“Fenomenos colectivos, las herramientas...”

Conociendo y aprendiendo a usar el material de nuestro laboratorioPor Natalia.... Marcos Jafred Hernandez Mercado, Oscar Hurtado Gonzalez, Saúl Sánchez Reséndiz. México, D.F., C.U. Agosto de 2012

Resumen.

Las pasadas sesiones en el laboratorio de calor, ondas y fluidos se invirtieron en conocer, familiarizarse y aprender a manejar dos tipos de material que se utilizarán a lo largo de todo el curso en este laboratorio; estos fueron los instrumentos de vidrio y los termómetros.

Introducción (marco teorico).

Uno de los problemas fundamentales con los que se enfrentan muchos estudiantes de la carrera de física, es el confrontar la teoría con la práctica, es decir, el poner a prueba los conocimientos impartidos en sus cursos tales como mecánica vectorial, fenómenos colectivos, electromagnetismo, etc.. Mientras el estudiante se desenvuelve en el ámbito experimental se ve en la situación de que las prácticas o experimentos no “salen” como se esperaba de acuerdo a la teoría; pero es debido a cosas fundamentales como el manejo de los instrumentos de medición, materiales, la obediencia a las instrucciones que esto es así.Debido a esto se emplearon 3 sesiones de nuestro curso de laboratorio de fenómenos colectivos para conocer y aprender a manejar el material que se utilizaran con más frecuencia durante todos los experimentos que complementan el curso teórico de la materia mencionada.Un material básico en todo laboratorio es el vidrio debido a que sus características permiten la fácil fabricacion de un gran numero de instrumentos de medicion; ademas que este material tiene una gran resistencia a la reacción con diversas sustancias y soporta altas y bajas temperaturas. El material de vidrio con el que se cuenta en nuestro laboratorio consta principalmente de probetas, pipetas, vasos

de precipitados, tubos de ensayo, varillas de vidrio, y diferentes tipos de matraces (un manual anexo a este reporte detalla un poco más los instrumentos de vidrio que estudiamos y sus caracteristica). Un instrumento muy importante hecho de este material es el termómetro (aunque existen diferentes tipos de termómetros y de diferentes materiales), instrumento con el cual se puede medir la temperatura de los sistemas que estaremos estudiando en nuestros experimentos.El termómetro juega un papel muy importante en este curso, por lo que se realizaron varias mediciones de temperatura de dos sistemas (agua con hielo y agua hirviendo), con el fin de aprender a utilizar los diferentes tipos de termómetros que hay en el laboratorio (pistola de radar, termometros de alcohol, de mercurio, clínicos, termopar, bimetálicos, termómetro de gas, cerámicos).El marco teorico que se encarga de medir la temperatura de los sistemas fisicos es la termometria, utilizando para ello el ya mencionado termometro; este instrumento de medicion ha desempeñado un papel importante en toda la historia y el desarrollo de la ciencia. Desde la época de Aristóteles el reconocer que algún material o cuerpo está más frío o caliente que otro cuerpo ha causado en el hombre curiosidad. En esos tiempos la gente utilizaba como medio de conocimiento sus sentidos corporales, por lo

que el tacto jugába un papel muy importante en el reconocimiento del calor o el frío.No fue hasta que Galileo Galilei inventó el termoscopio alrededor del año 1600 que el hombre pude utilizar un instrumento apra medir la temperatura. Este consistía en un matraz de vidrio con un cuello largo y delgado, similar a un popote, este se sumergía dentro de una vasija con agua y al calentarla, ésta comenzaba a subir por el tubo. El italiano Sanctorius Sanctorius introdujo graduación a dicho instrumento y este acontecimiento fue grande debido a que a partir de ahí se tuvo un sistema de referencia para la medición de lo que próximamente se llamaría temperatura.El físico alemán Daniel Gabriel Fahrenheit inventó el termómetro de alcohol en 1709 y el de mercurio cinco años después.A principios del Siglo XVIII, fueron desarrolladas diversas escalas de temperatura, basadas en puntos de referencia confiables, como la temperatura de una mezcla de hielo y salmuera o de hielo y agua, la corporal o el punto de ebullición del agua.En 1724, Fahrenheit introdujo la escala de temperatura que lleva su nombre. Arbitrariamente, decidió que los puntos de congelamiento y ebullición estarían separados por 180 grados y fijó el primero en 32 grados.También destacó la escala de Anders Celsius debido a que utilizó el punto de ebullición del agua y el punto de congelamiento de la misma.El inglés Lord William Thomson Kelvin inventó la escala que lleva su nombre en 1848, tambien conocida como la escala abosoluta. En la escala absoluta, al 0 °C le hace corresponder 273,15 K, mientras que los 100 °C se corresponden con 373,15 K. Se ve inmediatamente que 0 K está a una temperatura que un termómetro centígrado señalará como -273,15 °C. Dicha temperatura se denomina "cero absoluto ".

