Universidad de Costa Rica

Facultad de Ciencias

Escuela de Física

Laboratorio de Física General II (FS-0311)

Ivannia Calvo

Grupo 007

Programa II Ciclo 2013

Informe 3

�Ley de Charles�

Mesa 4

Daybis Stuar Tencio González (B36946)

Daniela Tello Villegas (B16549)

Fecha de realización: 12 de octubre de 2013

Fecha de entrega: 15 de octubre de 2013

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Índice general

0.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

0.2. Procedimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

0.3. Equipo y materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

0.4. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

0.5. Muestra de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

0.6. Discusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

0.7. Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

0.8. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

0.9. Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

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0.1. Objetivos

Determinar experimentalmente el cero absoluto.

Comprender la Ley de Charles

0.2. Procedimiento

1. En caso de que no se encuentren las conexiones de la interface a su PC efectuadas,

proceda a realizar la conexión de la interface a la PC por el puerto USB, conecte la

misma a la toma de corriente de 110 V.

2. Conecte el sensor de presión absoluta a alguno de los puertos A, B ó C de la interface.

3. Conecte el sensor thermistor de temperatura a alguno de los puertos A,B o C de la

interface.

4. Proceda a activar la interface moviendo el interruptor colocado en su parte posterior

o derecha. En la PC active el programa DataStudio, seleccione español para mayor

facilidad, escoja crear nuevo experimento.

5. Proceda a conectar en la interface mostrada en la pantalla los respectivos sensores, tal

cual lo hizo físicamente, o sea a cada uno de los respetivos canales, para ello solo coloque

la �echa de su Mouse en el canal y déle click izquierdo, seleccione el respectivo sensor,

para el de presión, seleccione una velocidad de muestreo de 10 segundos, y en Medidas

selecciones Presión � canal (A, B ó C), para el de temperatura seleccione también una

velocidad de muestreo de 10 segundos, y en Medidas selecciones Temperatura � canal

(A, B ó C).

6. Conecte el sensor de presión a la manguera del aparato de cero absoluto y la clavija tipo

macho que este tiene al sensor de temperatura, y coloque la esfera del aparato del cero

absoluto dentro del recipiente plástico, como se muestra en la �gura 2.

7. En el recipiente plástico coloque agua lo más caliente posible, aproximadamente unos

90 °C a 100 °C. El nivel de agua debe ser tal que tape apenas la esfera del aparato de

cero absoluto. Figura 2: Colocación del equipo

8. En el programa Data Studio, seleccione del menú pantallas (inferior izquierdo) Grá�co,

selecciones el gra�co de temperatura contra tiempo, luego arrastre al eje del tiempo

desde el menú Datos el sensor de presión, de forma que la grá�ca que tendrá ahora es

la de temperatura en el eje y contra la presión en el eje x.

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9. Estando sobre seleccionado el sensor de temperatura sobre la ventana Datos, vaya al

menú Experimento, seleccione agregar pantalla, seleccione medidor digital, si se presiona

el botón de inicio en la ventana de DataStudio observará la temperatura en este indicador

(indicador digital de DataStudio), También puede seleccionar dicho medidor desde el

menú pantallas, en el lado izquierdo inferior.

10. Presione el botón de inicio de la parte superior del la ventana del programa DataStudio

para iniciar la toma de datos.

11. Agregue agua fría o trozos de hielo al baño de agua caliente, aproximadamente dos o tres

cubos cada 10 o 15 segundos, si se llenará mucho el recipiente que contiene el aparato

del cero absoluto, puede sacar parte del agua, eso si, no deje descubierta la esfera del

aparato del cero absoluto. Continué hasta que la temperatura sea cercana al 0 °C.

12. Una vez que la temperatura sea cercana al 0 °C y las variaciones dadas son muy dis-

tanciadas (temperatura constante) detenga la toma de datos, dando click en el botón

detener del programa Data Studio.

0.3. Equipo y materiales

Recipiente de diámetro no menor de 25 cm

Aparato del cero absoluto (pasco � TD � 8595)

Plantilla eléctrica y/o generador de vapor (pasco -TD-8556)

Sensor de presión absoluta (pasco � Cl � 6532A)

Sensor de temperatura de acero inoxidable (CI6605) o thermistor sensor (pasco � Cl �

6527A)

ScienciaWokshop interface 750

Hielo, aproximadamente unas 4 tazas por mesa

Recipientes varios (beaker de 1000 ml, de 400 ml, 30 ml y 10 ml)

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0.4. Resultados

Grá�ca 1. Relación entre la temperatura y la presión

Fuente: Elaboración propia, 2013.

Muestra Supuesto cero absoluto (±12) K Porcentaje de error (%)1 248 9,21

Tabla 1. Cero absoluto y su porcentaje de error

Fuente: Elaboración propia, 2013.

0.5. Muestra de resultados

Cálculo del porcentaje de error:

Porcentaje de error = 100 · Tteo − Texp

Tteo

= 100 · (273, 15K − 248K)

273, 15K= 9, 21%

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0.6. Discusión

El instrumento con el que se realiza la determinación del cero absoluto se basa en el

principio del comportamiento del gas ideal, ya que dentro de la cámara se encuentra un gas

que se comporta como ideal y es por ello que si no se toma en cuenta la expansión térmica

de la esfera con la que se determina, las únicas variables termodinámicas que �uctúan son la

temperatura y la presión interna del gas encerrado; ahora si se toma en cuenta las condiciones

anteriores la relación entre la presión y la temperatura tendrá una regresión lineal bastante

apreciable; como se nota en la grá�ca 1 la relación no es tan evidentemente lineal sino que

hay una cantidad considerable de dispersión de los datos, la misma puede ser causada por

que el sistema no es totalmente adiabático y que la expansión volumétrica de la esfera existe,

además los materiales que se estuvieron analizando tienen propiedades distintas en diferentes

lugares del globo además otro factor importante es el de la incertidumbre asociada que para

el dato obtenido es de 12 K lo cual es considerablemente alto ya que la temperatura podría ser

260 K o de 236 K, otro dato que permite conocer la e�cacia de las mediciones es el coe�ciente

de correlación de la grá�ca, el mismo se nota que no es aproximadamente uno lo que induce

a que el estudiante piense que la relación lineal que predice la teoría no se cumpla debido a

las variaciones de los alrededores del sistema.

