El aire, la presión y el calor.

Experimentos y actividades relacionados con el aire, la presión atmosférica y las formas de transferencia del calor

Referencias:

 Fácil Para los más chiquitos Complicado Requiere Materiales de laboratorio o instrumental Tiene nota de seguridad

El aire pesa  

El mar de aire

El aire se expande al ser calentado (varias actividades)

La fuente de Herón  

Botella-Fuente

¿Cómo se hace una "caja de convección"?

Celda de circulación

El aire es materia

El aire es comprimible

El aire caliente pesa menos que el aire frío

La presión disminuye con la altura

Principio de Pascal

La fuerza del aire

Presión y Fuerza

Presión y área

¿Qué tan poderosa es la presión del aire? Comprobémoslo

Punto de ebullición del agua

Proceso adiabático

Calor específico

Efecto invernadero

Conducción  

Convección: Espiral de viento (El aire al calentarse asciende)

Radiación: Otra forma de transferencia de calor

Construye un radiómetro

El aire pesa

Materiales:

Dos globos, una vara de madera, hilo

Procedimiento:

Infla los globos del mismo tamaño. Ata cada globo a un extremo de la vara de madera y suspende la vara con un hilo, de manera tal que los globos queden balanceados. Revienta uno de los globos. ¿Qué sucede? La vara cae hacia el lado del globo que todavía tiene aire en su interior. El aire comprimido dentro del globo tiene peso y además, su peso es mayor que el del mismo volumen de aire atmosférico.

Sugerencia: Puedes usar una olla para que ambos globos queden inflados del mismo tamaño. Los globos tienen igual tamaño cuando ambos entran en la olla y tocan sus lados

El mar de aire

En palabras de Evangelista Torricelli(1608-1647) vivimos en el fondo de un mar de aire. Sobre cada una de nuestras cabezas tenemos aproximadamente 2 toneladas de aire que ejercen una presión de 101300 N/m2.
¿Cómo es posible que no notemos semejante presión?
La respuesta es que todo nuestro interior está también a esa misma presión. Si en un momento dado todo el aire de la atmósfera desapareciera de la Tierra, literalmente explotaríamos debido a la presión de nuestro interior que no estaría contrarrestada.

Aunque en la superficie de la Tierra todo está sometido a la presión del aire, es posible concebir experiencias que la pongan de manifiesto. Aquí tres actividades sugeridas :

Actividad 1:

Materiales

Un vaso, cartulina

Procedimiento:

Llena un vaso de agua hasta el borde. Pon sobre él una cartulina o una tarjeta postal (si no tienes usa una hoja de papel). Dale la vuelta con cuidado y observa que el agua no se cae. El aire que empuja el papel por debajo, sería capaz de mantener el agua de un vaso de 10 m de altura.

Actividad 2:

Materiales

Vaso, recipiente, agua 

Procedimiento:

Llena un vaso con agua y sumérgelo en un recipiente que contenga agua (boca abajo). Toma el vaso por la parte de abajo y levántalo lentamente hasta que su parte superior casi sobrepase el nivel del agua en el recipiente. Observa que no se vacía. Igual que en la experiencia anterior el aire que empuja la superficie libre del recipiente sería capaz de mantener el agua de un vaso de 10 m de altura.

Actividad 3:

Materiales:

Una regla, papel de diario

Procedimiento:

Pon una regla en el borde de una mesa de tal manera que asome más o menos la mitad. Cubre con una hoja de papel de diario la mitad que queda sobre la mesa. Da un golpe seco sobre el trozo de regla que se ve. Observa que no se cae. La fuerza que ejerce el aire sobre la hoja de periódico lo impide.