La escala de temperaturas adoptada por el Sistema Internacional de Unidades es la llamada escala absoluta o Kelvin. En ella el tamaño de los grados es el mismo que en la Celsius, pero el cero de la escala se fija en el - 273,15 °C. Este punto llamado cero absoluto de temperaturas es tal que a dicha temperatura desaparece la agitación molecular, por lo que, según el significado que la teoría cinética atribuye a la magnitud temperatura, no tiene sentido hablar de valores inferiores a él.

Procedimiento. Se utilizaron dos vasos de precipitados de 500 ml, en uno se introdujo 300 ml de agua de la llave y en el otro se introdujo hielo con agua. Se midió la temperatura con cuatro termómetros: dos de mercurio (total y parcial inmersión) y los restantes de alcohol (total y parcial inmersión), también se implementó el termómetro bimetálico así como el multímetro, al cual se le conecto primeramente un termopar y un cerámico. El proceso de medición con cada termómetro se repitió 3 veces para así sacar un promedio de la temperatura, y de esta manera ver su precisión.

En el primer vaso (300 ml) se midió la temperatura del agua cuando esta alcanzó su punto de ebullición, esto se hizo con ayuda de una parrilla eléctrica, mientras que la

medición de la temperatura para el vaso con 500 ml de agua y hielo se realizo tres minutos despues de haber mezclado el agua con hielo.Un aspecto importante en este experimento fue la dilatación del mercurio y del alcohol, pues el mercurio llega a la medición más rápido, mientras que el alcohol fluctúa lentamente, gracias a esta propiedad, al utilizar termómetros de alcohol podemos obtener la medición un poco más precisa .

Cabe destacar que existen otras diferencias en los instrumentos, y estas diferencias pueden hacer más fácil y rápido el experimento. Al realizar este experimento nos dimos cuenta que utilizar parrilla eléctrica nos ahorró tiempo, ya que cuando se trató de calentar el agua con un mechero, nos dimos cuenta de lo largo que seria este proceso.

Durante el experimento se pudo notar que los datos obtenidos de la temperatura medida con cada uno de los diferentes tipos de termómetros fue variando al transcurrir el tiempo. Cuando se procedió a medir la temperatura ambiente, se encontraron notables diferencias en las distintas mediciones de temperatura, esto se debió al lugar donde se tomaban las mediciones (en gran medida se debió a que de un lado estábamos calentando agua, y por el otro se encontraba el agua con hielos), por tal motivo se trató de realizar las mediciones en un mismo lugar, y tratando de permanecer lo suficientemente alejados, tanto del agua con hielos, como la que se estaba calentando, para que de esta manera las mediciones se afectarán lo menos posible.En el vaso 1 (el cual contenía el agua hirviendo) los valores de la temperatura también fluctuaron, esta diferencia no fue muy notoria entre las distintas mediciones con el mismo tipo de termómetro, sin embargo sí existían notables diferencias entre termómetros distintos, inclusive entre los de alcohol (inmersión total y parcial), la diferencia promedio fue de 6 grados. En la siguientes tablas mostramos las mediciones obtenidas de la temperatura del ambiente, el agua con hielos y el agua hirviendo

Resultados y analisis.

Primera medición:

Tipo de termómetro

Temperatura ambiente [ºC]

Temperatura del agua con hielo [ºC]

Temperatura del agua sobre la parrilla [ºC]

Alcohol (total inmersión)

24 2 89

Alcohol (inmersión parcial)

25 3 95

Mercurio (total inmersión)

24 1 92

Mercurio (inmersión parcial)

25 1 92

Bimetálico 24 2 93

Cerámico -- -- 85

Termopar 23 1 92

Pistola de infrarrojos

24 1 89

Segunda medición:

Tipo de termómetro

Temperatura ambiente [ºC]

Temperatura del agua con hielo [ºC]

Temperatura del agua sobre la parrilla [ºC]

Alcohol (total inmersión)

24 1 89

Alcohol (inmersión parcial)

25 3 95

Mercurio (total inmersión)

24 1 92

Mercurio (inmersión parcial)

25 1 93

Bimetálico 24 2 93

Cerámico -- -- 85

Termopar 23 1 93

Pistola de infrarrojos

24 1 89

Tercera medición:

Tipo de termómetro

Temperatura ambiente [ºC]

Temperatura del agua con hielo [ºC]

Temperatura del agua sobre la parrilla [ºC]

Alcohol (total inmersión)

23 2 89

Alcohol (inmersión parcial)

24 3 95

Mercurio (total inmersión)

23 1 93

Mercurio (inmersión parcial)

25 2 93

Bimetálico 24 3 93

Cerámico -- -- 86

Termopar 23 1 91

Pistola de infrarrojos

24 1 92

Tambien en esta tabla se han puesto los valores de la exactitud (o intervalo de incertidumbre) de cada termometro, asi como su escala y graduacion.

