UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

LABORATORIO 01

CÁTEDRA: Termodinámica de los Procesos Químicos I

EL DIABLILLO DE DESCARTES Y CAMBIO DE

VOLUMEN POR EFECTO DE LA
TEMPERATURA
PRESENTANDO AL:

Ing. FUENTES LOPEZ Walter S.

PRESENTADO POR:

BARJA CAMARGO, Franco (IQ)

CABRERA RUDAS, Jhoberson (IQ)
IBARRA DOMINGUEZ, Brayan (IQ)
ORIHUELA ORIHUELA, Ronaldo (IQ)
PARIONA CAHUANA, Raquel (IQ)
QUILLATUPA ALANYA, Katherine (IQI)
RAMOS GONZALES, Angeli Paola (IQI)
VELASQUE OROSCO, Johana Corali (IQI)

SEMESTRE: V

HUANCAYO, 2018
 OBJETIVOS

 Comprender y experimentar el Principio de Pascal, Principio de

Arquímedes y Ley de Boyle que se pudo observar en el experimento “el
diablillo o ludión de descartes”.
 Comprender el efecto de la presión sobre el volumen a temperatura
constante.
 Comprender la diferencia de la presión interna y la presión externa al
suministrar calor a través de las paredes o límites del sistema.
.
I. MARCO TEORICO
1.1. LUDIÓN (EL DIABLILLO DE DESCARTES):
En su versión original fue obra de Descartes. El nombre "Ludión" se debe
a que su propósito era eminentemente lúdico (lúdico proviene del idioma
latín, específicamente de la palabra ludus que se traduce como juego,
diversión o broma). En una botella llena de agua, se encontraba
sumergido un diablillo (ejem, Un tubo de ensayo) que se movía según se
presionase más o menos la botell. (Cengel, 1996)

Sobre este recipiente pequeños que están sumergidos actúan, como

sobre cualquier cuerpo que se encuentre en agua, dos fuerzas: el peso
(vertical y descendente) y el empuje (vertical y ascendente). Al presionar
las paredes de la botella, el agua se introduce en el pequeño recipiente
comprimiendo el aire de su interior. Al ser menor el volumen de aire y
mayor el de agua, el peso aumenta, el empuje disminuye y lógicamente
se hunde. Lo contrario sucede cuando se deja de presionar la botella,
subiendo el diablillo. (Cengel, 1996)

La explicación teórica de la experiencia del diablillo de descartes es, en

realidad, muy sencilla. Se basa en dos de los principios más conocida de
la hidrostática, conocidos como principios de Arquímedes y de Pascal.
(Cengel, 1996) Dichos principios se basan en:

1.2. PRINCIPIO DE PASCAL

La presión aplicada en un punto de un líquido incompresible contenido en
un recipiente se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del
mismo. Este enunciado, obtenido a partir de observaciones y
experimentos por el físico y matemático francés Blas Pascal (1623-1662),
se conoce como principio de Pascal. (Soriano, 2005)
 Ilustracion 1

Fuente: http://hidrostatica.galeon.com

El principio de Pascal afirma que, si se aplica una presión externa a

un fluido confinado, la presión en todo punto del fluido aumenta por
dicha cantidad. Sin embargo, si te detienes a pensar un momento, de
la ecuación fundamental de la hidrostática. (Segura, 1988)

Se puede deducir que si se aumenta de algún modo la presión , la

presión en cualquier punto también aumenta en la misma cantidad,
es decir, el principio de Pascal es una consecuencia de la ecuación
fundamental de la hidrostática. (Segura, 1988)

…………………(1)

1.3. LA PRENSA HIDRÁULICA

La prensa hidráulica constituye la aplicación fundamental del principio
de Pascal y también un dispositivo que permite entender mejor su
significado. Consiste, en esencia, en dos cilindros de diferente sección
comunicados entre sí, y cuyo interior está completamente lleno de un
líquido que puede ser agua o aceite. Dos émbolos de secciones
diferentes se ajustan, respectivamente, en cada uno de los dos
cilindros, de modo que estén en contacto con el líquido. (Alarcon,
1999) Como se muestra en la figura:
 Ilustracion 2

