Diseño, construcción de termómetros y gradación

TALLER 1

CAMBIO DE TEMPERATURA  - CAMBIO DE VOLUMEN

1. Si en un tubo de vidrio angosto, cerrado en uno de sus extremos vaciamos alcohol y lo introducimos en un baño de agua caliente, notamos que la columna de alcohol aumenta su altura, mientras que si lo introducimos en agua helada, ésta disminuye.

1. Elabore una gráfica en la que exprese comportamientos posibles del volumen del líquido en cuestión con la temperatura.
   
   

NOTA: Temperaturas de fusión y ebullición indican el límite de medición de temperatura. 

Propiedades etanol
T fusión	114,1°C
T ebullición	78,37°C
Coeficiente de dilatación	1 * 10-3 °C-1

Volumen (x3)	1,00000	1,00100	1,00200	1,00300	1,00400	1,00500	1,00600	1,00700	1,00800	1,00900
Temperatura(°C)	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10

2. ¿Qué información sobre el baño de agua nos da el aumento o disminución de la altura de la columna de alcohol?

La energía que gana o pierde el etanol al entrar en contacto con una sustancia a diferente temperatura hasta alcanzar el equilibrio e indicar una marca (distancia-altura). Dicha energía afectará la cinético-molecular del etanol (CH3-CH2-OH) con relación a las fuerzas y choques intermoleculares provocando una dilatación de esta sustancia que será visible por la altura del capilar. Dicha relación está dada por su coeficiente de dilatación: 1*10-3 °C-1 (a 20°C).

2. Teniendo en cuenta la dilatación de la sustancias por el calor se construyen los termómetros, que son usualmente considerados como instrumentos que permiten una medida de la temperatura. Para ello se introduce la sustancia en un capilar (para magnificar los efectos), se determina las alturas de la columna de la sustancia correspondientes a temperaturas fijas a las que ocurre cierto tipo de transformaciones, que son utilizados como referencia (por ejemplo, la temperatura a la cual se funde el hielo y la temperatura de ebullición del agua); la altura entre las dos marcaciones se divide en partes iguales (tal graduación se puede extender por fuera del espacio definido por las dos marcaciones de referencia). El paso de una marcación a la siguiente se considera que corresponde a un aumento o disminución de la temperatura en una unidad.

1. ¿Qué supuesto se está manejando cuando se hace la división de la columna de la sustancia para graduar el termómetro?

Se parte de una magnitud conocida y fácilmente comprensible: la longitud; medida en mm o centímetros con relación a la altura (también una distancia). Se esperaría que también estuviera bien estandarizada. Puede pensarse que el el aumento del volumen está en relación 1:1 con respecto a la altura y diámetro del capilar.

2. Considere ahora que se construyen dos termómetros en tubos de vidrio del mismo diámetro con volúmenes iguales de sustancias diferentes (agua y alcohol) a la temperatura del medio ambiente y se gradúan de acuerdo a los criterios arriba mencionados. Si al determinar la temperatura de un cuerpo dado, se encuentra que mientras en el primer termómetro la sustancia se dilata de modo que pasa de una marcación a la siguiente, en el otro la altura alcanzada por la sustancia no coincide con la marcación correspondiente, ¿qué puede concluir al respecto? ¿cuál de las dos lecturas se puede considerar válida? ¿hay o puede establecer algún criterio para ello?

El coeficiente de dilatación del agua es 2,1*10-4, mientras que el del etanol es 1*10-3 a 20°C, ello se refiere a la razón de aumento del volumen del agua o etanol por grado Celsius. Siendo mayor en el caso del etanol, de allí la variación en la altura. No podría establecerse un criterio de validez debido a la naturaleza de las sustancias y sus respectivas propiedades. En el caso del agua, presenta un comportamiento atípico entre 0-4°C, pues el volumen disminuye por el aumento de temperatura (debido al establecimiento de puentes de hidrógeno), indicando su menor densidad a 4°C. Por ende, adicionalmente, para establecer criterios se debe tener como referente temperaturas de fusión y ebullición de ambas sustancias.

Construyamos un termómetro

IDEA TERMÓMETRO: Termómetro de Galileo: 

https://www.youtube.com/watch?v=CudUTbsKVvg

http://www.educaplus.org/game/termometro-de-galileo

MATERIALES: 

1. Tubo largo de vidrio 
2. Jeringa con aguja 
3. Colorante alimenticio
4. Bombillas (8)
5. Monedas (8)
6. Alambre cobre 
7. Pegamento contra agua
8. Lima uñas
9. Pinzas
10. Vasos plásticos
11. Termómetro digital o mercurio

El termómetro de Galileo es un termómetro formado por un tubo de vidrio que contiene un líquido transparente con un coeficiente de dilatación mayor que el del agua. y un conjunto de ampollas de vidrio soplado sumergidas en él.

¿Cómo funciona el termómetro?

El físico Galileo Galilei descubrió que la densidad de un líquido cambia según la temperatura. Rápidamente se dio cuenta que este fenómeno podía aprovecharse para crear un instrumento destinado a medir la temperatura ambiente, y así fue como nació el denominado “termómetro de Galileo

Las esferas se calibran tomando como referencia la temperatura del ambiente y se calibran con la ayuda de un termómetro de vidrio, en este caso se tomaron dos puntos de referencia por encima de la temperatura ambiente y dos puntos de referencia por debajo de la misma ( 6,10,18,26,35 °C).

De este modo, cuando la temperatura del líquido del tubo cambie, las esferas se moverán a lo largo de la columna de agua y la que se ubique en la mitad del tubo mostrará el valor de la temperatura del liquido y por ende de la temperatura del ambiente donde se encuentre dicho artefacto.

El termómetro de Galileo presenta algunas limitaciones con relación a la gradación y a su calibración, pues se necesita partir de un valor de la temperatura ambiental y la de los otros puntos de referencia, por lo que es necesario el uso de un termómetro convencional para realizar este paso. Sin embargo, es un artefacto que relaciona un elemento interesante como la densidad de los fluidos para pensarnos en la dinámica de los fenómenos térmicos.