LEYES DE LOS GASES, NEUMTICA Y EXPERIMENTO DEL RIFLE DE AIRE

La siguiente presentacin recomienda ser vista como presentacin de diapositivas.

LEYES DE LOS GASES, NEUMTICA Y EXPERIMENTO DEL RIFLE DE AIRELos gases y sus propiedadesLos gases estn constituidos por molculas dotadas de un alto contenido de energa; por ello se mueven constantemente a grandes velocidades en todos sentidos y direcciones. Las fuerzas de atraccin entre las molculas de un gas, a presiones del orden de una atmsfera son tan pequeas que no alteran el comportamiento del gas.

Los gases se difunden y mezclan entre s en todas proporciones, formando mezclas perfectamente homogas.En las siguientes leyes, donde intervienen dos o ms gases, se establece para todas aquellas que los gases no reaccionan qumicamente entre s. La atmsfera de la Tierra est constituido por diversos tipos de gases.Ley de BoyleLa ley de Boyle explica la relacin entre la presin y el volumen de un gas cuando la temperatura es constante.Fue descubierta por Robert Boyle en 1662. Edme Mariotte tambin lleg a la misma conclusin que Boyle, pero no public sus trabajos hasta 1796. Esta es la razn por la que esta ley tambin se con el nombre de Ley de Boyle y Mariotte.

Retrato de Robert BoyleLa ley de Boyle establece que la presin de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante.

Siempre que la masa y la temperatura de una muestrade gas se mantienen constantes, el volumen del gas es inversamente proporcional a su presin absoluta.Si la presin aumenta, el volumen disminuye.Si la presin disminuye, la presin aumenta.

La expresin matemtica a esta ley es:

Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V1que se encuentra a una presin P1al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V2, entonces la presin cambiar a P2, y se cumplir:

Grfica de presin contra volumenLey de CharlesRelacin entre la temperatura y el volumen de un gas cuando la presin es constante.En 1787, Jacques Charles estudi por primera vez la relacin entre el volumen y la temperatura de una muestra de gas a presin constante y observ que cuando se aumentaba la temperatura el volumen del gas tambin aumentaba y que al enfriar el volumen disminua.

Jacques CharlesSi la temperatura aumenta, el volumen del gas aumenta.Si la temperatura del gas disminuye, el volumen disminuye

Matemticamente podemos expresarlo as:Siempre que la masa y la presin de un gas se mantienen constantes, el volumen de la muestra es directamente proporcional a su temperatura

Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V1que se encuentra a una temperatura T1al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V2, entonces la temperatura cambiar a T2, y se cumplir:

Grfica de volumen contra temperaturaLey de Gay Lussac Relacin entre la presin y la temperatura de un gas cuando el volumen es constante.Fue enunciada por Joseph Louis Gay Lussac a principios de 1800.Establece la relacin entre la temperatura y la presin de un gas cuando el volumen es constante.

Joseph Louis Gay LussacLa presin del gas es directamente proporcional a su temperatura:- Si aumentamos la temperatura, aumentar la presin.- Si disminuimos la temperatura, disminuir la presin.

Gay-Lussac descubri que, en cualquier momento de este proceso, el cociente entre la presin y la temperatura siempre tena el mismo valor:

Supongamos que tenemos un gas que se encuentra a una presin P1y a una temperatura T1al comienzo del experimento. Si variamos la temperatura hasta un nuevo valor T2, entonces la presin cambiar a P2, y se cumplir:

Grfica de presin contra temperatura.Ley de AvogadroRelacin entre la cantidad de gas y su volumen.Esta ley, descubierta por Avogadro a principios del siglo XIX, establece la relacin entre la cantidad de gas y su volumen cuando se mantienen constantes la temperatura y la presin. La cantidad del gas se mide en moles.

