Aquest protocol experimental està dissenyat per mesurar el coeficient de dilatació tèrmica volumètrica d'un líquid observant els canvis en l'alçada d'una gota d'oli dins d'un tub capil·lar a mesura que varia la temperatura. L'experiment comença amb la preparació de l'aparell, incloent la fixació dels mordasses universals, l'escalfament previ del tub capil·lar i la preparació de gots amb aigua freda i gel.
Es prenen mesures de l'alçada de la gota d'oli a diverses temperatures, utilitzant un termòmetre i un cronòmetre, mentre s'ajusta acuradament la temperatura de l'aigua a la placa calefactora.
Objectius educatius
- Comprensió de l'expansió volumètrica: Els participants exploraran com el volum d'un líquid canvia amb la temperatura, amb l'objectiu de determinar el coeficient de dilatació tèrmica volumètrica del líquid.
- Tècniques de mesura de temperatura: L'experiment introdueix mètodes per mesurar amb precisió la temperatura i l'alçada d'un líquid en un tub capil·lar, millorant la familiaritat dels participants amb les mesures relacionades amb la temperatura.
- Manipulació d'instruments de laboratori: Els estudiants practicaran l'ús de diversos instruments de laboratori, millorant les seves habilitats pràctiques en la realització d'experiments.
- Fonaments de termodinàmica de líquids: Mitjançant aquest procediment, els participants obtindran coneixements sobre els principis bàsics de la termodinàmica aplicats als líquids, incloent-hi la relació entre temperatura i volum.
Aquesta experiència de laboratori és crucial per entendre com la temperatura afecta el volum d'un líquid i per dominar tècniques de mesura precises en un entorn de laboratori.
Els participants desenvoluparan habilitats pràctiques en el maneig d'equips de laboratori, l'observació de fenòmens físics i l'anàlisi de dades experimentals. A més, aquest experiment subratlla la importància del rigor metodològic i la precisió en la experimentació científica, garantint resultats fiables i significatius. Mitjançant la participació en aquesta activitat, els participants no només aprendran sobre la termodinàmica dels líquids, sinó que també apreciaran la naturalesa meticulosa requerida en la investigació científica, millorant la seva competència general en física i química experimental.
Protocol
PART A: La preparació del tub capil·lar
- A sobre de la placa de calefacció; fixeu una pinça universal a cadascun dels dos suports.
- Utilitzant el comptagotes; agafa una mica d'oli d'oliva i posa dues gotes d'oli al vidre de rellotge.
- Encén el bec Bunsen.
- Utilitzant guants tèrmics; escalfeu el tub capil·lar per tota la seva longitud exposant-lo a la flama mentre feu moviments d'anada i tornada durant uns 20 segons.
- Col·loca l'extrem obert (l'extrem transparent) del tub molt calent sobre els degotalls d'oli preparats al pas 1. L'oli hauria de pujar sol al tub capil·lar.
- Torna el tub a una posició vertical (amb l'extrem obert cap amunt) i espera uns segons perquè es refredi.
- Fixeu el tub capil·lar a la pinça universal del suport dret, col·locant l'extrem obert (transparent) cap amunt.
- Apaga el bec Bunsen.
- El pegot d'oli al tub capil·lar ha de tenir un gruix entre 5 mm i 1 cm.
PART B: Mesurament de la relació volum-temperatura
- Poseu el vas de precipitats de 250 ml sobre la placa calefactora (no engegueu la placa calefactora).
- Poseu l'agitador magnètic dins del vas de precipitats.
- Fixeu el termòmetre a la pinça universal del peu esquerre i col·loqueu-lo verticalment al vas de precipitació de 250 ml. Ni el tub capil·lar ni el termòmetre han de tocar les parets del vas de precipitació.
- Assegureu el regle darrere del tub capil·lar per mesurar l'alçada de la gota d'oli.
- Agafa el vas de precipitats que conté gel i afegeix-hi 250 ml d'aigua freda de l'aixeta.
- A continuació, aboqueu l'aigua freda i el gel al vas de precipitats que conté el tub capil·lar. El nivell de l'aigua ha de superar el del got d'oli.
- Observeu la temperatura de l'aigua i l'alçada de la part inferior de la gota d'oli un cop la temperatura s'hagi estabilitzat.
- Engegueu l'agitador a la placa calefactora.
- Inicia el cronòmetre.
- Encén la placa calefactora a baixa intensitat (20°C) i espera que la temperatura pugi uns deu graus.
- A la taula de resultats, observeu la temperatura de l'aigua i l'alçada de la part inferior de la gota d'oli un cop la temperatura s'hagi estabilitzat. Notareu el canvi en l'alçada de la gota en funció dels canvis en la temperatura de l'aigua.
- Repetiu els passos 18 i 19 augmentant la temperatura de la placa en 10 graus addicionals.
- Apaga la placa vitroceràmica i espera que tot es refredi.
- Nota: L'interior del tub capil·lar té un radi de 0,5 mm.