Fuente: http://hidrostatica.galeon.com

Cuando sobre el émbolo de menor sección S1 se ejerce una fuerza

F1 la presión P1 que se origina en el líquido en contacto con él se
transmite íntegramente y de forma instantánea a todo el resto del
líquido; por tanto, será igual a la presión P2 que ejerce el líquido sobre
el émbolo de mayor sección S2, es decir, si la sección S2 es veinte
veces mayor que la S1, la fuerza F1 aplicada sobre el émbolo pequeño
se ve multiplicada por veinte en el émbolo grande.
El volumen de líquido desplazado por el pistón pequeño se distribuye
en una capa delgada en el pistón grande, de modo que el producto de
la fuerza por el desplazamiento (el trabajo) es igual en ambas ramas.
(Alarcon, 1999)
𝐹
Como 𝑃1 = 𝑃2 Y 𝑃 = 𝑆

𝐹1 𝐹2 ………………… (2)
=
𝑆1 𝑆2
1.4. PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES
Un cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido es sostenido
por una fuerza igual al peso del fluido desplazado por el cuerpo.
(Cengel, 1996)

Una forma de entender el principio de Arquímedes es:

Ilustracion 3

Fuente: http://www.sc.ehu.es

En la imagen, el cuerpo es introducido al recipiente que contiene agua,

y al observar el diámetro, podemos ver que el peso del cuerpo a
disminuido.

Este cuerpo recibe una F, debido a la presión ocasionada por el

líquido que estas encima y el área del cuerpo; y actúa hacia abajo.

𝐹1 = 𝑃1 𝐴

𝑭𝟏 = 𝑷𝒆 𝑯𝟏 𝑨 ………………… (3)

Este cuerpo también recibe una fuerza contraria F debido a la presión

ocasionada por la altura h, sobre la base inferior. Esta fuerza va hacia
arriba.

𝐹2 = 𝑃2 𝐴
 𝑭𝟐 = 𝑷𝒆 𝒉𝟐 𝑨 ………………… (4)

Como las dos fuerzas son contrarias, se calcula la diferencia

𝐹𝐴 = 𝐹2 − 𝐹1

𝐹𝐴 = 𝑃𝑒 ℎ2 𝐴 − 𝑃𝑒 ℎ1 𝐴

𝑭𝑨 = 𝑷𝒆 𝑨(𝒉𝟐 − 𝒉𝟏 ) ………………… (5)

(ℎ2 − ℎ1 ) es la longitud del cuerpo, tenemos

𝐹𝐴 = 𝑃𝑒 𝐴𝑙

𝐴𝑙(área por longitud) es el volumen del cuerpo

………………… (6)
𝑭𝑨 = 𝑷𝒆 𝑽

Donde el V es el volumen del agua desalojada y el volumen del

propio cuerpo. Entonces, la fuerza ascendente que soporta un
cuerpo sumergido, es igual al peso del líquido desalojado.

Ilustracion 4

Fuente:http://www.sc.ehu.es
 Cuando la fuerza ascendente es menor que el peso del cuerpo, ésta
se va hasta el fondo y cuando se logra equilibrar, el cuerpo flota.

El principio de Arquímedes se aplica para cualquier fluido, es decir,

cualquier líquido o gas.

Cuando un objeto flota sobre el agua, desplaza un peso de agua igual

al peso del objeto.

Ilustracion 5

Fuente:http://www.sc.ehu.es

Existe el peso del cuerpo que va hacia abajo, y la fuerza hacia arriba
que equilibra el peso del cuerpo que se encuentran flotando se llama
empuje.

La fuerza de empuje es igual peso del objeto que sostiene; y esta

fuerza es debida a la presión que está soportando el cuerpo. Según
el principio de Arquímedes, esa fuerza de empuje es igual al peso del
líquido desalojado. (Bouche, 1970)

1.5. EXPLICACIÓN DEL FENÓMENO ACONTECIDO

Sabiendo ya el principio de Arquímedes "todo cuerpo sumergido en
un fluido experimenta un empuje vertical hacia arriba igual al peso del
fluido que desaloja". En el momento inicial el pequeño tubito se
encuentra en equilibrio ya que el empuje del agua es igual a su peso.
(Segura, 1988)

