Paper Termòmetro a gas

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Termómetro a gas
Ing. Msc. Diego Proaño
Estudiante: Bryan Alexis Balladares Escobar
Departamento de Ciencias Exactas Física, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Extensión Latacunga,
Latacunga, Ecuador
E-mail: doproanio@espe.edu.ec; baballadares@espe.edu.ec
(Recibido el 13 de noviembre; aceptado el 13 de noviembre)
Abstract
Within physics and chemistry, one of the most fundamental points for calculations is to know the temperature of the systems, processes and materials with which one works, for this the use of the thermometer is essential. In this physics work a gas thermometer was built, whose purpose is the taking of temperature measurements. For the development of the project, the type of gas was taken into account, as well as the development of a pressure gauge as an indicator that allows setting the temperature. Within the built-in gas thermometer, the coefficient of expansion of the gas, volume and pressures with which our thermometer works is taken into account, highlighting the use of air as gas and water within the manometer. For the calibration of the gas thermometer, an alcohol thermometer was also needed as a guide to have the most accurate device possible.
Keywords: Thermometer, thermometry, gas, temperature, gas thermometer, heat, matter.
PACS:01.40. Fk, 01.30.la,01.30. Os.0.1.50Pa
Resumen
Dentro de la física y la química uno de los puntos más fundamentales para cálculos es saber la temperatura de los sistemas, procesos y materiales con los que se trabaja, para ello es imprescindible el uso del termómetro. En este trabajo de física se construyó un termómetro a gas, cuyo propósito es la toma de medidas de temperatura. Para el desarrollo del proyecto se tomó en cuenta el tipo de gas, también el desarrollo de un manómetro como indicador que permita establecer la temperatura. Dentro del termómetro a gas construido se tomó en cuenta el coeficiente de dilatación del gas, volumen y presiones con las cuales trabaja nuestro termómetro, destacando el uso de aire como gas y de agua dentro del manómetro. Para la calibración del termómetro a gas también fue necesario un termómetro de alcohol como guía para tener un aparato lo más preciso posible. 
Palabras claves: Termómetro, termometría, gas, temperatura, termómetro a gas, calor, materia.
1
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1. OBJETIVO.
Construir y desarrollar un termómetro a gas que permita obtener medidas de temperatura.
Determinar el funcionamiento de los termómetros a gas. 
2. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA.
Todo estudiante antes de realizar una práctica en el Laboratorio de Física debe tener muy claro las ideas de cada concepto que intervienen en el mismo con la finalidad de que las conclusiones del trabajo experimental se acerquen a un criterio científico que beneficie no sólo al estudiante sino también a la sociedad.
2.1 TERMOMETRIA 
En la vida diaria la temperatura es una medida que indica qué tan caliente o frío se encuentra algo. Se dice que un horno caliente tiene una temperatura alta, mientras que el hielo de un lago congelado tiene una temperatura baja. [1]
La termometría se encarga de la medición de la temperatura de cuerpos o sistemas. Para este fin, se utiliza el termómetro, que es un instrumento que se basa en el cambio de alguna propiedad de la materia debido al efecto del calor; así se tiene el termómetro de mercurio y de alcohol, que se basan en la dilatación, los termopares que deben su funcionamiento al cambio de la conductividad eléctrica, los ópticos que detectan la variación de la intensidad del rayo emitido cuando se refleja en un cuerpo caliente.
Para poder construir el termómetro se utiliza el Principio Cero de la Termodinámica que dice: "Si un sistema A que está en equilibrio térmico con un sistema B, está en equilibrio térmico también con un sistema C, entonces los tres sistemas A, B y C están en equilibrio térmico entre sí". [2]
2.2 TERMOMETROS 
Los instrumentos diseñados para medir la temperatura se llaman termómetros.
