El aire, como muchos otros materiales, se ve afectado en su volumen cuando se varía su temperatura, debido a que las moléculas que conforman dicho material adquieren o reducen su energía, dependiendo si su temperatura aumenta o disminuye respectivamente.
La tendencia de todos los materiales es aumentar el volumen que ocupan cuando aumenta su temperatura, y viceversa. Existen casos atípicos, como el agua, que cuando se congela, aumenta su volumen; esto se debe a que las moléculas que conforman el agua se reorganizan.
¿Qué ocurrirá con una cierta porción de aire al ser enfriado o calentado? ¿Se contraerá el volumen si se enfría, u ocurrirá lo contrario? ¿Se logrará observar un cambio en la masa o la densidad?
Objetivo:
En grupos de 3 ó 4 alumnos, demostrarán físicamente los cambios que se producen en el volumen del aire al variar la temperatura.
Materiales:
- Un globo “bombita de agua”
- Una caja de plumavit con tapa
- Hielo
- Lana
- Una regla
- Una calculadora
- Una hoja de papel milimetrado
- Papel y lápiz para realizar cálculos
Procedimientos:
Como primer paso, inflarán el globo hasta alcanzar un volumen no exagerado, y procederán a medir el contorno con la lana. Luego, medirán la extensión de la lana con la regla y registrarán la medida y la etiquetarán como “Contorno inicial (C0)”.
A continuación, dentro de la caja de plumavit, vaciarán todo el hielo posible, dejando espacio suficiente para dar cabida al globo y poder tapar la caja cómodamente.
Luego, pondrán el globo dentro de la caja con hielo, y vaciarán aun más hielo donde sea posible. Luego tapen la caja.
Realizarán 6 mediciones del contorno del globo cada 10 minutos, rotulando cada medición con “Contorno 1 (C1)”, “Contorno 2 (C2)”, etc., hasta llegar al “Contorno 6 (C6)”.
A medida que vayan midiendo el contorno del globo, calcularán el volumen correspondiente, suponiendo que el globo es totalmente esférico. Para esto, utilizarán la expresión matemática
de donde despejarán r para reemplazarlo en la fórmula
para obtener el volumen correspondiente. Usarán todos los decimales de π (pi) que entregue la calculadora. Los resultados de r y V quedarán expresados aproximados a dos decimales (Ej.: r=6,32 cm; V=32,87 cm3). No olvidar mencionar las unidades de medición.
Una vez que tengan los volúmenes (expresados como V1, V2, etc.), confeccionarán una tabla de dos columnas donde registrarán los volúmenes y el tiempo. Luego, utilizarán el papel milimetrado para la confección de un gráfico volumen – tiempo. En el eje de las abscisas (eje X) ordenarán el tiempo en minutos, y en el eje de las ordenadas (eje Y) ordenarán los volúmenes (cm3). El gráfico a confeccionar será un diagrama lineal, debe llevar un título apropiado y no puede tener borrones.
Cuestionario:
- Con toda la información obtenida, elabore una explicación acerca la variación del volumen del globo. Para esto, apóyense con los pasos del método científico (observación, planteamiento del problema, hipótesis, experimentación, comprobación, conclusión).
- ¿Se ve afectada la energía cinética de las partículas que conforman el aire?
- Si la masa del globo con aire es constante, ¿qué ocurre con la densidad del aire a medida que varía su temperatura?
- Explique el principio que usan los globos aerostáticos para subir y desplazarse.
- Con ayuda de un programa computacional (de preferencia el Microsoft Excel), grafique nuevamente la tabla obtenida anteriormente y determine la tendencia de la curva obtenida mediante una ecuación para predecir el comportamiento del volumen del aire a medida que la temperatura varía.
- ¿Puede obtenerse un volumen igual a 0? Fundamenten.
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