El aire se expande al ser calentado

Nota de seguridad Cuidado con el fuego. Haz estas actividades bajo la supervisión de un adulto.

a) Calza el pico de un globo en el gollete de un recipiente tipo Pirex lleno de aire e introduciéndolo en agua caliente o bien por calentamiento del aire del frasco mediante la llama de un mechero verás como el globo se infla. Si ahora lo dejamos enfriar el aire del globo volverá al recipiente, debido a que el aire en el interior del recipiente se contrajo al disminuir la temperatura.

b) Carga aire en una jeringa para inyecciones y obtura el pico con plastilina. Coloca  la jeringa sobre un mechero y podrás ver el movimiento del émbolo. Esto además te permite medir la dilatación del aire en relación al tiempo y tabular y graficar los resultados. 

c) Con un dispositivo como el de la figura, puede observarse que al calentar el frasco que contiene aire, el nivel del agua coloreada sube en la rama derecha del tubo en U. Adicionando un termómetro y calibrando una de las ramas del tubo en U podrás medir la dilatación de una cantidad dada de aire en relación con la temperatura. Podrás volcar asimismo los registros en una tabla y graficar.

d) Necesitas un plato, un vaso, la tapita de una gaseosa, un pedazo de papel, agua y fósforos.  Coloca agua dentro del plato, coloca la tapita de plástico sobre la superficie del agua. Enciende un pedazo de papel con un fósforo y ponlo dentro de la tapita. Ahora cubre con un vaso de vidrio y espera 5 segundos. Debido a que el aire se expande con el calor, saldrá del vaso (se verán burbujitas). De la misma manera, al extinguirse la llama el aire se enfriará y contraerá, y el agua se verá empujada hacia el interior del vaso. Este experimento fue realizado por John Mayow (1641-1679) 

Estas observaciones hacen suponer que el aire se desplaza debido a un calentamiento diferencial. Con la ayuda de una "caja de convección" puede ponerse en evidencia corrientes de aire caliente que suben, y corrientes de aire frío que bajan. Este tipo de corrientes se llaman corrientes de convección (una de las formas por las que el calor se propaga).

La fuente de Herón
Herón de Alejandría (Siglo II a. de C) describió en su "Neumática" dos de sus apasionantes inventos. Uno de ellos fue "Las puertas del templo". Estas puertas se abrían solas cuando se encendía el fuego del altar. El fuego del altar expandía el aire en el interior de un globo (que contenía agua). La expansión del aire hacía que parte del agua pasara a una vasija. El aumento en el peso de esa vasija, empujaba las cadenas y hacía que las puertas se abrieran automáticamente. Cuando el fuego se extinguía se producía el proceso contrario y las puertas se cerraban.

La fuente de Herón consta de tres vasijas: una superior, abierta, a y dos de forma esférica, b y c, herméticamente cerradas. Éstas vasijas están unidas entre sí por tres tubos dispuestos como se indica en la figura. Cuando en a hay un poco de agua, la esfera b está llena de líquido y la c de aire, la fuente empieza a funcionar. El agua pasa por el tubo de a a c, hace que el aire pase de esta esfera a la b y el agua de b, presionada por el aire que entra, sube por el tubo y forma la fuente sobre la vasija a. Cuando la esfera b se queda vacía, el surtidor deja de echar agua.  

Click para ampliarBasados en el mismo principio construiremos nuestra fuente de Herón

En lugar de las esferas utilizaremos frascos grandes (como los de las farmacias)  y en vez de ponerle tubos de vidrio o de metal, los pondremos de goma. La vasija superior no es necesario que tenga agujeros en el fondo; basta introducir en ella los extremos de los tubos. 

 

El agua pasa por el tubo desde la vasija a hasta el frasco c. Al aumentar la cantidad de líquido en c, el aire, empujado por el agua, pasa hacia el frasco presiona el agua y ésta vuelve a la vasija a, por el otro tubo .

 

Cuando el frasco b queda vacío, porque el agua que había en él pasó ya a través de la vasija a al frasco c, los frascos b y c se pueden cambiar de lugar entre sí y la fuente volverá a echar agua, si la boquilla se pone en el otro tubo.

 

Otra ventaja de esta fuente modernizada consiste en que da la posibilidad de variar la situación de los frascos y, de esta manera, estudiar cómo influye la diferencia de niveles del líquido que hay en ellas en la altura a que se eleva el agua que echa la fuente.  

Botella-Fuente

Materiales:

Una botella de vidrio con tapa de plástico a rosca. Un elemento punzante (un sacacorchos, por ejemplo). Colorante, una pajita, plastilina y una aguja.

