Expansion y Contraccion Termica del Aire y Gases

Objetivos:

En el articulo anterior vimos experimentos caseros sobre el huevo dentro de la botella, este experimento digamos es la continuación de dicho experimento pero bajo otro punto de vista científico, aplicando conceptos de expansión y contracción térmica del aire.

Fundamento Teórico:

Ley de Charles y Gay Lussac:

"La dilatación de una sustancia gaseosa contenida en el recipiente, puede observarse, de forma controlada, sumergiendo el matraz en un baño de agua cuya temperatura puede variarse a voluntad. La lectura del volumen del gas sobre la escala graduada y de la temperatura del agua sobre un termómetro empleado al efecto, permite encontrar una relación entre ambas magnitudes físicas en condiciones de presión constante e igual a la presión atmosférica

Gas ideal:

Los gases ideales se basa en las siguientes hipótesis:

  • En cualquier volumen pequeño hay una cantidad muy grande de moléculas
  • Las moléculas mismas ocupan un volumen despreciable
  • Las moléculas se encuentran en movimiento continuo y aleatorio
  • Se pueden despreciar las fuerzas entre las moléculas, excepto durante un choque
  • Todos los choques son elástico

Materiales:

  • Un huevo duro, sin cáscara.
  • Una botella o recipiente transparente con una embocadura algo menor que el diámetro del huevo duro
  • Un recipiente para calentar agua y mantenerla caliente.
  • Otro recipiente que sirva como contenedor de agua fresca del grifo.
  • Cubitos de hielo.
  • Unos guantes de cocina o trapo apropiado para protegernos del calor

Procedimiento 1:

1.- Prepara un huevo duro sin cáscara. Este actuará como tapón de la botella. El tamaño y sección menor del huevo debe ser algo mayor que la embocadura de la botella o recipiente base de trabajo. Ese “tapón” no debe caer por si solo dentro del recipiente base, bien por su peso. Tampoco debe ser demasiado estrecha la abertura de la botella como para impedir el paso del huevo duro.

2.- Calienta agua en el primer recipiente. Cuando esté a punto de hervir se retira y lo colocamos sobre un plato. Mientras, utiliza agua caliente del grifo para llenar la botella o recipiente base, para adecuarla y adaptarla al recipiente con agua caliente. El objetivo es que la botella base esté algo caliente y no “sufra” al sumergirla, parcialmente, en el recipiente con agua caliente.

Pon la botella, ya vacía y algo caliente, dentro del recipiente con el agua caliente y con el tapón especial: el huevo duro. Cuidado que no se caiga la botella o pierda el equilibrio dentro del recipiente de agua caliente. No hace falta que el agua esté hirviendo, sólo que esté caliente. Deja que la botella y el aire de su interior se calienten un rato dentro del recipiente con agua. Con un minuto o dos es suficiente. Cuidado no te quemes.

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3.- Mientras se calienta la botella y el aire de dentro, llena otro recipiente hasta la mitad con agua fresca del grifo y rellénala con hielo en cantidad, hasta que el agua esté muy fría.

4.- Después de un rato, y con las manos protegidas con un guante o trapo, saca la botella caliente con el huevo duro sobre su embocadura y acto seguido coloca la botella en el recipiente con agua fría. Observa qué le pasa al “tapón” que habíamos colocado con anterioridad.

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5.- Mira y examina qué está ocurriendo con el huevo. El huevo duro y flexible ha penetrado por el cuello de la botella y ha pasado al interior, sin que nadie lo tocara.

Procedimiento 2:

Sacamos en huevo desde el interior por el mismo sitio.

1.- Vamos a sacar el huevo del fondo del recipiente. Saca la botella base del recipiente frio e inviértela. Trata de que el huevo tapone fijamente el cuello de la botella por el interior. Si no se queda fijo, aplícale unos movimientos bruscos de centrifugación para que el huevo se quede interiormente como un tapón.

2.- Una vez conseguido esto, coloca la botella taponada en el interior del recipiente de agua caliente, mirando hacia arriba. Si el agua caliente se ha enfriado, coloca el recipiente-1 al fuego hasta que se caliente el agua de nuevo.

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Deja la botella un rato sumergida en agua caliente.

3.- El huevo, que taponaba el cuello de la botella por el interior, comienza a subir por dicho cuello hasta que sale completamente al exterior.

Explicación:

Al sumergir la botella en un recipiente de agua muy caliente, lo que estamos haciendo es calentar el aire del interior a una T1, tal que T1> To, siendo To la temperatura del exterior. El peso del huevo y la presión atmosférica exterior, Po, equilibran la interior, P1.

Cuando pasamos la botella o recipiente a la fuente fría (bandeja con agua fría e hielo) el aire del interior de la botella se enfría a T2, siendo T2< To y por lo tanto, a volumen constante, la P2 del interior del recipiente es tal que P2<Po. El resultado es que existe una presión neta que empuja al huevo duro hacia el interior: el aire se ha contraído al enfriarse.

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Si se coloca el huevo como tapón en el interior del cuello de botella y ésta la pasamos al recipiente de agua muy caliente, entonces el aire del interior pasa a una T1>To y P1>Po que será, a su vez, con el tiempo cronológico mayor que To. El resultado es que P1> Po y el huevo, poco pesado y ligero, subirá por el cuello de botella hasta su embocadura. El huevo habrá salido de nuevo al exterior.

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