Proyecto Quimica Final 2
-
Upload
eduardo-campos-robles -
Category
Documents
-
view
3 -
download
0
description
Transcript of Proyecto Quimica Final 2
Instituto Politécnico Nacional
Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería Campus Guanajuato
Ingeniería en Aeronáutica
Química Aplicada
2AM1
“Medición de la intensidad luminosa producida por un foco de luz casero con diferentes gases”
Integrantes: Canales Mancilla Gibran Hernández Melchor Miguel Angel Erick Aaron Vences Martínez Padilla Delfin Felipe Perea Campos Luis Rodrigo Jesus Alberto Valdivia del Angel
Prof. Luis Angel Garcia de la Rosa
Silao de la Victoria, Guanajuato 27 de Mayo de 2015
Objetivo
Observar las diferencias de intensidad luminosa de diferentes gases dentro de
un foco de luz casero.
Problema a resolver
Se busca mejorar la eficiencia de los focos regulares realizando una
comparación entre diferentes gases incluyendo el mismo gas presente en los
focos regulares dentro de un foco prototipo.
Hipótesis
El foco casero producirá mayor iluminación con los gases a trabajar que los
focos regulares ambos con una potencia eléctrica similar.
Marco Teórico
Breve historia
Las primeras fuentes luminosas empleadas por el hombre estuvieron basadas
en alguna forma de combustión: el fuego, las antorchas, las velas, etc. Las
lámparas más antiguas de que se tienen noticias aparecieron en el antiguo
Egipto hacia el año 3000 a.C. y consistían en piedras ahuecadas rellenas de
aceite, con fibras vegetales como mechas. Ya en la Edad Media, se fabrican
velas empleando sebo de origen animal. Más tarde, se reemplazó el sebo de
cera de abejas o parafina.
Las velas modernas pueden considerase como la evolución de estas lámparas
de grasa, pero su uso actual es casi por completo decorativo y ceremonial. Si un
haz de rayos luminosos atraviesa primero una rendija y después un prisma
óptico, experimentará una descomposición en tantos rayos distintos como
colores tenga la luz compleja inicial. Recogiendo en una pantalla, o en una placa
fotográfica todos los rayos de luz que salen del prisma, se obtendrán una serie
de rayas o bandas diversamente coloreadas que no son otra cosa que las
imágenes de la rendija inicial.
Alumbrado de gas se refiere a una tecnología utilizada para producir luz a partir
de un combustible gaseoso incluyendo el hidrógeno, el metano, el propano, el
butano, el acetileno, o el etileno. Antes de la electricidad se convirtió en bastante
amplio y económico para permitir el uso público en general, el gas era el medio
más popular de la Iluminación en las ciudades y barrios. Al principio, las farolas
de gas tuvieron que ser encendidas a mano, pero al cabo de unos años las
farolas se pudieron encender por sí mismos. La luz de gas hoy en día se suele
utilizar para acampar, donde la alta densidad de energía de un combustible de
hidrocarburos, en combinación con la naturaleza modular de los contenedores
permite producir luz brillante y de larga duración de forma barata y sin complejos
equipos.
En la década de 1790, mientras que la supervisión de la utilización de máquinas
de vapor de su empresa en la minería del carbón en Cornwall, Murdoch
comenzó a experimentar con diferentes tipos de gas, para instalarse
definitivamente en carbón de gas, como el más eficaz. La primera vez que
encendió su propia casa en Redruth, Cornwall en 1792. En 1801, Philippe Lebon
de París había utilizado también las luces de gas para iluminar su casa y
jardines, y estaba estudiando a la luz todo París. Cada elemento químico,
convenientemente excitado, emite siempre unas radiaciones características de
él y que sirven, por lo tanto, para identificarlo. La presencia de tales radiaciones
es independiente de que el elemento esté solo, mezclado, o combinado con
otros elementos; sus rayas espectrales son siempre las mismas y ningún otro
elemento las puede emitir. La intensidad de las radiaciones emitidas y, por lo
tanto, la de las rayas espectrales; es decir, su mayor o menor colorido en la
placa, depende del número de átomos excitados, y éste, de la mayor o menor
concentración del elemento.