Existen muchos tipos de termómetros, pero su operación siempre depende de alguna propiedad de la materia que cambia con la temperatura. Muchos termómetros comunes se basan en la expansión de un material con un aumento en la temperatura. La primera concepción de un termómetro, atribuida a Galileo, se basó en la expansión de un gas. Los termómetros comunes actuales consisten en un tubo de vidrio hueco con mercurio o con alcohol teñido de rojo, como los primeros termómetros utilizados. [3]
 Dentro de un termómetro común, consistente en un tubo de vidrio con líquido en su interior, el líquido se expande más que el vidrio cuando aumenta la temperatura, de manera que el nivel del líquido se eleva en el tubo. Aunque los metales también se expanden con la temperatura, el cambio en la longitud de una varilla metálica, por ejemplo, generalmente es insignificante como para medir con exactitud los cambios ordinarios en la temperatura. Sin embargo, es posible fabricar un termómetro útil con dos metales distintos cuyas tasas de expansión sean diferentes. Cuando la temperatura aumenta, las diferentes cantidades de expansión hacen que la tira bimetálica se doble. Con frecuencia la tira bimetálica tiene la forma de una espira, uno de cuyos extremos está fijo, mientras el otro está unido a un puntero. Este sistema se usa en los termómetros de aire ordinarios, los termómetros de horno, los interruptores automáticos en cafeteras eléctricas y los termostatos de habitaciones para determinar cuándo se debe encender o apagar un calentador o un acondicionador de aire. Los termómetros muy precisos se basan en propiedades eléctricas, como los termómetros de resistencia, los termopares y los termistores que, por lo general, cuentan con lectores digitales. [4]
Figura 1. Termómetro de mercurio y tiras bimetálicas
Fuente: D. C. Giancoli (2009)
ESCALAS TERMOMETRICAS 
Son las diferentes unidades con las que se representa la temperatura, Existen varias escalas termométricas para medir temperaturas, relativas y absolutas.
Escala Celsius
Esta escala es de uso popular en los países que adhieren al Sistema Internacional de Unidades, por lo que es la más utilizada mundialmente. Fija el valor de cero grados para la fusión del agua y cien para su ebullición. Inicialmente fue propuesta en Francia por Jean-Pierre Christin en el año 1743 (cambiando la división original de 80 grados de René Antoine Ferchault de Réaumur) y luego por Carlos Linneo, en Suiza, en el año 1745 (invirtiendo los puntos fijos asignados por Anders Celsius). En 1948, la Conferencia General de Pesos y Medidas oficializó el nombre de "grado Celsius" para referirse a la unidad termométrica que corresponde a la centésima parte entre estos puntos.1​
Para esta escala, estos valores se escriben como 100 °C y 0 °C y se leen 100 grados Celsius y 0 grados Celsius, respectivamente.
Escala Fahrenheit 
En los países anglosajones se pueden encontrar aún termómetros graduados en grado Fahrenheit (°F), propuesta por Gabriel Fahrenheit en 1724. La escala Fahrenheit difiere de la Celsius tanto en los valores asignados a los puntos fijos, como en el tamaño de los grados. En la escala Fahrenheit los puntos fijos son los de ebullición y fusión de una disolución de cloruro amónico en agua. Así al primer punto fijo se le atribuye el valor 32 y al segundo el valor 212. Para pasar de una a otra escala es preciso emplear la ecuación:
T(°F) = (9/5) * T(°C) + 32 (1)
T(°C) = (5/9) * [T(°F) - 32] (2)
donde T(°F) representa la temperatura expresada en grados Fahrenheit y T(°C) la expresada en grados Celsius.
Su utilización se circunscribe a los países anglosajones y a Japón, aunque existe una marcada tendencia a la unificación de sistemas en la escala Celsius.
Escala Kelvin o absoluta 
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".
Se puede notar que las escalas Celsius y Kelvin poseenla misma sensibilidad. Por otra parte, esta última escala considera como punto de referencia el punto triple del agua que, bajo cierta presión, equivale a 0. 01 °C.
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. El cero absoluto constituye un límite inferior natural de temperaturas, lo que hace que en la escala Kelvin no existan temperaturas bajo cero (negativas). La relación con la escala Celsius viene dada por la ecuación:
T(K) = t(°C) + 273, 15 (3)
 t(°C) = T(K) - 273, 15 (4)
T(K) = (5/9) * [t(°F) + 459, 67] (5)
t(°F) = (9/5) * T(K) - 459, 67 (6)
siendo T(K) la temperatura expresada en kelvins.
Figura 2. Comparación entre escala Celsius y Kelvin
Fuente: D. C. Giancoli (2009)
Escala Rankine 
Se denomina Rankine (símbolo R) a la escala de temperatura que se define midiendo en grados Fahrenheit sobre el cero absoluto, por lo que carece de valores negativos. Esta escala fue propuesta por el físico e ingeniero escocés William Rankine en 1859.
La escala Rankine tiene su punto de cero absoluto a – 459, 67 °F y los intervalos de grado son idénticos al intervalo de grado Fahrenheit.
T(R) = T(°F) + 459, 67 (7)
T(°F) = T(R) - 459, 67 (8)
T(R) = (9/5) * [T(°C) + 273, 16] (9) 
T(°C) = (5/9) * [T(R) - 491, 67] (10)
siendo T(R) la temperatura expresada en grados Rankine.
Usado comúnmente en Inglaterra y en EE.UU. como medida de temperatura termodinámica. Aunque en la comunidad científica las medidas son efectuadas en Sistema Internacional de Unidades, por tanto, la temperatura es medida en kelvins (K).