Amedeo AvogadroEl volumen es directamente proporcional a la cantidad de gas: Si aumentamos la cantidad de gas, aumentar el volumen.Si disminuimos la cantidad de gas, el volumen disminuye.Tambin podemos expresar la ley de Avogadro as:

Supongamos que tenemos una cierta cantidad de gas n1que ocupa un volumen V1al comienzo del experimento. Si variamos la cantidad de gas hasta un nuevo valor n2, entonces el volumen cambiar a V2, y se cumplir:

Volumen y (n) moles inicialVolumen y (n) moles finalLey General de los GasesLa ley de Boyle se aplica para una muestra de gas cuya temperatura no cambia. La ley de Charles se aplica para una muestra de gas a presin constante. Desafortunadamente ninguna de estas condiciones se satisface casi nunca. En general, como el resultado de un proceso trmico, un sistema sufre cambios en su volumen, temperatura y presin. Tambin se le conoce como la Ley Combinada. La Ley de Boyle y la Ley de Charles pueden combinarse para obtener una relacin ms general de la siguiente manera:

En la Ley General de los Gases se toma en cuenta la presin(P), temperatura(T) y el volumen(V).Ley del Gas IdealGas Ideal: Un gas ideal es un conjunto de tomos o molculas que se mueven al azar, no ejercen fuerzas de largo alcance entre s y ocupan una parte insignificante del recipiente. Entre otras carctersticas estn:Ocupa el volumen del recipiente que lo contiene.Est formado por molculas.Estas molculas se mueven individualmente y al azar en todas direcciones.La interaccin entre las molculas se reduce solo a su choque.Los choques entre las molculas son completamente elsticos (no hay prdidas de energa).Los choque son instantneos (el tiempo durante el choque es cero).Los gases reales, siempre que no estn sometidos a condiciones extremas de presin y temperatura, cumplirn muy aproximadamente las reglas establecidas para los gases ideales.

Grfica de un gas ideal.En la ley del gas ideal, la ecuacin representa la forma ms til de una ley general de los gases cuando se conocen todos los parmetros de un estado inicial y de un estado final exceptuando una cantidad particular. La expresin de dicha ecuacin es:

se sustituye kpornR, dondenes el nmero de moles yRes la constante universal de los gases ideales, entonces obtenemos la ecuacin de la Ley General de los Gases Ideales:

La constante de los gases R tiene los siguientes valores:R= 8.314390joule / molKR= 1.987190cal / molKR= 0.082054Latm / molKR= 82.056700ccatm / molKR= 8.314472LkPa / molKR= 62.36367LmmHg / molKR= 62.36367LTorr / molK

Teora Cintico-Molecular de los Gases1.- Las partculas de un gas se mueven de manera continua, rpida y al azar de lneas en todas direcciones.2.- Las partculas de los gases son extremadamente pequeas y las distancias entre ellas son grandes.3.- Para los gases, se pueden despreciar las fuerzas gravitatorias y las fuerzas de atraccin entre las partculas de gas.

4.- Cuando las partculas del gas chocan entre s, o con ms paredes del recipiente no se pierde energa, todas las colisiones son perfectamente lisas.5.- La energa cintica promedio es la misma para todos los gases. La misma temperatura vara de manera proporcional con la temperatura en Kelvin[K].

NEUMTICALa neumtica es la ciencia que trata de los movimientos y procesos del aire. La palabra neumtica proviene del griego Pneuma que significa respiracin, viento y filosficamente, alma, nos menciona Poveda (2007).La Neumtica es la rama de la tcnica que se dedica al estudio y aplicaciones prcticas del aire comprimido. La neumtica es una fuente de energa de fcil obtencin y tratamiento para el control de mquinas y otros elementos sometidos a movimiento. El aire comprimido es aire tomado de la atmsfera y confinado a presin en un espacio reducido, de acuerdo con Fernndez (2008).

Poveda (2007), tambin nos dice que el aire es usado desde la antigedad. Sin embargo, la neumtica es utilizada slo en la industria a partir de la mitad del siglo XX emplendola para mejorar procesos de fabricacin.Por otra parte, Fernndez (2008), argumenta que la generacin , almacenaje y utilizacin del aire comprimido resultan relativamente baratos y adems ofrece un ndice de peligrosidad bajo en relacin a otras energas como la electricidad y los combustibles gaseosos o lquidos. Ofrece una alternativa altamente segura en lugares de riesgo de explosin por deflagracin, donde otras energas suponen un riesgo importante por la produccin de calor, chispas, etc. son ampliamente usadas en todo tipo de industrias, incluso en todo tipo de transporte, areo, terrestre y martimo.

Regresando con Poveda (2007), el aire empleado en la neumtica es aire que se toma a la presin atmosfrica y que se le puede aumentar la presin hasta 180 psig. Aproximadamente. Por ser un gas, es comprensible, es decir, permite que se le pueda reducir el volumen haciendo que aumente la presin.