Si se nota el dato de porcentaje de error mostrado en la tabla 1, se reconoce que apesar de los factores anteriormente mencionados pueden generar una gran variación en ladeterminación del cero absoluto, en este caso no es tan apreciable sino que se aproxima deuna manera bastante correcta ya que su valor es bastante razonable, un 9,21%.

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0.7. Cuestionario

¾Qué es el cero absoluto?

El cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible y se caracteriza por la total

ausencia de calor. Es la temperatura a la cual cesa el movimiento de las partículas. Aquí el

nivel de energía es el más bajo posible. El cero absoluto (0 K) corresponde aproximadamente

a la temperatura de �273.16 ºC. Nunca se ha alcanzado tal temperatura y la termodinámica

asegura que es inalcanzable.

¾Que es una escala de temperaturas?

En la actualidad se emplean diferentes escalas de temperatura; entre ellas están la escala

Celsius, la escala Fahrenheit, la escala Kelvin. En la escala Celsius, el punto de congelación

del agua equivale a 0 °C, y su punto de ebullición a 100 °C. Esta escala se utiliza en todo

el mundo, en particular en el trabajo cientí�co. La escala Fahrenheit se emplea en los países

anglosajones para medidas no cientí�cas y en ella el punto de congelación del agua se de�ne

como 32 °F y su punto de ebullición como 212 °F. En la escala Kelvin, la escala termodinámica

de temperaturas más empleada, el cero se de�ne como el cero absoluto de temperatura, es

decir, -273,15 °C. La magnitud de su unidad, llamada kelvin y simbolizada por K, se de�ne

como igual a un grado Celsius.

¾Indique un procedimiento para construir un Termómetro?

Los termómetros iniciales que se fabricaron se basaban en el principio de la dilatación, por

lo que se pre�ere el uso de materiales con un coe�ciente de dilatación alto de modo que, al

aumentar la temperatura, la dilatación del material sea fácilmente visible. El mineral base

que se utilizaba en este tipo de termómetros ha sido el mercurio encerrado en un tubo de

cristal que incorporaba una escala graduada.

¾Cómo se exterioriza la dilatación térmica en sólidos, líquidos y gases?

La mayoría de los objetos se dilatan (contraen) cuando se aumenta (disminuye) su tempera-

tura. En escala microscópica, la dilatación térmica de un cuerpo es consecuencia del cambio

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en la separación media entre sus átomos o moléculas. Al aumentar la temperatura del sólido,

los átomos vibran con amplitudes más grandes y la separación promedio entre ellos aumenta,

dando por resultado que el sólido como un todo se dilate cuando aumente su temperatu-

ra. Por lo general, los líquidos aumentan su volumen al aumentar la temperatura y tienen

coe�cientes de dilatación volumétrica aproximadamente 10 veces más grandes que el de los

sólidos. El agua es la excepción a esta regla. En el caso de los gases:

1. Si la temperatura T se mantiene constante, su presión P es inversamente proporcional

a su volumen V, es decir PV = constante; esta es la ley de Boyle de los gases.

2. Si la presión P del gas se mantiene constante, su volumen V es directamente proporcional

a la temperatura T, es decir V/T = constante; esta es la ley de Charles de los gases.

3. Si el volumen V se mantiene constante, la presión P del gas es directamente proporcional

a su temperatura T, es decirP/T = constante; esta es la ley de Gay-Lussac de los gases.

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0.8. Conclusiones

A pesar de los inconvenientes técnicos a la hora de realizar la práctica se pudo comprobar

satisfactoriamente lo que enuncia la teoría sobre el cero absoluto, y como se relacionan

las variantes de temperatura, presión y volumen.

El contar con más materiales (hielo) podría permitir mejores resultados y un acerca-

miento más acorde a la realidad.

Las condiciones presentes en el laboratorio son su�cientes para observar y comprobar la

variación del volumen de un gas con la presión cuando la temperatura permanece, aun

cuando se utilice una fórmula para un gas ideal, que en la vida real no se presenta.

Aunque la relación entre volumen y temperatura de un gas se puede observar en el

laboratorio, para obtener un resultado aceptable de la Ley de Charles necesita de mejores

condiciones que la del laboratorio.

0.9. Referencias

Young, Hung D. y Roger Freedman (2009). �Física universitaria volumen 1�. (12 th ed.).

Pearson Educación, México.

Marion, Jerry B. (1996). �Dinámica clásica de las partículas y sistemas�. Barcelona: Ed.

Reverté

Resnick, R. y David Halliday (2000). �Física Vol. 1�. (4th ed.). Grupo Patria Cultural.

,México, D.F.

Figueroa R. (2010) �Manual de prácticas de laboratorio�. San José

Paul G. Hewitt Addison Wesley (1999). �Física � Principios y Aplicaciones �� D. Gian-coli - Prentice Hall- México.

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