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

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http://www.ecured.cu/index.php/Lux%C3%B3metro

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