Procedimiento:

Haz un agujerito en la tapa de la botella, con el sacacorchos.  Llena la botella hasta la mitad con agua fría. Agrega unas gotas de colorante. Enrosca con firmeza la tapa y atraviésala con la pajita (por el agujero). Luego séllala con plastilina. Tapa el extremo de la pajita con una bolita de plastilina y atraviésala con una aguja para hacer un agujerito. Cuidadosamente coloca la botella en un recipiente con agua muy caliente. El aire de la botella se expande, presiona el agua y la fuerza a salir por la pajita. Ya tienes la fuente...

¿Cómo se hace una "caja de convección"?

Nota de seguridad: Haz este experimento bajo la supervisión de un adulto. Ten cuidado con el fuego.

Materiales:

Una caja  de madera, una vela, dos tubos de vidrio para lámpara, pañuelo de papel húmedo

Procedimiento:

La caja tendrá dos orificios superiores y cuatro orificios en cada una de las caras laterales.

Sobre el piso de la caja coloca exactamente debajo de uno de los orificios superiores una vela encendida, que representará una región del globo terrestre calentada por el sol. Cierra la caja y tapa los orificios laterales, dejando abiertos los dos superiores. En la cara superior de la caja coloca dos tubos de lámpara sobre los orificios.

Enciende un pañuelo de papel humedecido para que humee. Acércalo sobre el tubo que no cubre la vela y observa la dirección que toma el humo. Verás que desciende y luego asciende por el tubo que cubre la vela. ¿Por qué? Porque el aire cuando se calienta se hace más liviano, menos denso, por eso asciende. En cambio el aire relativamente más frío se hace más denso y desciende, tendiendo a ocupar el lugar que deja el aire calentado en su ascenso. Esto ocurre en la atmósfera entre dos lugares que sufren calentamientos diferenciales  como por ejemplo entre el Ecuador y los Polos.

Celda de circulación

Si en tu casa existe alguna habitación calefaccionada puedes hacer la prueba. Coloca una vela en la puerta de la habitación al ras del suelo y otra en la parte superior de la puerta. Podrás ver así la inclinación de la llama y verificar que el aire frío más pesado entra a la habitación por debajo, mientras aire caliente sale por encima.

El aire es materia

Materiales:

Procedimiento:

Coloca el embudo en la boca del tubo de ensayo. Sella con plastilina el intersticio para que cierre herméticamente. Vuelca lentamente agua en el embudo. Verás que el agua no ingresa, queda en el embudo, ya que el interior del tubo está lleno de aire. Perfora ahora con un clavo la plastilina. Verás que el agua ingresa al tuvo ya que a medida que lo hace el aire sale por el orificio que acabamos de hacer. Por lo tanto, el aire es materia y como tal es impenetrable (dos cuerpos no pueden ocupar a la vez el mismo lugar en el espacio)

El aire es comprimible

Podemos comprobarlo inflando un globo y luego apretándolo con las manos.

Verifiquémoslo ahora con una jeringa llena de aire. Sella la punta con plastilina. Al presionar el émbolo logramos que el aire ocupe un volumen menor, este es aire comprimido. Si soltamos el émbolo éste recupera su lugar primitivo ya que el aire comprimido es elástico. En este momento la presión el aire dentro de la jeringa es igual a la presión atmosférica.

El aire caliente pesa menos que el aire frío

Materiales:

Dos globos, vara de madera, hilo, dos latas, un lápiz

Procedimiento:

Infla los dos globos del mismo tamaño. Ata cada globo a un extremo de la vara de madera (larga y delgada). Colócala  en equilibrio sobre un lápiz sostenido por dos latas y marca el punto de equilibrio sobre la madera.

Ahora coloca uno de los globos en un lugar frío (por ejemplo, la heladera) y el otro en un lugar templado (por ejemplo, próximo a una estufa). Deja salir un poco de aire del globo templado y sopla algo de aire en el globo frío para que tengan el mismo tamaño. Coloca nuevamente la vara con los globos sobre el lápiz en el punto de equilibrio marcado anteriormente. ¿Qué pasa? El aire frío pesa más que el aire caliente y la vara se inclina hacia el globo que lo contiene.