Veamos a continuación cuáles son las partes principales que componen las lámparas
fluorescentes más elementales:
Tubo de descarga
Casquillos con los filamentos
Cebador, encendedor o arrancador (starter)
Balasto (ballast)
Tubo de descarga. El cuerpo o tubo de descarga de las lámparas fluorescentes se
fabrica de vidrio, con diferentes longitudes y diámetros. La longitud depende,
fundamentalmente, de la potencia en watt (W) que desarrolle la lámpara. El diámetro,
por su parte, se ha estandarizado a 25,4 mm (equivalente a una pulgada) en la
mayoría de los tubos. Los más comunes y de uso más generalizado tienen forma
recta, aunque también se pueden encontrar con forma circular.
La pared interior del tubo se encuentra recubierta con una capa de sustancia
fosforescente o fluorescente, cuya misión es convertir los rayos de luz ultravioleta (que
se generan dentro y que no son visibles para el ojo humano), en radiaciones de luz
visible. Para que eso ocurra, su interior se encuentra relleno con un gas inerte,
generalmente argón (Ar) y una pequeña cantidad de mercurio (Hg) líquido. El gas
argón se encarga de facilitar el surgimiento del arco eléctrico que posibilita el
encendido de la lámpara, así como de controlar también la intensidad del flujo de
electrones que atraviesa el tubo.
Casquillos. La mayoría de los tubos fluorescentes rectos poseen en cada uno de sus
extremos un casquillo con dos patillas o pines de contactos eléctricos externos,
conectadas interiormente con los filamentos de caldeo o de precalentamiento. Estos
filamentos están fabricados con metal de tungsteno, conocido también por el nombre
químico de wolframio (W), recubiertos de calcio (Ca) y magnesio (Mg) y su función
principal en los tubos de las lámparas fluorescente es calentar previamente el gas
argón que contienen en su interior para que se puedan encender.
A. Patillas o pines de contacto. B. Electrodos. C. Filamento de tungsteno. D. Mercurio
(Hg) líquido.<
E. Átomos de gas argón (Ar). F. Capa o recubrimiento fluorescente de fósforo
(P). G. Tubo de descarga.de cristal.
El recubrimiento de calcio y magnesio que poseen los filamentos facilita la aparición
del flujo de electrones necesario para que se efectúe el encendido de la lámpara. En
medio de ese proceso los filamentos se apagan y se convierten en dos electrodos, a
través de los cuales se establece ese flujo de corriente o de electrones
Luz de descarga eléctrica en el seno de un gas
En todos los gases, principalmente los que contienen las lámparas de descarga,
además de átomos de gas neutrales, se encuentran siempre algunas cargas
eléctricas libres (electrones).
Si en un tubo de descarga (Fig.) se aplica una corriente continua al ánodo A (+)
y al cátodo C (-), se crea entre A y C un campo eléctrico que acelera las cargas
negativas (electrones) y las precipita hacia el ánodo. Al alcanzar un electrón una
determinada velocidad, posee ya energía cinética suficiente para excitar un
átomo de gas. Si la velocidad del electrón al chocar con el átomo del gas es aún
mayor, el impacto puede provocar incluso el desprendimiento de un electrón de
la corteza atómica, con lo cual el átomo queda con un electrón menos en su
configuración, es decir, se obtiene un ión positivo; este fenómeno se denomina
ionización por choque. De esta forma aumenta aún más el número de electrones
libres, pudiendo llegar incluso a aumentar torrencialmente si la corriente eléctrica
por ellos producida no se limita mediante una resistencia apropiada
(estabilizador). Junto con los electrones libres o desprendidos, se encuentran
también iones positivos que se desplazan en sentido contrario al de los
electrones, es decir hacia el cátodo, aunque debido a su pequeña velocidad no
pueden provocar ninguna excitación de otras partículas gaseosas, sino que, por
el contrario, transcurrido un breve espacio de tiempo, toman de nuevo un
electrón a cambio de una emisión de energía. Conforme con el gas noble o gas
metálico con que se llene el recipiente de descarga se obtendrán, mediante la
excitación atómica anteriormente citada, los espectros de líneas o colores de luz
característicos del elemento químico elegido. Por ejemplo, si el gas es neón, el
color de la luz es rojo-anaranjado, y si es vapor de mercurio blanco-azulado.
