Termometro de gas

PRÁCTICA 1
TERMÓMETRO DE GAS
OBJETIVO
Comprobación de las leyes de los gases ideales. Verificación del funcionamiento del
termómetro de gas a presión constante. Estimación del de cero absoluto de temperaturas.
MATERIAL NECESARIO
- Termómetro de gas.
- Bomba de vacío con manómetro.
- Camisa de vidrio conectada con el baño.
- Termómetro digital.
- Baño termostático con termómetro decontacto.
INTRODUCCIÓN TEÓRICA
Ecuación de estado de los gases ideales
A presiones inferiores o del orden de la presión atmosférica (y si las temperaturas son del
orden del ambiente o mayores), las variables de estado de los gases están relacionadas entre sí
de una manera simple. Esta relación, obtenida inicialmente en forma experimental, pero que
se obtiene también teóricamente en FisicaEstadística se denomina ecuación de estado de los
gases ideales, y se puede escribir como
pV = nRT (1)
donde n es el numero de moles, R = 8,314 J/mol K es la constante universal de gases, T la
temperatura termodinámica o absoluta (medida en kelvin),V el volumen y p la presión. Por
tanto, medidas de presión (a V cte) o volumen (a p cte) permiten determinar la temperatura
absoluta o termodinámica.Ambas relaciones son lineales en la temperatura, como puede
comprobarse de la ec. (1).
Si V0 es el volumen del gas a 0 ˚C, dividiendo la ec. (1) por pV0 = nRT0, donde T0 =
273.15 K, obtenemos la expresión
T = T0
V
V0 (2)
que constituye el fundamento del termómetro de gas ideal a presión constante.
Ley de Boyle-Mariotte
En procesos a temperatura constante, o isotermos, la ecuación de estado(1) se reduce a
pV = cte (3)
que también se conoce como ley de Boyle-Mariotte. Ésta es una de las leyes experimentales
que condujo a la ec. (1). La primera parte de la práctica consiste en comprobar que el gas
contenido en el capilar se comporta de acuerdo con la ec. (3) a temperatura ambiente.1.2
El cero absoluto de temperaturas. Coeficiente de dilatación de los gases
En procesos a presiónconstante, o isobaros, la ec. (1) se reduce a V ∝ T. Esta relación de
proporcionalidad es válida también aún cuando la temperatura se exprese en la escala Celsius,
de modo que una gráfica de V frente a t es una recta. Si utilizamos como referencia la
temperatura ambiente ta, y denotamos por Va el volumen del gas a la misma, la ecuación de
esta recta es
V = Va (1 + α'Δt) (4)
donde Δt ≡ t − taes el incremento de temperatura respecto a la ambiente y α' es una constante
de proporcionalidad. Despejando de la ec. (4), el punto de intersección de la recta V(t) con el
eje de temperatura (V = 0) nos permite obtener que la temperatura más baja alcanzable (es
decir, el cero absoluto de la temperatura termodinámica) en la escala Celsius es
t0K = ta − 1
α' . (5)
A modo de comentario final,cabe recordar que el coeficiente de dilatación se define como
α = 1
V 
  ∂V
∂T
p
(6)
y no es constante. En concreto, en el caso de los gases se puede comprobar de la ec. (1) que α
= 1/T. La integración aproximada de la ec. (6) suponiendo α cte. conduce a V ≈ Va (1 + αΔt)
que es la expresión empleada habitualmente para dar cuenta de la dilatación térmica de los
cuerpos y que sólo esválida en un pequeño rango de temperaturas. La ec. (4), sin embargo, es
exacta para gases ideales y el significado de α' puede deducirse integrando exactamente la ec.
(6).
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Termómetro de gas
El termómetro de gas (a volumen o a presión constantes) es un termómetro primario ligado a
la escala de temperaturas absolutas. El termómetro de la práctica consiste en unvolumen de
aire seco encerrado por una gota de mercurio, que actúa de émbolo, dentro de un capilar
calibrado. (La gota de mercurio puede sacarse invirtiendo el termómetro, ya que un filtro de
vidrio sinterizado impide que se salga del tubo. No está recomendado que esto lo realice el
alumno).
En la parte superior del termómetro existe un abombamiento con silicagel, para secar el
aire que...