Ahora según el principio de Pascal "un aumento de presión en un

punto de un fluido encerrado se transmite a todos los puntos del
 mismo". Cuando apretamos la botella ejercemos una presión que se
transmite hasta el tubo que contiene agua, haciendo que se aplaste,
con ello su volumen disminuye y el empuje, que depende del volumen
de la pajita, será menor por eso el ludión se hunde. Al dejar de apretar
y recuperar su volumen vuelve al punto inicial. (Segura, 1988)

Ilustracion 6

Fuente: http://www.ugr.es

1.6. PRINCIO DE BOYLE:

Un gas ideal es aquel que cumple unas condiciones determinadas

expresadas en forma de leyes simples, que veremos a continuación.
Muchos gases se comportan como ideales a baja presión.
Históricamente, la primera de las leyes de los gases ideales se debe
al inglés Boyle y al francés Mariotte e indica que, para una
temperatura determinada, el producto de la presión P por el volumen
V de un gas permanece constante K: (Alvarenga, 1996)

𝑷𝑽=𝑲 ………………… (6)

Por tanto, la presión es inversamente proporcional al volumen o

viceversa.

K
P =
V
 𝐕 = 𝐊/𝐏 ………………… (7)

Ambas expresiones corresponden a la ecuación de una hipérbola. La

gráfica muestra líneas de (V, P) para distintas temperaturas. En cada
hipérbola la temperatura permanece constante y se llama isoterma.
(Alvarenga, 1996)

Ilustración 7

Fuente: http://webs.um.es

1.7. LEY DE CHARLES Y DE GAY-LUSSAC

Charles estudió la relación entre la temperatura a la que se encuentra un
gas y el volumen que ocupa, observando que si una masa fija de gas se
calienta a presión constante, su volumen aumente proporcionalmente a la
temperatura en Kelvin. (Alvarenga, 1996)
 Ilustracion 8

fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Charles

Si observamos la imagen, veremos a diferencia entre el aire a temperatura

ambiente (izquierda) y el aire caliente (derecha), en el segundo caso, el
volumen ocupado es mayor. Si se deja enfriar hasta la temperatura inicial,
el globo también vuelve a tener el tamaño inicial. (Alvarenga, 1996)

Esta ley se puede explicar como:

𝑉ൗ = 𝑐𝑡𝑒 𝑉1 𝑉
𝑇 o ൗ𝑇 = 2ൗ𝑇
1 2 …………………………...(8)

De esta misma forma, al enfriar el gas su volumen disminuye.

Ilustración 9

Fuente: https://es.educaplus.org/LeydeCharles
 Gay Lussac estudio experimentalmente el comportamiento de los gases
cuando se calentaba una masa fija de un gas en un recipiente de volumen
constante observo que al aumentar la temperatura, la presión también lo
hacía de forma proporcional. (Alvarenga, 1996)

Esta ley se puede explicar como:

𝑃ൗ = 𝑐𝑡𝑒 𝑃𝑖
𝑇 o ൗ𝑇 =
𝑖
….………………..(9)
𝑃

II. METODO Y DESCRIPCION DEL EQUIPO

2.1 METODO

Experimental y práctico.

2.2 DESCRIPCION DEL EQUIPO

En el experimento de laboratorio de operaciones unitarias (LOPU); se

trabajó con botellas descartables las cuales están llenas de agua ,
además de estos objetos teníamos un hervidor que nos servía para
realizar el segundo experimento.

2.3 MATERIALES Y EQUIPOS:

 Botella Descartable 02
 Tubo de ensayo pequeño 01
 Hervidora 01
2.4 REACTIVOS:
 Agua

2.5 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

El ingeniero nos enseñó el procedimiento que se debía seguir en los

dos experimentos respectivos.

Primer Experimento:

 Llenamos la botella de agua.

  Ponemos el tubo de ensayo pequeño y cerramos
herméticamente.
 Presionamos la botella y observamos el proceso que ocurre
dentro de la botella.
 Describimos lo que ocurre en el sistema.

Segundo Experimento:

 Cerramos la botella herméticamente.