La presión disminuye con la altura

Nota de seguridad Ten cuidado. Haz este experimento con la supervisión de un adulto. Puedes lastimarte.

Materiales:

Una lata, martillo y un clavo

Procedimiento:

Usando el martillo y el clavo haz tres orificios del mismo tamaño en un lado de la lata. Debe hacer uno cerca de la base, otro en el centro y otro cerca de su tope (en línea). Llena la lata con agua.

El agua saldrá con mayor presión por el orificio inferior y la presión disminuirá hacia arriba.

Principio de Pascal

Nota de seguridad Ten cuidado. Haz este experimento con la supervisión de un adulto. Puedes lastimarte.

Materiales:

Una lata, martillo, un clavo

Procedimiento:

Usando el martillo y el clavo realiza varios hoyos alrededor de la base de la lata. Llena la lata con agua. El agua sale de la misma manera por todos los hoyos.

Los fluidos transmiten la misma presión en todas direcciones.

Este principio fue usado por Pascal en la invención de la prensa hidráulica

La fuerza del aire

Materiales:

Una sopapa y una silla

Procedimiento:

Humedece la parte de goma de la sopapa y presiónala firmemente sobre el asiento de la silla, de manera que todo el aire sea expelido. Podrás levantar la silla con la sopapa.

La fuerza del aire fuera de la sopapa es mayor que la del aire en el interior de la misma.

Ahora prueba con dos sopapas. Humedece las superficies de goma y presiona una sopapa contra la otra, de manera que el aire salga de ambas. Trata de separarlas. Te costará muchísimo esfuerzo. Este experimento es análogo al realizado por Von Guernicke en 1657. Él utilizó dos hemiesferas de bronce a las que se les extrajo el aire de su interior. La fuerza de numerosos caballos no logró separar las hemiesferas. La presión atmosférica es la que las mantuvo unidas.

Otra forma de probarlo...Levanta dos vasos sin tocarlos

Materiales:

Dos vasos, un globo

 Procedimiento:

Pon los vasos recostados sobre la mesa como a una distancia de dos centímetros uno del otro y con los bordes hacia adentro (enfrentados). Pon el globo desinflado entre los dos vasos. Lentamente infla el globo. Esto hará que los vasos se separen. Levanta el globo. Los vasos también se levantarán.

El aire se escapará del interior de los vasos a medida que el globo vaya ocupando su lugar, por lo tanto la presión en el interior de los vasos será menor que la presión atmosférica y los vasos se mantendrán adheridos al globo.

Presión y Fuerza

Materiales:

Una taza de succión de goma (sopapa) con un gancho adosado, papel cuadriculado, balanza de resorte.

Procedimiento:

Adhiere la sopapa (con el gancho adosado) a la superficie. La fuerza necesaria para despegarla deberá medirse con la balanza de resorte. El área en que la atmósfera está presionando la sopapa se mide usando el papel cuadriculado. El cociente entre ambos valores (fuerza y área)  es la presión atmosférica.

Presión y área

Nota de seguridad Toma este experimento como anecdótico, simplemente como la forma de entender por qué hay personas que pueden dormir sobre una cama de clavos.

Materiales:

Tabla de madera de 1 x 0.5 m, 50 clavos

Procedimiento:

Clava los 50 clavos en la tabla, espaciados 1 cm uno del otro. Podrás echarte sobre la tabla e incluso con peso encima, pero no podrías hacerlo sobre un solo clavo.

La presión es inversamente proporcional al área. Cuanto mayor es el área menor es la presión.

¿Qué tan poderosa es la presión del aire? Comprobémoslo

Nota de seguridad Haz este experimento con la supervisión de un adulto , puedes quemarte.

Materiales:

Un plato caliente, una lata de gaseosa vacía, dos agarraderas, un recipiente profundo lleno de agua fría

Procedimiento:

Introduce una cucharada de agua dentro de la lata. Coloca la lata con el lado abierto hacia arriba, dentro de un plato caliente. A medida que el agua se calienta, la lata se llena de vapor de agua, y éste escapa por la abertura. Usa las agarraderas para sacar rápidamente la lata del plato caliente y colócala dentro del recipiente con agua fría, pero esta vez boca abajo. Rápidamente, la lata se abollará y hará un sonido "pop".