Todos estos fenómenos tienen lugar dentro de un volumen comprendido entre
dos electrodos, que queda limitado por la pared del recipiente de descarga. Este
volumen forma una columna gaseosa de descarga. Si la alimentación del tubo
de descarga se hace con corriente alterna en vez de continua, los electrodos
cambian periódicamente su función, actuando unas veces de cátodo y otras de
ánodo; pero, por lo demás, el fenómeno de la producción luminosa es el mismo.
Las condiciones de la descarga eléctrica en el seno de un gas, para la
producción de luz, dependen fundamentalmente de la presión del gas o vapor
que exista en el interior del tubo de descarga, de ahí que se distingan tres tipos
de descarga: descarga a baja presión, descarga a alta presión y descarga a muy
alta presión. Cuanto más alta es la presión, las líneas espectrales se ensanchan
formando bandas cada vez mayores, con lo cual mejora el espectro cromático.
En las lámparas de vapor metálico se requiere vaporizar primeramente el metal,
que en frío se encuentra en estado sólido o líquido; por ello se llenan estas
lámparas con gas noble que es el primero que se inflama, suministrando el calor
necesario para la vaporización del metal.
Idea general sobre los principales agentes físicos que intervienen en la
producción de luz y sus respectivas fuentes
Luxómetro
Luxómetro (también llamado luxómetro o light meter) contiene una célula
fotoeléctrica que capta la luz y la convierte en impulsos eléctricos, los cuales son
interpretados y representada en un display o aguja con la correspondiente
escala de lux. Se utiliza para la medición precisa de los acontecimientos
luminosos en el sector de la industria, el comercio, la agricultura y la
investigación puede utilizarse además para comprobar la iluminación del
ordenador, del puesto de trabajo, en la decoración de escaparates y para
el mundo del diseño.
El luxómetro moderno funciona según el principio de una celda (célula) C.C.D. o
fotovoltaica; un circuito integrado recibe una cierta cantidad de luz (fotones que
constituyen la "señal", una energía de brillo) y la transforma en una señal
eléctrica (analógica). Esta señal es visible por el desplazamiento de una aguja,
el encendido de diodo o la fijación de una cifra. Una fotorresistencia asociada a
un ohmímetro desempeñaría el mismo papel.
Un filtro de corrección de espectro permite evitar que las diferencias de espectro
falseen la medida (la luz amarilla es más eficaz que la azul, por ejemplo, para
producir un electrón a partir de la energía de un paquete de fotones). Los
luxómetros pueden tener varias escalas para adaptarse a las luminosidades
débiles o las fuertes (hasta varias decenas de millares de luxes).
Algunos luxómetros contienen memoria o logger (datalogger) para la grabación
de datos. La medición de la intensidad de luz gana cada vez más importancia en
puestos de trabajo que necesiten pantallas protectoras (lux / intensidad de la luz
recomienda). La técnica de medio ambiente, a la cual pertenece la medición de
la luz, ocupa también una posición delantera dentro de la escala de importancia.
Los luxómetros con datalogger son muy apreciados, especialmente por la
completa corrección del coseno del ángulo de la luz incidente. Estos luxómetros
poseen una función de memoria para los valores de medición y un software para
su valoración.
Candela
La candela (cd) se define como la intensidad luminosa, en una dirección dada de
una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540 x 1012 Hz
y cuya intensidad energética en esa dirección es de 1/683 watt por esterradián
(16ª Conferencia General de Pesas y Medidas, 1979).
