Objetivo: Utiliza la ecuación de la primera ley de la Termodinámica para analizar mediante un simulador diversos procesos termodinámicos en un gas ideal.
La primera ley de la Termodinámica puede expresarse en la forma Q = ΔEi + Ws, donde Q es la cantidad de energía comunicada al sistema, Ws el trabajo realizado por el sistema y ΔEi la variación de su energía interna. Si el sistema es un gas ideal, entonces Ei está dada únicamente por la energía cinética de traslación de sus moléculas y, por tanto, solo depende de su temperatura absoluta. Los gases nobles pueden constituir una muy buena aproximación al gas ideal. Puesto que se trata de moléculas monoatómicas, la energía cinética de ellas es solo de traslación. Si la presión no es muy alta, la energía potencial de interacción puede despreciarse. Por otra parte, si la temperatura no es muy elevada, en los procesos de variación de P, V y T no interviene la energía del interior de las moléculas.
En esta Práctica de Laboratorio utilizarás el mismo simulador que en la Práctica 5. Accede a la dirección:
http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/GasInBox/index.html.
Examinarás varios procesos termodinámicos en un gas noble a la luz de la primera ley de la Termodinámica.
Proceso isobárico.
1. En la parte superior de la ventana del simulador haz clic en las flechas verticales de “Environment” y observa las indicaciones del manómetro y el termómetro. ¿Qué sucede con el volumen, la presión y la temperatura del gas?
Desplaza el pistón hacia la derecha y observa la gruesa flecha verde que aparece y desaparece en la parte inferior izquierda del recipiente. ¿El gas recibe o entrega energía mediante calor? ¿Cómo es el trabajo realizado por el gas, positivo negativo? ¿Cómo varía su energía interna? Ahora desplaza el pistón hacia la izquierda y responde las mismas preguntas.
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2. Haz pasar al gas de la situación Environment 2 a la Environment 3 y a partir del valor de presión indicado por el manómetro y la variación de volumen del gas, calcula el trabajo realizado por él (Si lo requieres, repasa las dos primeras páginas del apartado 5.2 del libro de texto). Para calcular la variación del volumen del gas, recuerda que en esta simulación la profundidad y la altura del recipiente son ambos de 1 m y la longitud de la parte ocupada por el gas se mide con la regla. Contrasta el resultado de tu cálculo con el valor del trabajo reportado por el simulador en la parte inferior derecha de la ventana (Work Done By Gas). 3. Utiliza la ecuación de la primera ley de la Termodinámica y la información de la parte inferior derecha (Heat Absorbed) para calcular la variación de energía interna del gas al pasar de Environment 2 a Environment 3. Contrasta el resultado anterior con el que se obtiene a partir de la fórmula Ei = 3/2 NmRT. (El valor de R es 8.31 J/(mol.K) ) Proceso isotérmico.
4. ¿Qué sucede con la variación de la energía interna del gas en un proceso isotérmico? Argumenta tu respuesta. ¿En los procesos isotérmicos, cómo se relacionan la cantidad de energía recibida por el gas mediante calor y el trabajo que realiza el gas? Contrasta tu respuesta a esta última pregunta experimentando con el simulador. Para ello, por ejemplo, selecciona Environment 3 y haz que aumente el volumen de gas dando un clic sobre la flecha horizontal del extremo superior derecho de la ventana. Compara los resultados del trabajo hecho por el gas (Work Done By Gas) y de la energía recibida por él (Heat Absorbed), reportados por el simulador.
Proceso adiabático.
5. Selecciona Environment 1 y después, en el menú del simulador haz clic sobre Uninsulated (no aislado) a fin de que el simulador pase a la opción de aislado térmicamente (Insulated). Da un clic en la flecha horizontal del extremo superior derecho de la ventana. ¿Cuál fue el valor de la energía intercambiada con el gas en forma de calor? ¿Qué signo tiene el trabajo realizado por el gas? ¿Aumentan, disminuyen o permanecen iguales la energía interna y la temperatura del gas? Argumenta cada una de tus respuestas. ¿Cuáles son las respuestas a las preguntas anteriores si el pistón se desplaza hacia la izquierda comprimiendo el gas?
6. Confecciona un informe del trabajo realizado con las respuestas a las preguntas formuladas, las ecuaciones utilizadas, los resultados numéricos y unas conclusiones.
