microscópicas (velocidad, momentum, fuerza, energía) los efectos finales en las variables macroscópicas (presión, volumen, temperatura). El momentum se relaciona con la cantidad de choques que hay entre ellas. La presión es proporcional al volumen, si se reducia el volumen y la presión aumentaban. La velocidad es proporcional a la temperatura.

Respecto a la parte primera del procedimiento experimental: 1) Describa cómo podría hacer para medir la constante universal de los gases, R, manejando de manera adecuada este „applet‟. Utilizando los valores P=1atm V=22.40 n=1mol T= pV=nRT R=pVnT R=(1.01)(22.40)1(273)=0.085Jmol*k

en

condiciones

ideales. L 273

2) Presente la pantalla de los gráficos combinados del inciso a.

3) Explique por qué las gráficas conforme mayor es la temperatura aparecen por encima de las anteriores. La velocidad es proporcional a la temperatura, al aumentar la temperatura hay mayor presión y por eso la gráfica va cambiando.

4) ¿Qué representa la pendiente en la gráfica del inciso b.? En el caso de la gráfica, ¿qué valor tiene esa pendiente (incluya las unidades correspondientes)? La pendiente esta descrita por P/(1/v)=nRT, Presión vs Inversa de Volumen Su valores son n=2mol, T=293 R=0.0821 P/(1/v)=48.14atm

5) ¿Qué tipo de curva se obtiene en el inciso c.? ¿Por qué necesariamente ha de ser ese tipo de curva? Se obtiene una curva de función racional

6) ¿Qué volumen ocupa el neón en el inciso c.? Y, ¿el helio? ¿Cuál es la presión que ejerce cada gas en ese inciso? V Ne= (20.179gmol)(1.7 mol)0.9 gL=38.11L pV=nRT p Ne=1.7 mol(0.0821 atm∙Lmol∙K)(275.25 K)38.11 p He=8.3 mol.0821 atm∙Lmol∙K275.25 K2.075 L = 90 atm

L

=

1

atm

7) ¿Cuál debe de ser la relación entre la presión y el número de moles para obtener esa pendiente del inciso d.? Compruebe su respuesta con los datos que recogió en las barras de variables. La relación es n=P/R

Respecto a la segunda parte del procedimiento experimental: 1) En relación con la trayectoria en color rojo que obtuvo con „Enable Tracking‟: grabe la pantalla. Y con ella impresa explique el porqué de la forma de la trayectoria, los cambios de velocidad de la molécula después de los choques, tipo de choques efectuados por la molécula. La trayectoria de la particula es en línea recta hasta que choca con la pared o con otra particula, al suceder esto la particula agarra una dirección distinta y su velocidad cambia

2) ¿Influye el volumen en la velocidad promedio de las moléculas? ¿Por qué? El volumen no influye en la velocidad promedio, ya que la velocidad depende de la temperatura aplicada al entorno.

3) ¿Por qué siempre observa el histograma de velocidades azules, desplazado a la izquierda respecto del histograma verde? Las velocidades azules corresponden a las partículas del Neón. El neón es más pesado que el Helio, por lo que su velocidad es más lenta.

4) Asuma que las moléculas azules son de 1 mg y las verdes de 0.5 mg y calcule: 

La velocidad promedio de impacto de las moléculas. Velocidad media azules=8(1.363x10-25)(45).001π=3.9x10-11m/s2 velocidad media verdes=8(1.363x10-25)(45).0005π=1.7x10-11m/s2



La presión promedio que sufre el pistón. p=nNvmed23V pt=0.124 atm

Influencia de presión, volumen y temperatura en un gas ideal 1) Comience asignando valores T = 250, P = 15 y N = 30 y observe el movimiento del pistón.

2) Fijándose especialmente en los valores que da el ‘applet’ para el volumen, conforme cambian las otras variables, analice los procesos que se indican: a. Isobárico: Mantenga la presión constante (en P = 15) y varíe la temperatura como se muestra en la tabla. Anote los correspondientes valores de volumen que da el ‘applet’. Temperatura 250 260 270 280 290 300

Volumen 532 543 566 574 603 624

b. Isotérmico: Mantenga ahora invariada la temperatura en T = 300 y N=5, cambie la presión (según la tabla); registre los valores de volumen. Presión 10 20 30 40 49

Volumen 183 87 61 39 35

c. De variación de la cantidad de gas: Cambie ahora N (a los valores N=5 y después a N = 35) manteniendo P y T constantes. Temperatura

Presión

300

49

N 5 35

Volumen 35 233

RESULTADOS Y CUESTIONARIO 1) Grafique P vs. V para el proceso isotérmico.

Presión

Proceso Isotermico 60 50 40 30 20 10 0 0

50

100

150

200

Volumen

a. Explique el porqué de la forma de la curva obtenida. La temperatura permanece constante en un proceso isotérmico, el volumen es inversamente proporcional a la presión por lo que la curva se ve demostrada de esa manera mientras menor es la presión mayor es el volumen. b. Grafique P vs. V-1, calcule la pendiente y explique qué significado físico tiene ese valor que calculó. 60 50 40 30 20 10 0 0

1/200

1/100

3/200

La pendiente el 1597 y este valor es el trabajo.

1/50

1/40

3/100

2) Grafique V vs. T para el proceso isobárico.

Proceso Isobarico 640 Volumen

620 600 580 560 540 520 240

250

260

270

280

290

300

310

Temperatura

a. Explique el porqué de la forma de la curva obtenida. En un proceso isobárico la presión es constante y el volumen es proporcional a la temperatura, por eso la gráfica va en ascenso, si el volumen aumenta la temperatura también b. Calcule la pendiente y explique qué significado físico tiene ese valor que calculó. La pendiente es 1.85, el significa de este valor es el resultado de la constante k para la gráfica de Presión vs Volumen 3) Para cada proceso a., b. ó c. de 2. - 2) calcule y escriba los valores de volumen obtenidos y mediante una tabla, compárelos con los que da el „applet‟ y de una razón válida para justificar las diferencias. V=nRT/P

Valor Por Formula

Valor Por Applet

Temperatura 250 260 270 280 290 300 Temperatura 250 260 270 280 290 300

Volumen 4157 4323.28 4489.56 4655.84 4822.12 4988.4 Volumen 532 543 566 574 603 624

4) Mediante el ‘click’ del ‘mouse’ sobre cada botón, determine los que podríamos llamar errores instrumentales para P, T y N. Error Presión 1 Unidad Temperatura Unidades Volumen 3 unidades