Termometro Graduacion Incertidumbre

Alcohol (total inmersion) -20ºC a 110ºC ± 0.5 º C

Alcohol (inmersion parcial) -20ºC a 110ºC ± 0.5 º C

Mercurio (total inmersion) -10ºC a 110ºC ± 0.5 º C

Mercurio (inmersion parcial) -20ºC a 110ºC ± 0.5 º C

Termopar y ceramico (multimetro) -40ºC a 1000ºC ±(1% +3) ºC

Bimetalico -10ºC a 110ºC ± 0.5 º C

Pistola de infrarrojos -32ºC a 400ºC ± 1%

Las incertidumbres para el multimetro con el termopar y el cerámico, así como la pistola de infrarrojos y sus respectivas graduaciones, se consultaron en los manuales de usuario de estos dos instrumentos; el multímetro es el modelo mul-600 de la marca Steren y la pistola de infrarrojos es el modelo raynger st4l de la marca de termómetros raytek.

Al observar estos datos se puede notar que el termómetro de alcohol es con el que se obtuvieron las mismas una mayor cantidad de veces, la temperatura ambiente medida por este termómetro solo vario un grado centígrado, mientras que la temperatura de los dos sistemas se mantuvo constante, es decir de 3º C para el agua con hielo y de 95ºC para el agua hirviendo.También la pistola de infrarrojos nos dio un resultado muy parecido, variando unicamente en la ultima medicion de la temperatura del vaso con agua hirviendo.En general los valores obtenidos con cada uno de los termómetros casi no fluctuaron a pesar de que nuestros sistemas no estaban para nada aislados del medio ambiente, pero si se puede observar que no todos los termómetros midieron el mismo valor de la temperatura.Por ejemplo, la mayor temperatura registrada del sistema del agua hirviendo fue la del termómetro de alcohol de inmersión parcial de 95 ºC, mientras que la menor temperatura registrada en este sistema

fue la de 85ºC medida con el termómetro cerámico conectado al multímetro.Ahora bien, dentro del sistema de agua con hielos la menor temperatura registrada fue de 1ºC, medida con varios de los termómetros; mientras que la mayor fue medida con el termometro inmersion parcial de alcohol. Asi que este termómetro registro en general temperaturas más altas que los demas; fue tambien asi al medir la temperatura ambiente.Debido a que este termometro fue el que mas repitio las mediciones hechas todas las ocacsiones como se menciono anteriormente, podemos decir que fue de los mas precisos, sin embargo, al comparar las temperaturas registradas con la pistola de infrarrojos se ve una notoria difernecia en los valores de las magnitudes de la temperatura, (la pistola tambien fue la mas precisa, es decir gue el instrumento que mas repitio el mismo valor de la temperatura en las diferentes mediciones) por lo que nos queda una pregunta acerca de cual fue el valor real de la temperatura registrada.Vemos tambien que el resultado mas distinto de los demas, fue la temperatura registrada con el ceramico, que fue de tan solo 85º C en promedio. Debido a que el ceramico tardaba mucho en bajar su temperatura solo se pudo medir la temperatura del agua hirviendo con éste debido aque si se metia en el agua con hielo, este sistema se iba a alterar mucho pues la diferencia de temperaturas entre el agua y el termometro

era muy grande. Se cree, por como se comporta este termometro, que es mas preciso si se utiliza en sistemas cuyas temperaturas son mayore a las del punto de ebullicion del agua.

Conclusiones.

Despues de familiarizarse un poco con el material del laboratorio de fenomenos colectivos mediante estos simples experimentos, se ha adiquirido un poco de experiencia para usarla durante el resto del semestre. Cada termometro se puede ocupar en todo experimento pero suponemos que hay una diferencia entre su uso dependiendo de las condiciones del experimento con el que se este trabajando. Debido a los resultados obtenidos, antes de comenzar cualquier experimento futuro en este curso de fenomenos colectivos, veremos que termometro es mas apropiado utilizar dependiendo de el sistema que estemos considerando.

Anexamos en las siguientes paginas un pequeño documento con informacion del material de vidrio con el que disponemos en el laboratorio y algunas de sus caracterisiticas basicas.