Relacin de la Neumtica con las Leyes de los GasesPoveda (2007), indica que en la Neumtica, el aire se puede considerar como un gas ideal y, por lo tanto, sus propiedades se pueden calcular con la ecuacin de los gases ideales:

Donde:- P = Presin absoluta.- V = Volumen del gas.- n = Cantidad del gas.- R = Constante particular del gas.- T = Temperatura absoluta.

Tambin tiene una estrecha relacin con la Ley de Boyle, pues se trabaja las relaciones de presin y volumen:

PV=nRT

PV=K(constante)Ventajas de la neumtica

Trabajar con aire comprimido representa ciertas ventajas y desventajas sobretodo si se compara con la hidrulica y electricidad, de acuerdo con Poveda (2007).Econmico: Como el aire es tomado de la atmsfera, no implica costos.Seguro: No posee propiedades explosivas. Abundante: Se encuentra en grandes cantidades en la Tierra.No contamina: El aire despus de utilizado se devuelve a la atmsfera sin representar contaminacin del medio. Rpida respuesta: los actuadores pueden trabajar a rpida velocidad.No requiere lneas de retorno: A diferencia de otros medios como la hidrulica, este no requiere volver al generador, sino que se devuelve al ambiente sin convenientes.Fcil montaje e instalacin.Fcil transporte,DesventajasHumedad: Este es uno de los ms grandes inconvenientes que se presenta con aire comprimido, pues el contenido de la humedad puede afectar los dispositivos de trabajo (actuadores, vlvulas,).Ruido: La operacin de elementos de trabajo ocasiona una gran cantidad de ruido lo que obliga el uso de silenciadores en los escapes de vlvulas, incrementando costos.Limitacin de fuerza: Cuando se trabaja con aire comprimido no se logran fuerzas muy grandes, lo que obliga a trabajar con otras alternativas como la hidrulica. La fuerza mxima empleada en comn es de 30000 N.Difcil deteccin de fugas: Las fugas normalmente se detectan por el ruido que hacen. En una industria hay una presencia de ruido, lo que dificulta determinar la presencia de fugas.

Difcil deteccin de fugas: Las fugas normalmente se detectan por el ruido que hacen. En una industria hay una presencia de ruido, lo que dificulta determinar la presencia de fugas.Costosa produccin: El compresor consume mucha energa, por eso se hace muy costosa la generacin de aire comprimido.

Deteccin de fugas de aire por medio de ultrasonidosAplicaciones de la neumtica y tipos de sistemas neumticos.Poveda (2007), en la actualidad, en la industria se encuentra una gran cantidad de aplicaciones, debido a la simplicidad de su aplicacin y a sus baratos costos de aplicacin. Se podra decir que todo tipo de industria tiene una instalacin de aire comprimido. Algunos van desde enseres domsticos como latas de pintura y aerosoles, hasta automatizaciones de varios procesos industriales.Ahora pasemos a algunos tipos de sistemas neumticos de acuerdo con Fernndez (2008). Nos mostrar algunos ejemplos de ellos.

Compresor Aparato que sirve para comprimir un fluido, generalmente aire, a una presin dada. Existen dos categoras, las mquinas volumtricas (aumento de presin por reduccin de volumen), y los turbocompresores (el aire arrastrado por una rueda mvil adquiere cierta velocidad, que se traduce en un aumento de presin en la rueda y en el difusor de salida).

Esquema de un compresor de aireVlvula de 3 vasUna vlvula de tres orificios es un interruptor empleado para controlar el flujo de aire. El tipo que se ve en la figura tiene el componente denominadoconjunto rotor, que se mueve dentro de la vlvula cuando se pulsa o se suelta el botn. Su funcin esdirigir el flujo de airepor la vlvula. Cuando se pulsa el botn, se deja pasar el aire comprimido del suministro de la tubera 1 a la tubera 2 (que est conectada al cilindro).

Esquema de una vlvula de 3 vas.Cilindro de accionamiento nicoUncilindro de accionamiento nicousa aire comprimido para producir movimiento yfuerza. Tiene un pistn que puede deslizarse "hacia arriba" y "hacia abajo". Un muelle hace subir al pistn dentro del cilindro. Sin embargo, cuando la vlvula se acciona, como se muestra en el dibujo, el aire comprimido entra en el cilindro y le obliga a bajar su mbolo. El aire del otro lado sale por el orificio de escape.

