Este protocolo experimental está diseñado para medir el coeficiente de expansión térmica volumétrica de un líquido observando los cambios en la altura de una gota de aceite dentro de un tubo capilar a medida que varía la temperatura. El experimento comienza con la configuración del aparato, que incluye asegurar las abrazaderas universales, precalentar el tubo capilar y preparar vasos con agua fría y hielo.
Se toman mediciones de la altura de la gota de aceite a varias temperaturas, utilizando un termómetro y un cronómetro, mientras se ajusta cuidadosamente la temperatura del agua en la placa calefactora.
Objetivos Educativos
- Comprensión de la expansión volumétrica: Los participantes explorarán cómo el volumen de un líquido cambia con la temperatura, con el objetivo de determinar el coeficiente de expansión térmica volumétrica del líquido.
- Técnicas de medición de temperatura: El experimento introduce métodos para medir con precisión la temperatura y la altura de un líquido en un tubo capilar, mejorando la familiaridad de los participantes con las mediciones relacionadas con la temperatura.
- Manejo de instrumentos de laboratorio: Los alumnos practicarán el uso de diversos instrumentos de laboratorio, mejorando así sus habilidades prácticas a la hora de realizar experimentos.
- Fundamentos de la termodinámica de los líquidos: A través de este procedimiento, los participantes obtendrán información sobre los principios básicos de la termodinámica aplicados a los líquidos, incluida la relación entre temperatura y volumen.
Esta experiencia de laboratorio es crucial para comprender cómo la temperatura afecta el volumen de un líquido y para dominar las técnicas de medición precisas en un entorno de laboratorio.
Los participantes desarrollarán habilidades prácticas en el manejo del equipo de laboratorio, la observación de fenómenos físicos y el análisis de datos experimentales. Además, este experimento pone de relieve la importancia del rigor metodológico y la precisión en la experimentación científica, lo que garantiza resultados fiables y significativos. Al participar en esta actividad, los participantes no solo aprenden sobre la termodinámica de los líquidos, sino que también comprenden la meticulosidad que requiere la investigación científica, lo que mejora su competencia general en física y química experimentales.
Protocolo
PARTE A: La preparación del tubo capilar
- Encima de la placa de calentamiento; sujeta una pinza universal a cada uno de los dos soportes.
- Con el cuentagotas, toma un poco de aceite de oliva y pon dos gotas de aceite sobre el cristal de reloj.
- Enciende el mechero Bunsen.
- Usando guantes térmicos, caliente el tubo capilar a lo largo de toda su longitud exponiéndolo a la llama mientras realiza movimientos de vaivén durante unos 20 segundos.
- Coloca el extremo abierto (el extremo transparente) del tubo muy caliente sobre las gotas de aceite preparadas en el paso 1. El aceite debería subir por sí solo hacia el tubo capilar.
- Devuelva el tubo a una posición vertical (con el extremo abierto hacia arriba) y espere unos segundos a que se enfríe.
- Fija el tubo capilar a la pinza universal del soporte derecho, colocando el extremo abierto (transparente) hacia arriba.
- Apaga el mechero Bunsen.
- La gota de aceite en el tubo capilar debe tener un grosor de entre 5 mm y 1 cm.
PARTE B: Medición de la relación entre volumen y temperatura
- Coloca el vaso de precipitados de 250 ml sobre la placa calefactora (no enciendas la placa calefactora).
- Coloca el agitador magnético en el vaso de precipitados.
- Fije el termómetro a la pinza universal del soporte izquierdo y colóquelo verticalmente en el vaso de precipitados de 250 ml. El tubo capilar ni el termómetro deben tocar las paredes del vaso de precipitados.
- Asegure la regla detrás del capilar para medir la altura de la gota de aceite.
- Tome el vaso de precipitados que contiene hielo y agréguele 250 ml de agua fría del grifo.
- Luego vierta el agua fría y el hielo en el vaso de precipitados que contiene el tubo capilar. El nivel del agua debe superar el de la gota de aceite.
- Observe la temperatura del agua y la altura de la parte inferior de la gota de aceite una vez que la temperatura se haya estabilizado.
- Inicie el agitador en la placa calefactora.
- Pon en marcha el cronómetro.
- Enciende la placa calefactora a baja intensidad (20°C) y espera a que la temperatura suba unos diez grados.
- En la tabla de resultados; observe la temperatura del agua y la altura del fondo de la gota de aceite una vez que la temperatura se haya estabilizado. Notará el cambio en la altura de la gota en función de los cambios en la temperatura del agua.
- Repetir los pasos 18 y 19 mientras se aumenta la temperatura de la placa en 10 grados adicionales.
- Apaga la placa de cocción y espera a que todo se enfríe.
- Nota: El interior del tubo capilar tiene un radio de 0.5 mm.
