Experimentos de Termodinámica | Expansión de un Gas y Temperaturas Bajo Cero






Sencillo experimento de termodinámica

Experimento de Termodinámica

Acabo de terminar de subir a Youtube uno de esos experimentos caseros exclusivos para los amigos y ususarios de este sitio. Se trata de un fabuloso Experimento de Termodinámica, en el cual veremos como la expansión de un gas puede disminuir la temperatura del agua y hasta generar temperaturas bajo cero.

Materiales:
* Termómetro
* Recipiente
* Manguera o cunducto de plástico
* Difusor para pecera
* Gas Natural Licuado envasado (aerosol)

Este experimento de termodinámica consta de dos partes basicamente. Para la primera no es necesario un termómetro que mida temperaturas bajo cero, pero si quieres hacer la segunda también, lo necesitarás. En vez de un termómetro, puedes usar un multímetro digital que mida temperatura, como el que uso en el experimento.

El recipiente no es importante. En mi caso, utilicé un pequeño vaso de vidrio, pero puedes utilizar cualquiera que tengas en tu hogar.

El difusor se compra en las veterinarias, ya que se utiliza en las peceras. Aunque no es necesario, servirá para que las burbujas sean mas pequeñas y el agua no comience a saltar fuera del recipiente.

El conducto lo puedes comprar también en la veterinaria, ya que se utiliza en las peceras. O si no quieres gastar, puedes sacarlo de un desodorante corporal que se haya terminado. Eso si, primero asegúrate que esta totalmente vacío (sin nada de gas), antes de perforarlo. Te recomiendo que lo hagas bajo la supervisión de un mayor.

Para terminar con los materiales, necesitamos el gas licuado. Este se utiliza para recargar encendedores, es económico y se consigue en cualquier mercado grande. Almacénalo en unlugar fresco antes y luego de utilizarlo. Es un aerosol, no lo confundas con un líquido llamado bencina, que se utiliza para recargar algunos encendedores que no funcionan a gas.

Procedimiento:
Coloca un poco de agua tibia en el recipiente, no lo llenes, mas o menos hasta la mitad. Ahora conecta manguera, en un extremo pon el difusor, y en el otro coloca uno de los picos que trae consigo el aerosol de gas envasado.

Con el termómetro, mide la temperatura inicial del agua. Pedes dejarlo dentro del agua durante el proceso, o colocarlo al finalizar el experimento para medir la temperatura final del agua.

Para terminar, pon el aerosol en posición vertical, como se muestra en el video, y presiona la válvula para que salga el gas.

Experimento de Termodinámica

¿Cómo funciona?
Si alguna vez inflaste las ruedas de tu bicicleta con una bomba manual o inflador, habrás notado que el aire se calienta mucho al ser comprimido así. Del mismo modo, pero a la inversa, cuando un gas se expande “se enfría” (su temperatura baja).

Pero vamos a profundizar un poco mas en lo que realmente sucede en este experimento de termodinámica.

De la primera Ley de la Termodinámica, sabemos que el calor cedido en un sistema, es igual al trabajo mas el cambio de la energía interna del mismo. Ésto puede expresarse mediante la siguiente fórmula:

primera ley de la termodinamica

Allí, “Q” es el calor que entra o sale de del sistema, “W” es el trabajo que se realiza sobre el sistema o que el sistema hace sobre el medio, y “Dela U” es el cambio de la la energía interna del sistema. Esta energía interna generalmente se asocia con la temperatura.

El proceso se realiza muy rápido y podemos suponer que es adibático, es decir, el calor “Q” es cero, lo que indicaría que el gas no intercambia calor con el sistema. Este tipo de procesos se denomina adiabático, y como en este caso se trata te la expansión de un gas, es llamado expansión adiabática.

Gráficamente, podemos representarlo así:

experimento de termodinámica expansión adiabática de un gas
 
Imagen vía Wikipedia bajo licencia Creative Commons 3.0, Autor: Yuta Aoki

Al ser cero el calor, la fórmula quedaría así:

experimento de termodinamica

El gas cambia su presión, la disminuye, y aumente su volumen. Inicialmente se encuentra en el punto A, y luego de expansirse en el B.

El área que se encuentra debajo de la curva, que va desde A hasta B, representa el trabajo realizado en el proceso. En nuestro caso, el sistema realiza un trabajo sobre el medio y de algún lugar tiene que sacar la energía para llevarlo a cabo. Como dijimos que no hay intercambio de calor, esta energía la obtiene de la energía interna del gas. Como ya vimos antes, la energía interna está relacionada con la temperatura del sistema, es por eso que la temperatura del gas disminuye al expandirse en este experimento de termodinámica.

Pero el gas queda a temperaturas bajo cero luego de la expansión, mientras que el agua con la que entraen contacto tiene una temperatura mucho mas alta.

Por otro lado, sabemos que el calor sólo puede fluír de una fuente “mas caliente” a una “mas fría”, pero no a la inversa. Es eso justamente lo que sucede. El agua “transfiere calor” al gas y eso hace que su temperatura disminuya.

Si bien las cantidades de gas emanadas son pequeñas, procura no hacer el experimento en un lugar cerrado, ni inhalarlo.



10 Comentarios en Experimentos de Termodinámica | Expansión de un Gas y Temperaturas Bajo Cero
  1. leonor says:

    me parecen los experimentos muy osea simples como para mi…

    • Experimentos Caseros says:

      Hay experimentos de diferentes dificultades Leonor, de seguro hay otro mas complejo para tí, sólo busca un poco en el blog :)

  2. checo est says:

    cual es la pagina de youtube me parece interesante y quiero representarlo
    y ya

  3. LUisa says:

    Hola donde esta el link que dicen al final del video donde hay una explicación mas detallada del experimento.

    • Experimentos Caseros says:

      Hola Luisa: eso es para los usuario que ven el video en Youtube. Debajo del video, hay un enlace que apunta hacia aquí (esta página) y en donde puede leerse la explicación del fenómeno. Para entender lo que sucede, debes leer la última sección, que se encuentra bajo el título “¿Cómo funciona?”. Saludos!

  4. antonio says:

    porque usas gas_????? porque usas agua>?????? es un tipo de gas especial?

    • Experimentos Caseros says:

      Hola Antonio: el gas simplemente nos sirve para explicar la temática de expansión. Dentro del recipiente se encuentra en estado líquido, y cuando sale se expande, absorbiendo calor (“produciendo frío”). El agua en este experimento nos permite notar ese descenso de temperatura (“al enfriarla”), pero no es indispensable. Por último, es solamente gas que se utiliza para recargar los encendedores o chisperos. Saludos!

  5. antonio says:

    como puedes decir que es un proceso adiabatico y luego decir que el agua transfiere su calor al gas y por eso disminuye su temperatura??

    • Experimentos Caseros says:

      Hola Antonio: sucede que a veces cuando se intenta explicar fenómenos mas complejos, con palabras muy sencillas, se crean estas confusiones. Que sea o no adiabático depende de donde sitúes tus límites del sistema. La expansión de un gas como la que tenemos aquí es en realidad adiabática, ocurre violentamente y por eso el gas disminuye su temperatura. Obviamente que estamos hablando de condiciones ideales. Pero luego que termina la expansión, tenemos un gas a baja temperatura, que absorbe calor del agua y “la enfría”. ¿Me entiendes? Saludos!

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