La presión del aire disminuye a medida que el vapor de agua se condensa dentro de la lata y ésta se abolla porque la presión en su interior es menor que la presión en el exterior.

Punto de ebullición del agua

Nota de seguridad Haz este experimento bajo la supervisión de un adulto. Puedes quemarte

Materiales:

Botella Pirex, recipiente, agua.

Procedimiento:

Cuidadosamente coloca agua hirviendo en la botella Pirex. Séllala e inviértela sobre un recipiente. Echa agua fría sobre la botella. El agua hervirá de nuevo.

La temperatura de ebullición del agua depende de la presión en la superficie del líquido. Si la presión disminuye, también disminuye la temperatura de ebullición. Echando agua fría sobre la botella, disminuimos la presión del aire en el interior.

En la cima del Everest (9000 metros sobre el nivel del mar), la presión del aire es de aproximadamente 300 Hpa y la temperatura de ebullición del agua es de aproximadamente 70ºC. Esta temperatura no es la ideal para preparar un té, a esa altitud podrás preparar un té más rápidamente pero no tendrá un buen sabor.

Proceso adiabático

Materiales:

Lata de gaseosa o cerveza (cerrada)

Procedimiento:

Abre la lata. Observa la formación de una pequeña nube sobre ella.

Como resultado de una expansión adiabática del gas (CO2) en la lata, la temperatura decrece rápidamente. Esto hace que el vapor de agua se condense y se vea esa pequeña nube.

John Dalton (1766-1844) observó que el aire aumentaba su temperatura al ser comprimido y disminuía su temperatura al ser expandido. Descubrió, en consecuencia, el principio de los cambios adiabáticos. Los procesos adiabáticos ocurren sin intercambio de calor con el entorno y siguen una ley más general formulada por Henri Louis Le Châtelier (1850-1936). "Si algún cambio externo se impone al sistema, el sistema reaccionará opuestamente a él". Con el ejemplo de la compresión del aire, según el principio de Le Châtelier la temperatura aumenta para oponerse a la disminución del volumen. Los cambios adiabáticos acompañan a los movimientos verticales del aire en la atmósfera. El aire al ascender se expande y enfría porque la presión decrece con la altura. En cambio al descender se comprime y calienta.

Calor específico

Materiales:

Dos termómetros, dos recipientes de vidrio, tierra y agua

Procedimiento:

Llena un recipiente con tierra y el otro con agua. Expone ambos recipientes al sol durante aproximadamente 1 hora. Mide la temperatura en ambos. La tierra se calentará más rápidamente que el agua.

Ahora mueve  ambos recipientes a un área más fría o a la sombra. La tierra se enfriará más rápidamente.

El agua y la tierra tienen diferentes valores de calor específico. El calor se deposita en unos pocos cm en la tierra y en todo el volumen de agua.

Joseph Black (1728-1799) definió el calor específico como la cantidad de calor necesaria para cambiar la temperatura de un gramo de una sustancia en 1ºC. La unidad de calor específico es la caloría y representa la cantidad de calor necesaria para elevar en 1ºC la temperatura del agua de 14 a 15ºC.

Black también descubrió que la condensación, congelación y evaporación están acompañadas por el pasaje de calor llamado calor latente (que es absorbido o liberado en las transformaciones hielo-agua-vapor), de esta manera la temperatura durante los cambios de estado permanece constante.

Efecto invernadero

Materiales:

Dos termómetros, un  frasco o campana de vidrio

Procedimiento:

Coloca los dos termómetros al sol durante una hora, uno de ellos cubierto por el frasco de vidrio. Al cabo de ese tiempo lee las temperaturas en ambos termómetros. El más caliente será el cubierto por el frasco de vidrio.

