Procesos termodinamicos

Procesos termodinámicos
Objetivo
El objetivo de esta propuesta es el estudio experimental de distintos procesos termodínamicos simples para un gas ideal (aire). En particular se estudiarán procesos adiabáticos, isotermos e isocóricos.

Introducción
Si sobre un sistema se realiza un proceso temodinámico de modo tal que no haya intercambio de calor (energía) con el medio circundante, se lodenomina proceso adiabático. Este tipo de proceso tiene lugar si el sistema estuviera perfectamente aislado térmicamente o bien si se lo realiza suficientemente rápido como para que no haya tiempo suficiente para que se produzca un intercambio de calor con el medio circundante. Si el sistema puede intercambiar energía con su medio y el proceso se realiza lentamente, de modo que el sistema tengatiempo de entrar en equilibrio térmico con el medio circundante, el proceso es isotérmico. Cuando el proceso es intermedio entre estos dos extremos (adiabático e isotérmico) el proceso se denomina politrópico. A presiones moderadas, P≤3 bar, casi todos los gases pueden ser considerados como ideales ideales. Esto significa que, entre otras propiedades, ellos se comportan siguiendo la ecuación de estado:P.V = n ⋅ R ⋅ T , (1)

donde, P es la presón absoluta del gas, V su volumen, T la temperatura absoluta, n el número de moles del gas y R la constante universal de los gases. Es importante considerar que para estudiar las propiedades de un gas es crucial evitar la presencia de vapores (agua) en el mismo, ya que los vapores no siguen la misma ley. Cuando a un gas se lo somete a distintos procesostermodinámicos, el mismo sigue trayectorias en un diagrama PV que son características del tipo de proceso al que es sometido. El cuadro siguiente indica algunos procesos usuales con sus ecuaciones características:

Física re-Creativa - S. Gil y E. Rodríguez

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Proceso Isotérmico Isocórico Isobárico Adibático Politrópico

Ecuación característica P.V = constante V = constante P=constanteP.Vγ = constante P.Vk = constante

Aquí g ( = cp / cv ) es el coeficiente adiabático del gas y k una constante que depende del proceso y cuyo valor esta comprendido entre 1£k£g. Para gases ideales con v grados de libertad (activos) por molécula se tienen: g ≅ (1+2/v).

Diseño experimental
Para este experimento es necesario disponer de un aparato que permita medir simultáneamente la presión,el volumen y la temperatura de gas simultáneamente. También es necesario disponer de un sistema de toma de datos por computadora (u otro modo automático de adquisición de datos) que pueda medir estos parámetros a una frecuencia de por lo menos 30 Hz. El dispositivo descripto en la referencia [1], como los equipos de compresión de gases provistos por firmas comerciales (Leybol, Pasco (Adiabatic GasLaw Apparatus - TD 8565), etc.) son adecuados para estos experimentos. Desde luego, otras realizaciones también son posibles. En esencia, el equipo necesario para este experimento consiste de un cilindro con un pistón que puede operarse manualmente para comprimir (o descomprimir) un gas, como se ilustra esquemáticamente en la Figura 1. El mismo dispone de sensores rápidos de medición de presión P,temperatura T y volumen V, capaces de ser conectados a una interface de conversión analógica-digital conectada a una PC. También se debe disponer de válvulas de entrada y salida del gas.

P,T, T P,V,V Gas

Figura 1. Equipo de compresión con válvula y sensores de medición de P,T y V..

Física re-Creativa - S. Gil y E. Rodríguez

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Actividad 1
Calibración de los sensores de P,T y VØ Como primer paso para el estudio de los procesos termodinámicos a analizar,
es preciso calibrar el equipo, de modo que los datos que se registren en la computadora puedan ser convertidos a valores de presión, volumen y temperatura en unidades estándares. En el caso del volumen del sistema, esto se puede lograr por medio del conocimiento de la geometría del sistema, es decir midiendo (o...