Intensidad luminosa
Es el flujo luminoso emitido por unidad de ángulo sólido en una dirección
concreta expresado en candelas
Flujo luminoso
El flujo radiante afectado por el coeficiente de luminosidad relativa se denomina
flujo luminoso. La unidad fundamental utilizada en colorimetría es de intensidad
luminosa (ver a continuación), de forma que la unidad de flujo luminoso,
denominado lúmen (lm) se define en función de la unidad de intensidad. lumen =
candela · sr
Densidad luminosa
La densidad de radiación afectada por el coeficiente de iluminación relativa es
la densidad luminosa. Su unidad es el Lux (lx), definido como 1 lúmen/m2, o lo
que es lo mismo: 1 candela · sr / m2. Esta magnitud recibe otros nombres:
iluminación (densidad luminosa incidente), iluminancia y radiancia (densidad
luminosa emitida). Es la proporcionada por los instrumentos de medición de luz
utilizados en fotografía (fotómetros). La densidad luminosa es la que conocemos
vulgarmente como "iluminación". En este sentido decimos que un sitio está bien
o mal iluminado según sea su densidad luminosa. A título comparativo, la tabla
adjunta muestra algunos valores típicos de densidad luminosa:
Fuente de iluminación Densidad luminosa lux
Máximo de luz solar 100.000
Día nublado 10.000
Luz de plenilunio 0,2
Luz de las estrellas 0,0003
Análisis matemático
Datos y valores predeterminados:
V=A∗l= (π r2 ) l=(π)¿
m=ρ∗V=(2230 kgm3 ) (226.19 x10−9m )=504.41x10−6kg
∆T=T 2−T 1=T 2=750 °C→1023.15K
CeC=710J
kg∗K
σ C=412.71 x10−6Ωm
Corriente necesaria para poder calentar el grafito a la temperatura necesaria:
Q = m∆T Ce
Q ¿ Pt=t I2 R
R=σlA
m∆T Ce=tI2 σlA
I=√m∆T C e Atσl=¿
√ (504.41 x 10−6 kg)(1023.15 K )(710 Jkg∗K
)(7.06 x 10−6m2)
t (412.71 x 10−6Ωm)(0.032m)=¿
14.0041√ 1t Flujo luminoso teorético de un foco regular con el mismo potencial eléctrico que
el foco casero:
P=t I2 σlA
=t ¿
l mficomp=l mfi∗p=( 12lmW )(366.42W )=4397.09 lm
Metodología
Materiales:
Base de plastico
Cubierta de vidrio
Multímetro
Soporte central aislante
2 caimanes
Tubo de 3 mm de grafito
Cinta de aislar
Batería de automóvil
Luxómetro
Aire (O2)
Argón (Ar)
Helio (He)
Procedimiento
-Montar el dispositivo 1.
-Colocar junto al dispositivo una celda voltaica, y conectarla a un multímetro
-Llenar el contenedor con el gas en turno.
-Conectar los caimanes libres a la batería con extrema precaución de no tocar la
parte metálica.
-Medir la intensidad luminosa en el luxómetro con el programa ScienceCube
desde que se conecte a la batería hasta que se consuma el grafito.
-Drenar todo el gas del sistema, y repetir el procedimiento con cada gas.