 Procedemos a calentar el agua en una hervidora.
 Sumergimos la botella herméticamente cerrada en el agua
caliente.
 Procedemos a dejarla unos cuantos minutos y la sacamos.
 La enfriamos con agua fría y observamos el fenómeno.
 Describimos lo que ocurre en el experimento.
III. RESULTADOS
 El fenómeno de diablillo de descartes.
 Efecto de la presión sobre el volumen a una temperatura constante.
3.1 DISCUSIÓN DE RESULTADOS
 Para entender el fenómeno de diablillo de descartes, tenemos que tener
en cuenta el principio de pascal y el principio de Arquímedes, en un inicio
el tubo de ensayo pequeño con algo de agua está flotando dentro de la
botella con agua allí es donde interviene la fuerza Peso y la fuerza de
empuje de abajo hacia arriba (principio d Arquímedes), al aplicar una
fuerza sobre una determinada área que es la presión en la botella se
experimenta la misma presión en todas las direcciones dentro de la
botella ( principio de pascal) y es allí donde la masa de aire que contiene
el pequeño tubo de ensayo se comprime disminuyendo el volumen de
aire (↑ 𝜌 = 𝑚/↓ 𝑉) y la fuerza de empuje también disminuye (↓ 𝐹𝑒 = 𝜌 ∗
𝑔 ∗↓ 𝑉) es donde se presencia el equilibrio dentro del tubo de ensayo (el
mismo volumen de aire y agua) es por eso que la propia fuerza de peso
del tubo de ensayo predomina y tiende bajar a la base de la botella.

 En este segundo experimento se cumple el principio de charles y gay

Lussac, en un inicio tenemos una botella cerrada que tiene un volumen
fijo, con el principio de Gay- Lussac al suministrarle mayor calor, las
partículas de aire dentro de la botella se moverá rápidamente chocando
con las paredes de la botella y la presión aumentara, lo opuesto sucede
cuando se enfría el aire memorando también la presión que se va a
ejercer. También con el principio de Charles ocurre, que cuando hay un
incremento de temperatura las partículas de aire dentro de la botella se
van a excitar moviéndose, expandiéndose y ocupando mayor espacio y
si abrimos la botella las partículas de aire saldrán contrayéndose la
botella; mientras que al enfriar el aire menoramos el movimiento de las
partículas.
IV. CONCLUSIONES
 Concluimos que en el sistema en el interior de la botella inicialmente flota
en el agua porque su peso se iguala al empuje ejercido por el agua
(Principio de Arquímedes); También comprendimos que al aumentar la
presión en las paredes de la botella y este aumento de presión es
transmitido a todos los puntos del fluido incluyendo la del sistema del
interior (Principio de Pascal).
Así como también pudimos discernir que el aumento de presión hace que
disminuya el volumen de aire en el sistema interior, suponiendo que la
temperatura se mantiene constante (Ley de Boyle).
 Pudimos inducir que, al calentar la botella, en el interior del sistema las
moléculas del aire están excitadas y al aperturar el sistema libera masa
del aire.
 Pudimos observar que la masa del aire en el sistema se enfría y ocupa el
espacio que dejaron las moléculas liberadas.
RECOMENDACIONES:

 Al presionar la botella, el tubo de ensayo empezara a caer, pero no se le

debe dar vuelta a la botella.
 Al introducir el tubo de ensayo a la botella debe estar con la abertura hacia
abajo. Debe realizarse lentamente y con cuidado. En caso necesario,
puede añadirse agua para suplir pérdidas posibles.
 REFERENCIAS

 Alarcon, J. (1999). Simulacion y Calculos de siglos de ciclos termodinamicos.

Bellisco.

 Alvarenga, B. (1996). Fisica General con Experimentos sencillos . Mexico :

CECSA.

 Amparo, C. Y. (1996). Termodinamica. Mc Graw-Hill.

 Bouche. (1970). fundamentos de la física. méxico: Mc Graw-Hill.

 Cengel, Y. A. (1996). Termodinamica. Mc Graw-Hill.

 Moran M.J & Shapiro H.N . (1999). Fubdamentos de termodinamica tecnica .

Reverte .

 Segura, J. (1988). Termodinamica Tecnica. Editorial Reberte SA.

 Soriano, J. A. (2005). Termodinamica Logica y Motores Termicos. Mexico: S.A.

 ANEXOS

ANEXO 1

Fuente: laboratorio de procesos termodinámicos I facultad de ingeniería

Química, UNCP

ANEXO 2

Fuente: laboratorio de procesos termodinámicos I facultad de ingeniería

Química, UNCP