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Experimentos > Jugando con la ecuación de los gases ideales

Categorías: Termodinámica
Palabras clave: Cambios de Estado, Presión, Temperatura


Autor/es

Physics League. Universidad de Valladolid

Qué se pretende demostrar

  • Estudiar los distintos cambios de estado en el agua, el CO2 y el alcohol a través de cambios de la presión y con la ecuación de los gases ideales PV=nRT.


Dirigido a

  • Secundaria
  • Universidad



Materiales necesarios

  • Jeringuillas sencillas de plástico
  • Bol con agua templada
  • Extintor de CO2 (puede estar caducado)
  • Bolsa de tela
  • Guantes protectores para el frio (guantes de nieve o ski)
  • Botella 5L vacía
  • Cámara de aire de rueda de bicicleta (puede estar pinchada)
  • Bomba de aire para hinchar ruedas de bici
  • Alcohol de heridas
  • Tijeras
  • Taladrador
  • Pegamento termofusible


Descripción

  • ¿A qué temperatura hierve el agua? En este experimento demostraremos que la temperatura de ebullición del agua depende de la presión a la que se encuentre. Calentamos ligeramente (~40ºC) agua y la vertemos en un bol. Con una jeringuilla cogemos un poco, y luego presionamos un poco el émbolo para eliminar cualquier burbuja aire que haya podido quedar dentro. Acto seguido, taponamos la boquilla de la jeringuilla con un dedo y tiramos del émbolo con fuerza. Observaremos que el agua en la jeringuilla empieza a burbujear. Esto es debido a que al tirar del émbolo hemos bajado drásticamente la presión y el agua comienza a hervir.
  • ¿Qué es el hielo seco? En este experimento estudiaremos la curva de estados del CO2 gracias a un extintor y crearemos hielo seco. En primer lugar explicar que el CO2 se encuentra dentro del extintor en estado líquido a temperatura ambiente por lo que su presión es bastante elevada. Al abrir la válvula y accionar el extintor, se produce una despresurización del CO2 pues de repente se encuentra a presión atmosférica y esto causa una disminución de la temperatura: en PV=nRT, si P disminuye rápidamente, T también. Ahora bien, dado que el gas se expande rápidamente por la habitación, su temperatura se eleva: V va aumentando rápidamente, y con ella T. Para impedir que el gas CO2 se expanda tan rápidamente, se procede a colocar una bolsa de tela (nunca de plástico pues reventaría) en la boca de salida y se sujeta fuertemente. Abrir el extintor durante unos 5 segundos. Al abrir la bolsa se observa un sólido blanco en el fondo: es CO2 sólido o hielo seco. Lo que ha ocurrido es que al colocar la bolsa de tela, el gas que sale a muy baja temperatura no se expande, dando lugar a la solidificación (a presión atmosférica el CO2 solo puede ser gas o sólido). Sacar el CO2 sólido a un recipiente y observar el proceso de sublimación.
  • Nube en una botella En este experimento haremos que un vapor de alcohol se condense de repente en una botella creando así una nube. Tomamos la válvula de cámara de aire y recortamos dejando parte de goma a su alrededor. Con un taladro, efectuamos un agujero en el tapón de la botella de manera que la válvula entre justa. Se pasa el tapón por la válvula de forma que la parte de goma quede en contacto con la parte interna del tapón y se sella con termofusible. Vertemos un poco de alcohol dentro de la botella y cerramos con el tapón. Agitamos la botella para ayudar a una mayor evaporación del alcohol. Aumentamos la presión dentro de la botella con la bomba de aire. Se aconseja ir probando de poco a poco para saber cuál es la presión adecuada. Sin desconectar el tapón de la bomba (para evitar que este salga disparado) abrimos el tapón y la botella y el vapor de alcohol junto con el aire en el interior de ésta sufrirá una descompresión instantánea. De nuevo, dado que P disminuye rápidamente, también disminuye la T, condensándose el vapor en el interior de la botella en gotitas muy pequeñas, formando una nube.


Existe alg�n riesgo

Hay que tener cuidado al manipular hielo seco debido a su baja temperatura. Por esto, aconsejamos durante todo el experimento el uso de guantes de protección y llevar los brazos cubiertos, pues pequeños trocitos de hielo seco pueden caer sobre la piel al sacarlo de la bolsa. También hay que tener cuidado de efectuar los experimentos con hielo seco en una sala que esté bien ventilada pues un exceso de concentración de CO2 puede causar mareos y desmayos.

 

En el experimento de la nube dentro de la botella, hay que tener cuidado con las presiones con las que se trabaja. Es aconsejable no empezar introduciendo mucho aire dentro de la botella pues corremos el riesgo de que explote. Al abrir el tapón para la despresurización hay que sujetar firmemente botella y tapón. Este experimento debe realizarse en una sala bien ventilada pues inhalar vapor de alcohol puede causar mareos



Imágenes

 


Enlaces

http://physicsleague.wordpress.com/



Observaciones

  • Al efectuar el experimento con la jeringuilla con agua, se debe vaciar la jeringuilla y volver a repetir todo el proceso. Intentar efectuar el vacío una vez que ya se ha hecho hervir el agua y hay vapor de agua en el interior no dará buenos resultados.

 

  • Una vez hemos conseguido crear hielo seco se pueden realizar una gran cantidad de experimentos con él. Se pueden echar unos trozos en agua caliente y ver como el vapor que se crea (mayoritariamente CO2), al ser más denso que el aire cae sobre la mesa y al suelo. También se puede ilustrar la razón por la cual se usan extintores de CO2 echando unos trozos dentro de un bol grande y en el fondo colocar una vela de té. Acto seguido invitar a un estudiante a que encienda dicha vela con un encendedor y verá cómo, cada vez que acerca la llama al fondo del bol donde se encuentra la vela, esta se apaga. La razón es que el CO2, al ser más denso que el aire, se queda en el fondo del bol, en vez de dispersarse en el aire y no lo vemos pues es invisible. Una llama, para arder necesita oxígeno del aire pero al llegar al fondo del bol donde ya solo hay CO2 y nada de oxígeno, la llama se consume. Este principio también se puede visualizar volcando un poco un bol donde haya hielo seco sobre una llama encendida de forma que el CO2 gas caiga sobre la llama y esta se apague.