PRÁCTICA 2 DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE ADIABÁTICO DEL AIRE POR EL MÉTODO DE CLEMÉNT- DESORMES

PRÁCTICA 2

DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE ADIABÁTICO DEL AIRE

POR EL MÉTODO DE CLEMÉNT- DESORMES

En termodinámica se llama proceso isotérmico a aquel durante el cual la temperatura permanece constante, es decir ΔT= 0; igualmente, proceso isocórico a aquel durante el cual la transformación se lleva a cabo manteniéndose el volumen constante, i.e., ΔV=0 y proceso adiabático aquel en el cual el sistema no intercambia calor con el medio, es decir ni toma ni cede calor, Q es cero, en este caso la energía del sistema solo es dependiente del trabajo que realiza éste.

dE=- w                 (1)

Si el trabajo solo es de expansión:

dE=-PdV         (2)

siendo la presión P la presión del sistema, para un gas ideal se tendría:

CvdT=-PdV        (3)

Si la temperatura varía en el proceso adiabático reversible y se considera un mol del gas, sustituyendo P se tiene:

CvdlnT=-RdlnV (4)

Donde Cv es la capacidad calorífica molar del gas ideal y se supone constante e independiente de T. Teniendo en cuenta ello e integrando entre los límites T1 y T2 y V1 y V2, se tiene:

CvlnT2/T1=RlnV1/V2        (5)

Se sabe también que para un mol de gas ideal Cp-Cv = R, entonces:

log T2/T1= (Cp/Cv -1) log V1/V2 (6)

donde:

[pic 1]                        (7)

γ= coeficiente adiabático del gas.

De acuerdo al primer principio de la termodinámica, todo gas que se expande rápidamente, contra la oposición de una fuerza exterior, realiza trabajo a costa de su energía interna, de acuerdo a esto para un gas ideal que evolucione adiabáticamente el producto PVγ se mantiene constante, donde P es la presión, V el volumen, y γ es la relación entre el capacidad calorífica molar  a presión constante y la capacidad calorífica molar a volumen constante.

El método de Clement-Desormes consiste en hacer evolucionar una masa de gas siguiendo dos procesos. El primer proceso es un proceso isoentrópico y el segundo, realizado inmediatamente después de concluir el primero, es un proceso a volumen constante, ver figura 1. Este método se basa en el enfriamiento que se produce en un gas cuando se lo expande en un proceso adiabático.  Dado que la expansión se produce de manera brusca, en ese pequeño lapso, no hay tiempo para que el sistema intercambie calor equivalente al trabajo que realiza en la expansión.

[pic 2]

Figura 1.

Objetivos

• Observar el efecto térmico de la expansión adiabática de los gases
• Determinar el coeficiente adiabático del aire ([pic 3]) realizando una expansión rápida

Desarrollo Experimental

[pic 4]

Figura 2

• Montar el aparato de acuerdo a la figura 2.
• Introducir aire, al botellón provisto de dos llaves (L1 y T) y conectarlo a un manómetro de agua. Cerrar la llave L1 cuando el aire introducido genere una presión mayor a la presión atmosférica.
• Dejar que el aire inyectado alcance la temperatura ambiente, lo cual se refleja en la constancia de la lectura manométrica.
• Anotar la presión P1.
• Abrir la llave T súbitamente, dejando que la presión descienda hasta igualar a la presión atmosférica (P2) e inmediatamente cerrarla.
• Durante la expansión, virtualmente adiabática, el aire se enfría, por lo que se debe dejar que este alcance la temperatura inicial. Anotar la presión final P3.
• Repetir las lecturas al menos 3 veces más.

La constante adiabática o coeficiente adiabático (γ) es calculado considerando las presiones medidas experimentalmente de acuerdo a:

P1/P2 = (P1/P3) γ

Conocimientos teóricos previos (para repaso)

• Procesos isotérmicos, isobáricos, isocóricos y adiabáticos de gases.
• Capacidades caloríficas a presión y volumen constante, para los gases, relación.
• Contenido energético de un gas ideal
• Efecto de la temperatura y la presión sobre la capacidad calorífica de un gas ideal
• Relación capacidad calorífica - temperatura
• Diferencia entre capacidades caloríficas molares
• Procesos adiabáticos
• Experimento Joule – Thomson para procesos adiabáticos.

Referencias Bibliográficas

1. Glasstone, S., Termodinámica para Químicos, Ed. Aguilar.
2. Atkins P.W., Fisicoquímica, Ed. Addison Wesley Iberoamericana

Lecturas sugeridas

Universidad Autónoma de Madrid, 2006, Laboratorio de Física de Procesos Biológicos, Coeficiente Adiabático del aire.

Universidad Carlos III de Madrid,  Escuela Politécnica Superior, Departamento de Ingeniería Térmica y de Fluidos,  Termodinámica técnica / industrial, 2004, Determinación del cociente de calores específicos (γ) de un gas.

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