Esquema de un cilindro de accionamiento nicoControl dualA veces es necesario ser capaz de accionar una mquina desde ms de una posicin. El circuito de este dibujo funciona de esta forma. El cilindro de accionamiento nico se puede activar pulsando el botn A o el B. El circuito, no obstante, tiene que contener una vlvula de doble efecto.

Esquema de un control dual.

Vlvula de doble efecto y conector en TLa vlvula de doble efecto tiene tres orificios, y contiene un pequeo pistn de caucho que se mueve libremente dentro de la vlvula.Si el aire entra por un orificio, el pistn es empujado a la posicin contraria y el aire no podr salir por all. Si la vlvula de doble efecto del circuito anterior se sustituyera por un conector tipo T, el circuito no funcionara. Ni la vlvula A ni la B podran utilizarse para activar el cilindro.

Esquema de una vlvula en conector de T.Cilindro de accionamiento dobleLa fuerza producida por un cilindro de accionamiento doble en el sentido que consideramos positivo, no es igual a la fuerza que produce en el sentido negativo. Esto puede explicarse mirando el pistn del cilindro y recordando que: F = p . SObserva que las superficies de las caras "frontal" y "posterior" del pistn no son iguales. La biela del pistn reduce el rea de la cara "posterior". As que aunque la presin del aire en ambos lados del pistn sea la misma, la fuerza producida ser menor para un pistn en sentido negativo.

Cilindro de accionamiento doble.Vlvula anti retorno Las vlvulas anti retorno son aquellas que impiden el paso del aire en un sentido y lo dejan libre en el contrario. Tan pronto como la presin de entrada en el sentido de paso aplica una fuerza superior a la del resorte incorporado, abre el elemento de cierre del asiento de la vlvula.Una vlvula de simultaneidad se utiliza para los equipos de enclavamiento y para los equipos de control. Tiene dos entradas P1 y P2 y una salida A. La seal de salida slo est presente si lo estn las dos seales de entrada. En el caso de una diferencia en el tiempo de las seales de entrada, pasa a la salida la de presin ms baja. Siempre hay una entrada bloqueada.

Esquema de una vlvula de anti retorno.Esquema de una vlvula de simultaneidadEXPERIMENTO RIFLE DE AIREUn rifle de aire comprimido es unarma que utiliza la fuerza delaire comprimido, en contraposicin a lasarmas de fuego, que se basan en reacciones qumicas que producen una gran cantidad de gases al quemarse la plvora.

Las armas de aire disparan tpicamente proyectiles que pueden ser municiones de acero o de plstico (bullets), usando el aire comprimido o el gas a presin y han existido desde el siglo XV. Las armas de aire de hoy incorporan los avances tecnolgicos que los hacen precisos, convenientes y econmicos.Actualmente lasarmas de airecomprimido pueden clasificarse en:Armas de aire neumticas. Son aquellas que utilizan una serie de bombeos que comprimen el aire exterior en un espacio reducido y utilizar la presin ejercida para disparar un proyectil.

Rifle de aire casero.Objetivos del experimentoComprobar la aplicacin de la neumtica en los sistemas de armas a base de aire comprimido creando un prototipo casero de un rifle de aire comprimido, y tener una idea ms clara de los principios de esta tecnologa.Que se entienda el funcionamiento de un rifle de aire, los proceso de este que ayuda a explicar a la neumtica.Determinar que otras ramas de la Fsica se relaciona con en experimento del rifle de aire comprimido, como las Leyes de los Gases y la Cinemtica en el proyectil (Tiro parablico horizontal).

Material empleado en el experimentoUn metro de tubo PVC de una pulgada de dimetro.Un metro de tubo PVC de de pulgada de dimetroUna llave de paso de de pulgada de dimetro de dos vas.Pegamento para tubera PVC.Un conector en forma de TUna botella de 2L de agua o refresco (preferentemente retornable para que soporte la presin al momento de comprimir el aire.Una bomba de aire

Una vlvula para inflar pelotas.Cinta plstica de aislar.50 cm de manguera gruesa de 1 pulgada de dimetro.Un corcho de 1 pulg. De dimetro.Una segueta.ReglaLpiz (para marcar los cortes).Una pelota pequea de plstico de manera que embone perfectamente con el PVC de 1 pulg.

Procedimiento para armarloTomar el metro de PVC de de pulgada y hacer tres cortes de 5 cm cada uno con la segueta, y midindolos con la regla y lpiz. El resto se utilizar para la base donde se conectar a la manguera.Ahora tomamos el otro tubo PVC de una pulgada y hacemos un corte de 5cm y otro de 30cm. Sobrar, pero es mejor que falte y no que sobre en caso de que algo salga mal.Acomodar los cortes de los tubos junto con la botella como en el esquema siguiente.

