Práctica 11

Mediciones de temperatura y presión de un gas ideal

que se ha calentado en un recipiente cerrado


Introducción


Este informe aborda un experimento con el fin de estudiar la relación entre la temperatura y la presión de un gas ideal (aire) que fue calentado en un recipiente 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

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 expone los métodos del experimento, los resultados del mismo y un análisis de los mismos. 

Métodos

Para este experimento, el aire (un gas ideal) se calentó en un recipiente a presión con un volumen de 1 litro. A este recipiente de presión se le unió 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 fueron calibradas a la presión (kPa) y temperatura (K) del aire (se supone que la presión atmosférica para el lugar donde ocurrió el experimento era de 13.6 psia) Además, la temperatura teórica (K) del aire se calculó en función de los valores de presión obtenidos (kPa). 

Resultados y Debate

En esta sección se evalúan los resultados del experimento. El experimento fue como se esperaba, sin eventos anómalos que hubieran supuesto un error. Los voltajes medidos para los transductores de presión y temperatura aparecen en la Tabla A-1 del Anexo. También se incluyen en el Apéndice las ecuaciones utilizadas para calcular esos voltajes con las presiones y temperaturas reales. Estas ecuaciones condujeron a los valores de presión y temperatura que se muestran en la tercera y cuarta columnas 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 analizado.  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 puede observar 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) indica la existencia de diferencias. Por lo general, los valores registrados de la temperatura son inferiores a los valores ideales, y los valores registrados 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 inexactitud en la presión atmosférica que se supone que tiene el lugar de la medición. 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 calibrado entre las señales de voltaje y las temperaturas y presiones reales podrían no ser precisas para todo ese rango El último de los errores mencionados, el error en el error atmosférico para el lugar 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 se corresponden con la relación de la ecuación del gas ideal. Las diferencias existían en el gráfico experimental de temperatura y presión y en la curva teórica de temperatura versus presión Estas diferencias, sin embargo, pueden explicarse por un error experimental.