En la atmósfera el vapor de agua, el CO2 y otros gases absorben la radiación terrestre impidiendo que escape hacia el espacio. La superficie de la tierra recibe energía del sol y de la atmósfera, por lo tanto si no existieran estos gases la tierra tendría una menor temperatura. En este experimento el mecanismo primordial para que el aire esté más caliente en el interior de frasco es la supresión de la convección y del intercambio entre el interior y el exterior del frasco. Por lo tanto el vidrio actúa como en un invernadero, haciendo el papel de los gases atmosféricos. Permite la entrada de la radiación solar, pero no la salida de la radiación de onda larga o terrestre producida en el interior del frasco por la superficie calentada.

Conducción

Nota de seguridad Ten cuidado con el fuego. Haz este experimento bajo la supervisión de un adulto

Materiales:

Agua, vela, vaso de papel

Procedimiento:

Coloca agua hasta la mitad dentro del vaso de papel. Sostén el vaso sobre la vela encendida. El agua puede hervir sin que el papel se queme.

El papel conduce el calor desde la llama hasta el interior del vaso, y como resultado permanece frío. El vaso se encendería a una temperatura mayor que la de ebullición del agua

Convección: Espiral de viento (El aire al calentarse asciende)

Nota de seguridad Haz este experimento bajo la supervisión de un adulto. Ten cuidado con el fuego

  1. Corta el espiral de papel que aquí se adjunta, por las líneas punteadas.
  2. Realiza un orificio en el centro del espiral
  3. Atraviesa un pedazo de cuerda a través del centro y hazle un nudo en el extremo
  4. Utiliza el otro extremo para sostener el espiral sobre una lámpara encendida y caliente.

El calor del sol calienta la superficie y ésta a su vez calienta el aire. El aire caliente se hace más liviano y asciende. El aire ascendente causa el movimiento del espiral.

 

Radiación: Otra forma de transferencia de calor

¿Cómo llega el calor de una fogata a nosotros? No lo hace por conducción porque el aire es muy buen aislante, tampoco lo hace por convección ya que de sea manera el aire asciende, lo hace por una forma de transmisión de energía llamada radiación. El calor se "irradia", así recibimos el calor del sol y así se emite el calor de la Tierra. Las superficies totalmente negras absorben las radiaciones y se calientan, las blancas o metálicas las devuelven.

  1. Interponer la mano en el trayecto de un rayo de sol que penetre en tu habitación ¿Se detiene el rayo luminoso?
  2. Coloca tu mano frente a una vela ¿Se siente calor? Interponer un libro ¿Ahora se percibe el calor?
  3. Coloca un vidrio plano entre una fuente luminosa y la mano ¿Deja pasar el calor?
  4. Repite la actividad, pero ahora coloca el vidrio delante de una fuente calórica oscura (una plancha, un radiador, un recipiente con agua hirviendo) ¿Se recibe el calor?

Los resultados serán los siguientes: el sol emite energía (calor) en forma de radiación. Cualquier objeto opaco detiene el pasaje de esta energía. En cambio el vidrio no la detiene. En el caso de objetos negros (es decir,  no luminosos) su calor no atraviesa el vidrio. Este es el principio que se usa en los invernaderos. El vidrio permite el pasaje de los rayos del sol e impide la salida de la radiación o calor emitido por la Tierra.

Construye un radiómetro (un radiómetro es un instrumento que se usa la reflexión y la absorción para medir la energía solar)

Materiales:

Un marcador negro, la envoltura de un chicle (los que tienen un lado blanco y el otro plateado), un frasco de mermelada vacío, un lápiz, papel de aluminio, pegamento fuerte, hilo y un fósforo

Procedimiento:

Con el marcador pinta de negro el lado blanco del envoltorio de chicle. Córtalo en cuatro pedazos de 2 por 2,5 cm. Une los pedazos de papel a uno de los extremos del fósforo, con las superficies brillantes en la misma dirección. Pega 12 cm. de hilo en el otro extremo. Envuelve el lado libre del hilo alrededor del lápiz y asegúralo con cinta adhesiva de tal manera que el radiómetro quede suspendido dentro del frasco. Ahora colócalo en un lugar con mucho sol.

 

El radiómetro gira cuando la energía solar es absorbida por las superficies negras y reflejada por las brillantes.
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