Prototipo 1
Resultados
-Experimento con oxígeno O2
Tiempo (s) Iluminación (lux)
0 300
0.5 300
1.0 300
1.5 300
2.0 300
2.5 300
3.0 300
3.5 300
4.0 305
4.5 315
5.5 320
6.0 320
6.5 315
7.0 315
7.5 330
8.0 355
8.5 440
9.0 1300
9.5 1585
10.0 1790
10.5 2245
11.0 2275
-Experimento con aire común
Tiempo (s) Iluminación (lux)
0 300
0.5 300
1.0 305
1.5 300
2.0 300
2.5 305
3.0 300
3.5 305
4.0 310
4.5 320
5.5 335
6.0 350
6.5 405
7.0 515
7.5 1125
8.0 330
Observaciones y conclusiones
El proyecto resultó ser más complicado de lo que se esperaba. Por más que se
hacían pruebas, el prototipo tenía un gran problema para poder calentar el
grafito y poder llegar a un punto en que generara cierta iluminación. Sin embargo
después de varios intentos se pudo llegar a un equilibrio en donde se calentó lo
suficiente, sin embargo esto solo se pudo conseguir mediante el uso de una
batería de coche debido a la gran corriente que generaba, lo que trajo muchos
problemas al estar haciendo las mediciones debido a su difícil acceso dentro de
la universidad. Otro gran problema fue el conseguir los gases buscados, ya que
muchos de los distribuidores solo vendían cantidades enormes en tanques igual
de enormes e incluso vendiéndonos los tanques y gases a precios muy
elevados, sin embargo después de mucho buscar se consiguieron los gases
necesarios. Llegada la fecha para hacer las pruebas se originó un incidente
menor con las pruebas del oxígeno debido a una pobre proyección de eventos,
generando una chispa que prendió fuego al prototipo, si bien se pudo contener a
tiempo, las mediciones futuras ya no fueron las mismas, ya que al momento de
probar con el aire normal se registraron unos cuantos valores y luego se quemó
repentinamente. Después de ese incidente no se pudo volver a hacer funcionar
el prototipo, evitando así futuras experimentaciones con los otros gases.
Por último se puede decir que si bien se pudo alcanzar parte del objetivo y la
hipótesis no se pudo comprobar, estos fueron muy incompleto por lo que se
sugiere realizar más estudios y más experimentos con relación al tema. Para
futuras experimentaciones se sugiere realizar un prototipo más eficiente,
contando con una base aislante térmicamente para sostener los cables unidos al
grafito. También se sugiere elaborar una nueva fuente de poder más accesible
con la que se pueda contar de manera más frecuente y sea a su vez más
estable y con un menor amperaje por hora.
Referencias
Álvarez, J. A. (Marzo de 2012). ASÍ FUNCIONAN LAS LÁMPARAS FLUORESCENTES. Recuperado el Mayo de 2015, de Así Funciona: http://www.asifunciona.com/electrotecnia/af_fluorescentes/af_fluorescentes_1.htm
Chang, R. (2010). Quimica. México : McGraw Hill.
Spangler, S. (2013). BUILD A LIGHT BULB - CIRCUIT SCIENCE. Recuperado el Febrero de 2015, de Steve Spangler Science: http://www.stevespanglerscience.com/lab/experiments/build-a-light-bulb-circuit-science
México. Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (2009). "Cambio climático: ciencia, evidencia y acciones" (Pp. 79). Editorial: Instituto Nacional de Ecología.
Giancoli, Douglas C., Physics, 4th Ed, Prentice Hall, (1995).
http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/fis/calorespec.pdf
Energypedia. (Enero de 2015). Lighting Technologies. Recuperado en Mayo de 2015, de Energypedia: https://energypedia.info/wiki/Lighting_Technologies
Gravesen, T. (2009). Graphite Resistors. Recuperado en Mayo de 2015, de Troelsgravesen: http://www.troelsgravesen.dk/graphite.htm
Helmut, U. (Noviembre de 1959). Process of purifying grahite. Recuperado en Mayo de 2015, de Google patents: http://www.google.com/patents/US2914383
Queensland Studies Authority. (Junio de 2013). Extended experimental investigation: Electrical Conductivity of Graphite. Recuperado en Mayo de 2015, de Physics (2007): http://www.qcaa.qld.edu.au/downloads/senior/snr_physics_07_sai_electric_conduct_graphite.pdf
http://www.ecured.cu/index.php/Lux%C3%B3metro
http://www.ecured.cu/index.php/Candela_(Unidad_de_medida)