Velocidad del sonido en gases

Cargar ajustes

Cargar ejemplo

Tener cuidado al manipular la botella de gas comprimido Minican

Descripción del ensayo

En este ensayo se determina la velocidad de propagación de un pulso de sonido en el dióxido de carbono y en los gases nobles helio y neón. Como las ondas sonoras en gases sólo muestran una reducida dispersión, es decir, como en la propagación del sonido en gases las velocidades de grupo y fase concuerdan en buena aproximación, en el ensayo se puede determinar la velocidad del sonido c simplemente a partir de la velocidad de propagación de un pulso de sonido:

c2 = p κ/ρ   con   κ = Cp/CV

κ: Exponente adiabático

ρ: Densidad

p: Presión

Cp, CV: Capacidad calorífica específica

El pulso de sonido es generado con el flanco escarpado de un pulso de tensión que excita la membrana de un altavoz. Este movimiento de la membrana produce una fluctuación de presión en el gas que puede ser registrada con un micrófono.

Para determinar la velocidad del sonido c en un medio gaseoso se mide el tiempo transcurrido t entre la generación del pulso en el altavoz y el registro en el micrófono. Como no se puede medir directamente el lugar de inicio del pulso de sonido en el altavoz, primero se tiene que determinar la velocidad del sonido caire en el aire para poder obtener a su vez la distancia efectiva de medición. Esto requiere medir los tiempos transcurridos: primeramente el micrófono deberá ser colocado en el lugar sA1 y luego en el lugar sA2. A partir de la diferencia de las distancias Δs = sA1-sA2 y de la diferencia de tiempos transcurridos respectivos Δt = t1-t2 resulta la velocidad del sonido en el aire caire = Δs/Δt. De aquí se determinar la distancia efectiva seff = caire · t1 para el lugar sA1, lo cual permite la medición directa de la velocidad del sonido en un gas.

Equipo requerido

1 Sensor-CASSY 524 010 ó 524 013
1 CASSY Lab 2 524 220
1 Unidad Timer 524 034
1 Aparato para la velocidad del sonido 413 60
1 Soporte para bobinas y tubos 516 249
1 Altavoz para altas audiofrecuencias 587 07
1 Micrófono universal 586 26
1 Escala metálica, 0,5 m 460 97
2 Bases cilíndricas 300 11
1 Botella de gas comprimido Minican, CO2 660 999
1 Botella de gas comprimido Minican, He 660 984
1 Botella de gas comprimido Minican, Ne 660 985
1 Válvula reguladoras de gas (Minican) 660 980
1 Manguera de silicona, 7 x 1,5 mm, 1 m 667 194
1 Manguera de plástico, d = 4 mm 604 481
1 Conexión para manguera 604 510
1 Par de cables, 25 cm, rojo y azul 501 44
1 Par de cables, 100 cm, rojo y azul 501 46
1 PC con Windows XP/Vista/7/8  

Montaje del ensayo (véase el esquema)

Indicaciones para el experimento

Para evitar una pérdida no deseada de gas, gire la rueda de mano de la válvula de regulación fina hacia la derecha hasta el tope, antes que la válvula de regulación sea atornillada a la botella de gas comprimido.

Los gases pueden escapar por cualquier lugar no hermético del aparato de medición y falsear los resultados; por ello se recomienda que desplace lo más cerca posible el altavoz al tubo de plástico.

Para llenar dióxido de carbono inserte la manguera de silicona a la boquilla inferior del tubo de plástico. Con esto se consigue un intercambio casi completo de gases, ya que al llenar el tubo con dióxido de carbono, el aire, más liviano, es expulsado por la boquilla superior. Similarmente se debe proceder con los gases nobles helio y neón pero de manera inversa: suministrar helio o neón por la boquilla superior, de tal forma que el aire, más pesado, sea expulsado por la boquilla inferior.

Para las mediciones con helio y neón hay que tener en cuenta la liviandad y volatilidad de estos gases, a que como el aparato de medición no es absolutamente hermético, una parte del gas escapa. Una componente de aire relativamente alta puede falsear las mediciones, por ello es recomendable realizar las mediciones con rapidez.

Realización del ensayo

Cargar ajustes (los pulsos de sonido son generados previamente y se indica los tiempos transcurridos ΔtA1)

En primer lugar hay que determinar la distancia efectiva seff:

A continuación se puede medir directamente la velocidad del sonido en dióxido de carbono, helio y neón:

Evaluación

En la representación preparada Evaluación se grafica la relación entre c2 y 1/ρ. Aquí se puede trazar por ejemplo la recta que corresponde al exponente adiabático medio κ=1,4 para una presión atmosférica normal p=1013 hPa después de ingresar la fórmula 101300*1,4*x en el ajuste libre.

La desviación de los valores medidos respecto a esta recta es normal, especialmente en el caso del helio que es extremadamente volatilidad, pues su densidad real es mayor.

La gran diferencia de velocidad del sonido entre los gases se debe principalmente a las diferentes densidades ρ de los mismos, ya que las diferencias entre sus exponentes adiabáticos Cp/CV es comparativamente bastante menor.


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