Resultados esperados
Los participantes exploran la ley de los gases ideales, que establece que el volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura cuando la presión y la cantidad de gas se mantienen constantes. Este experimento proporciona una comprensión visual y cuantitativa de cómo el volumen del gas cambia en respuesta a las variaciones de temperatura.
- Relación temperatura-volumen A medida que aumenta la temperatura del gas (en este caso, aire dentro del tubo capilar), se espera que aumente el volumen, indicado por la altura de la gota de aceite. Por el contrario, cuando la temperatura disminuye, el volumen debería disminuir. El interior del tubo capilar tiene un radio de 0,5 mm.
- La relación sigue la ley de los gases ideales, donde pV=nRT, dónde p= presión (Pa), V=Volumen (/1000L), n = moles, R = 8.314 J/mol*K, y T la temperatura está en kelvins.
-
Los resultados deberían ser aproximadamente:
Temperatura
(°C)
Temperatura absoluta
(K)
Altura
(mm)
Volumen de 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 volumen (V, en mL) de un gas (a moles y presiones constantes) seguirá la relación V = π*r2*h, donde r=radio del cilindro (0.05cm) y altura observada (en cm). La gráfica será un aumento lineal constante del Volumen vs. Temperatura.
- Recopilación y análisis de datos: Mediante el registro sistemático de la temperatura y la altura correspondiente de la caída del aceite a distintas temperaturas, los participantes crearán un conjunto de datos que, al representarlo gráficamente, debería mostrar una relación lineal entre la temperatura (en kelvin) y el volumen, lo que confirma la ley de los gases ideales.
- Capacidad de observación: Los participantes perfeccionarán sus habilidades de observación, observando cómo cambios mínimos de temperatura pueden dar lugar a cambios cuantificables en el volumen del gas.
Significado y Lecciones Aprendidas:
- Comprender el comportamiento de los gases: El experimento profundiza la comprensión de las leyes fundamentales de los gases, específicamente la ley de los gases ideales, mostrando cómo los gases se expanden al calentarse y se contraen al enfriarse en un entorno controlado.
- Relevancia en el mundo realLos principios demostrados son aplicables en varios escenarios del mundo real, como la comprensión del comportamiento del aire en globos meteorológicos, motores de automóviles e incluso en meteorología para la predicción del tiempo.
- Metodología científica: Los participantes aprenden la importancia de realizar mediciones precisas y la necesidad de controlar las variables para aislar los efectos de la temperatura sobre el volumen del gas. Esto refuerza el papel del método científico en el diseño experimental y el análisis de datos.
- Pensamiento crítico: Al analizar los resultados, los participantes pondrán en práctica el pensamiento crítico, sobre todo si los resultados se desvían de la relación lineal esperada, lo que les llevará a investigar las posibles fuentes de error o el comportamiento de un gas no ideal.
- Habilidades prácticas: El manejo de equipos de laboratorio como mecheros Bunsen, tubos capilares y guantes térmicos desarrolla habilidades prácticas y refuerza la importancia de los protocolos de seguridad en el laboratorio.
Este experimento ofrece una experiencia de aprendizaje integral, fusionando conocimientos teóricos con habilidades prácticas, mejorando la comprensión de los participantes de las leyes de los gases y su competencia en la realización de investigaciones científicas.
Resumen de la asignación por rango de calificación
Grados 3-5 (Edades 8-10)
- Enfoque: Introducción básica a los conceptos de temperatura y volumen.
- Actividades: Observación de demostraciones sencillas sobre cómo la temperatura afecta al volumen de los líquidos; instrucciones básicas de seguridad.
Grados 6-8 (Edades 11-13)
- EnfoqueComprensión intermedia de la expansión volumétrica y la medición de temperatura.
- Actividades: Medir la temperatura y la altura del líquido en un tubo capilar, registrar los cambios en el volumen con la temperatura, siguiendo protocolos de seguridad detallados.
Grados 9-12 (Edades 14-18)
- Enfoque: Conocimientos avanzados sobre la expansión volumétrica, las técnicas de medición de precisión y los principios de la termodinámica.
- Actividades: Montaje y manejo del aparato para medir el coeficiente de expansión térmica volumétrica; medición precisa de la temperatura y la altura del líquido; análisis de la relación entre la temperatura y el volumen; registro detallado e interpretación de los resultados; cumplimiento de protocolos de seguridad avanzados; y refuerzo de los conceptos de termodinámica de los líquidos.
Esenciales de laboratorio
Instrumentos
- Vaso de precipitados (250ml)
- Mechero de Bunsen
- Tubo capilar
- Gotero
- Plancha eléctrica
- Soporte de laboratorio y pinzas
- agitador magnético
- Regla
- Termómetros
- Temporizador
- Cristal de reloj
Productos
- Aceite de oliva