Resultats previstos
Els participants exploren la llei dels gasos ideals, que estableix que el volum d'un gas és directament proporcional a la seva temperatura quan la pressió i la quantitat de gas es mantenen constants. Aquest experiment proporciona una comprensió visual i quantitativa de com el volum del gas canvia en resposta a les variacions de temperatura.
- Relació temperatura-volum: A mesura que augmenta la temperatura del gas (en aquest cas, l'aire dins del tub capil·lar), s'espera que el volum, indicat per l'alçada de la gota d'oli, augmenti. I a la inversa, quan la temperatura disminueix, el volum hauria de disminuir. L'interior del tub capil·lar té un radi de 0,5 mm.
- La relació segueix la llei dels gasos ideals, on pV=RTN, on"} p= pressió (Pa), V=Volum (/1000L), n = mols, R = 8,314 J/mol*K, i T la temperatura és en kelvins.
-
Els resultats haurien de ser aproximadament:
Temperatura
(°C)
Temperatura absoluta
(K)
Alçada
(mm)
Volum d'aire
ml)
4,0
277,2
47,3
0.037
11,5
284,7
48,6
0.038
20,5
293,7
50,0
0.039
29,0
302,2
51,5
0.04
41,5
314,7
53,7
0.042
50,0
323,2
55,1
0.043
62,0
335,2
57,2
0.045
72,5
345,7
59,0
0.046
80,5
353,7
60,3
0.047
91,0
364,2
62,1
0.049
-
El volum (V, en mL) d'un gas (amb mols i pressions constants) seguirà la relació V = π*r2h, on s'assume que r és el radi del cilindre (0.05cm) i h és l'alçada observada (en cm). La gràfica serà un augment lineal constant del Volum versus la Temperatura.
- Recollida i anàlisi de dades: En registrar sistemàticament la temperatura i l'alçada corresponent de la gota d'oli a diverses temperatures, els participants crearan un conjunt de dades que, quan es representi gràficament, hauria de mostrar una relació lineal entre la temperatura (en Kelvin) i el volum, afirmant la llei dels gasos ideals.
- Habilitats d'observacióEls participants perfeccionaran les seves habilitats d'observació, notant com canvis minsuts en la temperatura poden resultar en canvis mesurables en el volum de gas.
Significança i Lliçons Apreses:
- Comprendre el comportament dels gasosL'experiment aprofundeix la comprensió de les lleis fonamentals dels gasos, específicament la llei dels gasos ideals, mostrant com els gasos s'expandeixen quan s'escalfen i es contrauen quan es refreden en un entorn controlat.
- Relevància en el món realEls principis demostrats són aplicables en diversos escenaris del món real, com ara la comprensió del comportament de l'aire en globus meteorològics, motors d'automòbil i fins i tot en meteorologia per a la predicció del temps.
- Metodologia científicaEls participants aprenen la importància de mesuraments precisos i la necessitat de controlar les variables per aïllar els efectes de la temperatura en el volum dels gasos. Això reforça el paper del mètode científic en el disseny experimental i l'anàlisi de dades.
- Pensament crític: Analitzant els resultats, els participants participaran en un pensament crític, especialment si els resultats s'allunyen de la relació lineal esperada, promovent la investigació de possibles fonts d'error o comportaments de gas no ideals.
- Habilitats pràctiques: Manipular equips de laboratori com els cremadors Bunsen, els tubs capil·lars i els guants tèrmics desenvolupa habilitats pràctiques i reforça la importància dels protocols de seguretat al laboratori.
Aquest experiment ofereix una experiència d'aprenentatge integral, fusionant coneixements teòrics amb habilitats pràctiques, millorant la comprensió dels participants de les lleis dels gasos i la seva competència en la realització d'investigacions científiques.
Resum de tasques per rang de qualificació
Cursos 3-5 (Edats 8-10)
- Enfocament: Introducció bàsica als conceptes de temperatura i volum.
- ActivitatsObservació de demostracions senzilles de com la temperatura afecta el volum dels líquids, instruccions bàsiques de seguretat.
Cursos 6è-8è (Edats 11-13 anys)
- Enfocament: Comprensió intermèdia de l'expansió volumètrica i la mesura de la temperatura.
- Activitats: Mesurar la temperatura i l'alçada del líquid en un tub capil·lar, registrar els canvis de volum amb la temperatura, seguint protocols de seguretat detallats.
Cursos 9-12 (Edats 14-18)
- Enfocament: Comprensió avançada de l'expansió volumètrica, tècniques de mesura precises i principis de termodinàmica.
- ActivitatsConfiguració i ús de l'aparell per mesurar el coeficient de dilatació tèrmica volumètrica, mesurament precís de la temperatura i l'alçada del líquid, anàlisi de la relació entre temperatura i volum, registre detallat i interpretació de resultats, compliment de protocols de seguretat avançats, reforç de conceptes de termodinàmica de líquids.
Equipament de laboratori
Instruments
- Vaso de precipitados (250ml)
- Bec d'en Bunsen
- Tub de capil·lar
- Gotejador
- Plaqueta elèctrica
- Bastidor de laboratori i pinces
- Agitador magnètic
- Regla
- Termòmetres
- Temporitzador
- Plat de rellotge
Productes
- Oli d'oliva