Forma en como se tiene que acomodar el material para armar el rifle.Colocas un poco de cinta de aislar en las conexiones entre los tubos de y 1 pulg. Para que embonen mejor y evitar la salida de aire o que se desarme durante el experimento.Agregar un poco de pegamento para PVC donde se ensamblen todos los tubos por dentro. Si se puede darle una pequea lijada para que selle mejor el pegamento, y dejarlo secar. Despus colocas ms cinta de aislar sobre las partes pegadas para asegurar un optimo rendimiento del rifle de aire.Tomas la manguera y la colocas en la parte inferior de uno de los tubos PVC como en el esquema anterior. Sellarlo con ms cinta plstica. Tomar una aguja y hacer un pequeo hoyo en medio del corcho. Sacarla con cuidado y meter la vlvula para pelotas donde se hizo el hoyo. Posteriormente sellas con l la parte inferior de la manguera. Ahora ya tienes listo tu rifle de aire debe quedar como en la fotografa de abajo.

Desarrollo del experimentoAntes que todo, realiza pequeas pruebas bombeando aire para asegurarte que todo el sistema est bien cerrado y que no cuente con fugas de aire. Te puedes basar en los siguientes pasos.Metes la pelota de plstico en lo que ahora es el can del rifle unos cuantos centmetros.Conectas la parte de la vlvula en la bomba de aire. Asegrate que la llave de paso est bien cerrada para impedir que el aire se escape.Con ayuda de otra persona bombea aire hacia el interior de la botella, hasta crear un vaco lo suficientemente adecuado para sacar volando el proyectil.Inmediatamente apunta a un hacia algn lugar y abre rpidamente la llave de paso. JAMS APUNTES HACIA PERSONAS, ANIMALES Y OBJETOS QUE PUEDAN DAARSE O ROMPERSE.El proyectil saldr disparado a una velocidad considerable.

ResultadosAl momento de disparar el proyectil con una presin de aire comprimido hasta lo ms que se pudo, sali con una velocidad inicial considerable. Alcanz una distancia aproximada de 66m en 3.5 segundos. La Velocidad fue de 18.85 m/s.Repetimos el experimento con una menor compresin de aire. Al salir disparado la pelota, la distancia fue de 15.7m en 2.05 segundos. La velocidad inicial fue de 7.65 m/s.Esta prueba se realiz en una calle angosta, aparte del que se realiz en la escuela.ConclusionesSe determin que a mayor presin de aire comprimido en la botella, mayor alcance, velocidad y fuerza saldr disparado el proyectil pudiendo provocar daos mayores.A menor presin de aire, el proyectil contar con una menor fuerza, velocidad y distancia recorrer el proyectil.La neumtica es aplicable para el rifle de aire casero, pues utiliza un sistema de aire comprimido y presin para ejercer fuerza sobre el lanzamiento del proyectil.La Cinemtica, Leyes de los Gases y otras ramas como la dinmica pueden ser aplicables para la resolucin de problemas relacionados con el lanzamiento del proyectil y presin baromtrica empleada en el rifle.Referencias y bibliografaTippens, P. (1985). Fsica. Conceptos y aplicaciones. Mxico: Mc Graw Hill 242-247.Hernndez, C.L. (2003). Fsica. Mxico: Editorial Progreso S.A. de C.V. 192-196.Brown, T. (2004). Qumica. La ciencia central. Mxico: Pearson Prentice Hall 751-752.Pveda, G. (2007). Modelo matemtico y dimensional para el planteamiento ptimo de industrias de procesos. Colombia: Fondo editorial ITM 19-25.Fernndez, J.M. (2008). Neumtica Bsica. Euskal Iraksleor Sarean. Recuperado el 25 de septiembre del 2011 en http:// http://www.euskalnet.net/j.m.f.b./neunatica.htmEducaplus (2010).Leyes de los gases el por qu del comportamiento de los gases. Educaplus. Recuperado el 23 de septiembre del 2011 en http:// http://www.educaplus.org/gases/index.html

Vale ms saber alguna cosa de todo, que saberlo todo de una sola cosa.Blaise Pascal(1623-1662) Cientfico, filsofo y escritor francs.