TERMOMETRO A GAS
El termómetro de gas de constante es muy preciso, tiene un margen de aplicación extraordinario: desde 27 °C hasta 1487 °C. Pero es más complicado, por lo que se utiliza más bien como un instrumento normativo para la graduación de otros termómetros.
Al igual que en el de mercurio: se eligen dos entornos de temperaturas (ebullición y congelación de agua) se le asignan dos temperaturas (0 y 100 en la escala Celsius), y se miden las presiones correspondientes.
El termómetro de gas a volumen constante se compone de una ampolla con gas —helio, hidrógeno o nitrógeno, según la gama de temperaturas deseada— y un manómetro medidor de la presión. Se pone la ampolla del gas en el ambiente cuya temperatura hay que medir, y se ajusta entonces la columna de mercurio (manómetro) que está en conexión con la ampolla, para darle un volumen fijo al gas de la ampolla. La altura de la columna de mercurio indica la presión del gas. A partir de ella se puede calcular la temperatura.
Figura 3. Termómetros a gas
Fuente: D. C. Giancoli (2009)
3. MATERIALES Y EQUIPO:
	Material o equipo
	cantidad
	característica
	Vaso de precipitación
	1
	Vaso donde se calentará el agua
	Probeta
	1
	Medir el volumen de agua
	Cocineta
	1
	Fuente de calor
	Pipeta
	1
	Para medir el volumen de agua
	Termómetro
	1
	Para calibración 
	Rejilla de porcelana
	1
	Evita que se dañe el vaso de precipitación
	Balanza
	1
	Calcular la masa de agua
	Manguera o tubo de vidrio
	1
	Para realizar el manómetro
	Tubo de ensayo
	1
	Deposito del gas
	Corcho
	1
	Para sellar 
	Silicón 
	1
	Fijar y evitar fugas
	Tabla de madera
	1
	Servirá de estructura
4. PROCEDIMIENTO:
CONSTRUCCION 
1. Sobre la tabla y con ayuda del silicón colocamos el tubo o la manguera que servirá de manómetro (Forma de U)
Figura 4. Montaje
Fuente: B. Balladares (2019)
2. Dejamos una extensión del manómetro para conectarlo al depósito del gas 
Figura 5. Termómetros a gas
Fuente: B. Balladares (2019)
3. Fabricamos el depósito, en este caso será el tubo de ensayo y el gas será el air del ambiente, para sellarlo usamos el corcho el cual adaptamos con un acople para conectarlo a la manguera del manómetro. 
Figura 6. Depósito 
Fuente: B. Balladares (2019)
4. Cuando este todo montado llenamos el manómetro de agua para que la presión del gas mueva la columna de agua y marque una temperatura.
Figura 7. Manómetro 
Fuente: B. Balladares (2019)
5. Para saber el volumen de aire que se encuentra en el depósito, llenamos el tubo de ensayo con agua hasta el tope, luego vertemos el agua en la probeta y medimos el volumen que marca 
Figura 8. Probeta 
Fuente: B. Balladares (2019)
6. Calculamos la densidad del agua, dato necesario para aplicar las formulas, con la ayuda de la balanza y la probeta 
Figura 9. Probeta 
Fuente: B. Balladares (2019)
CALIBRACION
1. Hervimos agua en el vaso de precipitación y cuando el agua hierva comprobamos la temperatura con el termómetro de alcohol.
Figura 10. Toma de temperatura 
Fuente: B. Balladares (2019)
2. Cuando el termómetro de alcohol marque el punto de ebullición del agua tomamos el termómetro de gas y también lo sumergimos en el agua y marcamos cuanto se expande la columna de agua.
Figura 11. Calibración 
Fuente: B. Balladares (2019)
3. Repetimos el paso anterior con putos específicos para realizar una escala en el termómetro de gas 
5. TABULACION DE DATOS:
Datos iniciales
	Volumen del gas 
(ml)
	Temperatura inicial 
(ºC)
	Densidad del agua
() 
	Coeficiente de dilatación del aire 
	21
	18
	0.975 gr/ml
	
Temperatura final = 94 ºC
Calculo de la densidad 
6. CONCLUSIONES
Se determinó que el funcionamiento de un termómetro a gas se da por una dilatación del gas, cuando el gas se dilata se expande lo que provoca que en manómetro la columna de agua suba, si se aumenta la temperatura, caso contrario baje si la temperatura disminuye y el gas se contrae.
Los termómetros a gas suelen ser muy precisos por lo cual se usan para calibrar otros termómetros.
BIBLIOGRAFIA. 
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