Objetivo: Comprobación del aumento de la temperatura en una compresión adiabática irreversible

Coll Company, César

Valor i Micó, Enric

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 COL· LECCIÓ DE DEMOSTRACIONS DE FISICA DEMO 53 COMPRESION ADIABÁTICA     Autor/a de la ficha Enric Valor i Micó y César Coll Company Palabras clave Temperatura, compresión adiabática irreversible Objetivo Comprobación del aumento de la temperatura en una compresión adiabática irreversible  Material Cilindro adiabático provisto de pistón extraíble Tiempo de Montaje 5 minutos Descripción En un proceso de compresión adiabática se produce un aumento de la temperatura del sistema. En efecto, según el Primer Principio de la Termodinámica:  ∆U=Q-W  donde ∆U es la variación de energía interna, Q la energía en forma de calor y W el trabajo intercambiados por el sistema. Para un proceso adiabático (Q=0):  ∆U=-W  Si se considera el aire interior del cilindro como un gas ideal, en primera aproximación, se tiene que ∆U=n cV ∆T siendo n el número de moles de gas, cV el calor molar a volumen constante y ∆T la variación de temperatura del sistema. Por otro lado, si el proceso de compresión es rápido se considera irreversible, en cuyo caso W=pext∆V, donde pext es la presión ejercida exteriormente sobre el sistema y ∆V la variación de su volumen. Por tanto de la ecuación anterior se obtiene:  n cV ∆T= -pext∆V  Es claro que una disminución importante del volumen lleva a un aumento apreciable de la temperatura del sistema.  En el caso que nos ocupa, la demostración consiste en mostrar el aumento de temperatura “incinerando” una pequeña fibra de algodón. Se usa un cilindro en el que hay encajado un pistón móvil. En primer lugar hay que desenroscar y extraer el pistón, e introducir una pequeña fibra de algodón. Se vuelve a colocar el pistón, se enrosca y se empuja suavemente hacia abajo para hacer descender la fibra. Una vez hecho esto, se levanta el pistón lo máximo posible y se le da un golpe fuerte, seco y rápido hacia abajo puesto previamente el cilindro sobre una superficie firme. Si se hace correctamente, se produce un vistoso llamarazo causado por el súbito aumento de la temperatura del aire interior que quema literalmente el algodón.    COL· LECCIÓ DE DEMOSTRACIONS DE FISICA Podemos estimar aproximadamente el aumento de temperatura del aire que se produce en la compresión adiabática si suponemos que ésta es reversible. En este caso se cumple que  TVγ-1 = cte.  siendo γ la constante adiabática (γ=1,4 para el aire). Considerando los estados inicial (i) y final (f), tenemos  Tf = Ti (Vi/Vf)γ-1  Tomando los datos realistas Ti=293 K y Vi/Vf=5, se obtiene una temperatura final del aire Tf=558 K. La temperatura de combustión del algodón es de unos 508 K.  Comentarios y sugerencias - Es importante que la posición inicial del pistón sea lo más alta posible, para garantizar una disminución máxima del volumen.  - Conviene reducir un poco la iluminación del aula para ver mejor el llamarazo. - Después de la combustión conviene abrir el cilindro y limpiarlo de los restos que haya podido quedar. - Se puede ver un vídeo de demostración en la siguiente dirección:  http://www.arborsci.com/detail.aspx?ID=893  Advertencias   

Demo 53. Compresión adiabática

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