Práctica 11

Mediciones de temperatura y presión de un gas óptimo

Que se calienta en un contenedor cerrado


Introducción


 Este informe trata sobre un experimento para estudiar la relación entre la temperatura y la presión de un gas ideal (aire) que se calentó en un contenedor cerrado. Debido a que el gas ideal estaba en un recipiente cerrado, su volumen permaneció constante. El objetivo del experimento es probar si la ecuación ideal de estado es válida. En la ecuación,

pV = mRT,

donde p es la presión del gas, V es el volumen, m es la masa, R es una constante y T es la temperatura. Este informe presenta los procedimientos para el experimento, los resultados del experimento y un análisis de esos resultados.

Procedimientos

En este experimento, el aire (un gas ideal) se calentó en un recipiente a presión con un volumen de 1 litro.  Conectado al recipiente a presión había un transductor de presión y un termopar para medir la presión y la temperatura, respectivamente, del aire dentro del recipiente. Ambos transductores produjeron señales de voltaje (en Voltios) que se calibraron a la presión (kPa) y a la temperatura (K) del aire (se asume que la presión atmosférica para el lugar donde ocurrió el experimento es de 13.6 psia).  Además, la temperatura teórica (K) del aire se calculó en función  de los valores de presión medidos (kPa).

Resultados y discusión

Esta sección analiza los resultados del experimento. El experimento obtuvo los resultados esperados, sin eventos inusuales que hubieran introducido un error. Los voltajes medidos para los transductores de presión y temperatura aparecen en la Tabla A-1 del Apéndice. También están incluidos en el Apéndice las ecuaciones utilizadas para calibrar esos voltajes con la presión y temperatura real. Estas ecuaciones condujeron a los valores de presión y temperatura que se muestran en la tercera y cuarta columna de la Tabla A-1. A partir de estos valores, se creó un gráfico entre temperatura (K) y presión (kPa) (Figura A-1). Como puede verse en el gráfico, la relación entre temperatura y presión es aproximadamente lineal.

Como parte de este experimento, se calcularon los valores teóricos de temperatura para cada valor de presión medido. En este cálculo, que utilizó la ecuación del gas ideal, se asumió que el volumen y la masa eran constantes. Estos valores teóricos de temperatura se muestran en la última columna de la Tabla A-1.  De esta última columna surgió la Figura A-2, un gráfico de temperatura ideal (K) versus presión (kPa). Como se muestra en este gráfico, la relación entre temperatura y presión es exactamente lineal.

Una comparación entre el gráfico que muestra los datos medidos (Figura A-1) y el gráfico que muestra los datos teóricos (Figura A-2) revela diferencias. En general, los valores medidos de temperatura son más bajos que los valores ideales, y los valores medidos no son exactamente lineales.  Varios errores podrían explicar las diferencias: errores de precisión en el transductor de presión y el termopar; errores de sesgo en la curva de calibración para el transductor de presión y el termopar; e imprecisión en la presión atmosférica asumida para el lugar. Los errores de sesgo pueden deberse al amplio rango de temperatura considerado.  Dado que los rangos de temperatura y presión son grandes, las ecuaciones de calibración entre las señales de voltaje y las temperaturas y presiones reales podrían no ser precisas para todo ese rango.  El último tipo de error mencionado, el error en el error atmosférico para la localidad donde ocurrió el experimento, es un error de sesgo que podría ser bastante significativo, dependiendo de la diferencia de condiciones entre el momento del experimento y el momento en que se realizó la medición de referencia. 

Conclusión

En general, el experimento logró demostrar que la temperatura y la presión de un gas ideal a un volumen y una masa constantes siguen la relación de la ecuación del gas ideal.  Existían diferencias en el gráfico experimental de temperatura versus y presión y en la curva teórica de temperatura versus presión.  Estas diferencias, sin embargo, pueden explicarse por un error experimental.