PhysicsSensor EL AMBIENTOMETRO PARA DISPOSITIVOS

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1 PhysicsSensor EL AMBIENTOMETRO PARA DISPOSITIVOS MÓVILES -Software: Aplicación de PhysicsSensor- Copyright 2017 para Diego Luis Aristizábal Ramírez Profesor asociado con tenencia de cargo Facultad de Ciencias, Escuela de Física UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLÍN TEMAS Introducción Objetivos Conceptos sobre algunas magnitudes ambientales Manejo del AMBIENTOMETRO de PhysicsSensor 1

2 1. Introducción Este documento trata sobre el uso de la aplicación LUXOMETRO de PhysicsSensor en su versión para dispositivos móviles ANDROID. Teniendo en cuenta que el objetivo principal de esta plataforma es ser usada en los laboratorios de enseñanza de las ciencias exactas y naturales, se analizará además de su manejo los principios físicos de su funcionamiento. 2. Objetivos 2.1. Objetivo general Adiestrar en el manejo del software AMBIENTÓMETRO de PhysicsSensor Mobile Edition para la medida de magnitudes ambientales: temperatura, humedad relativa,presión atmosférica y altitud. Figura 1: EVANGELISTA TO- RRICELLI Físico y matemático italiano, nació en 1608 pronto queda huérfano, se educa con los jesuitas y después se traslada a Roma donde con B. Castelli con quien investiga la dinámica de los gases, lo que le posibilita la oportunidad de trabajar junto a Galileo, quien entonces era matemático de la corte de Toscana, cargo que posteriormente ocupará el propio Torricelli. Falleció en Descubre la forma de medir la presión atmosférica mediante el barómetro de mercurio, inventado por él Objetivos específicos Explicar los fundamentos físicos de las variables ambientales a medir. Adiestrar en el manejo del AMIENTÓMETRO de PhysicsSensor Mobile Edition. 3. Conceptos físicos sobre algunas magnitudes ambientales 3.1. Qué es temperatura? Cuando dos objetos se colocan juntos (en lenguaje científico se dice, se contactan térmicamente), el objeto caliente se enfría mientras que el más frío se calienta hasta un punto en el cual no ocurren más cambios, y para nuestros sentidos, ambos tienen el mismo grado de calor. Cuando el cambio térmico ha cesado, se dice que los dos objetos, los dos sistemas, están en equilibrio térmico. Entonces se puede definir la temperatura de un sistema diciendo que es la cantidad que es igual para ambos sistemas cuando ellos están en equilibrio térmico. Con base en esto se enuncia la denominada ley cero de la termodinámica: Figura 2: El experimento de Torricelli consiste en tomar un tubo de vidrio cerrado por un extremo y abierto por el otro, de 1 metro aproximadamente de longitud, llenarlo de mercurio, taparlo con el dedo pulgar e invertirlo introduciendo el extremo abierto en una cubeta con mercurio. Luego si el tubo se coloca verticalmente, la altura de la columna de mercurio sobre la superficie de mercurio de la cubeta es igual a 760 mm si el experimento se realiza al nivel del mar, apareciendo en la parte superior del tubo el llamado vacío de Torricelli, que realmente es un espacio con vapor de mercurio a muy baja presión (prácticamente vacío). Si tres o más sistemas están en contacto térmico entre si y todos en equilibrio al mismo tiempo, entonces cualquier par que se tome separadamente están en equilibrio entre sí. Ahora, uno de los tres sistemas puede ser calibrado como un instrumento para medir temperatura, definiendo así un termómetro. Cuando un termómetro debidamente calibrado, se pone en contacto con un sistema hasta que alcanza el equilibrio térmico, se logra obtener una medida cuantitativa de la temperatura del sistema. 2

3 La temperatura medida en Kelvin (K) se denomina temperatura absoluta o temperatura termodinámica. Esta es una de las siete (7) magnitudes físicas fundamentales tomadas convencionalmente por el sistema internacional de magnitudes (longitud, masa, tiempo, intensidad de corriente eléctrica, intensidad luminosa, temperatura termodinámica y cantidad de sustancia). Otra unidad empleada para medir temperatura son los denominados grados Celsius ( C). La temperatura medida en grados Kelvin K, K, y en grados Celsius ( C), C, se relacionan mediante la expresión: K = C + 273, 15 (1) Ahora, temperatura ambiente es la temperatura que se puede medir con un termómetro, Figura 3, y que se toma del ambiente actual, por lo que, si se toma de varios puntos en un área a un mismo tiempo puede variar. Figura 3: Termómetro. Es interesante traer a colación el concepto denominado sensación térmica el cual se refiere a la reacción del cuerpo humano ante el conjunto de condiciones del ambiente que determinan el clima desde el punto de vista térmico. Es costumbre decir que hace calor o frío, en función de lo que dice un termómetro corriente, pero no solo la temperatura determina la sensación que siente el cuerpo humano, sino otra serie de parámetros que pueden mejorar o empeorar la sensación: humedad del aire, velocidad del aire, metabolismo corporal, la indumentaria (ropa, calzado,... ). Para recordar: Mínima temperatura posible: 0 K (se denomina CERO ABSOLUTO). Temperatura de fusión del agua: 0 C. Temperatura de ebullición del agua al nivel del mar: 100 C. Temperatura de ebullición del agua en Medellín (Antioquia): 96 C. Temperatura más baja registrada en la Tierra (Base Vostok, la Antártida): -89,2 C. Temperatura corporal humana normal: 37 C. 3

4 Temperatura en la superficie del Sol: K. Temperatura núcleo solar: se estima en unos K Humedad relativa La humedad del aire se debe al vapor de agua que se encuentra presente en la atmósfera, el cual es obtenido de la evaporación de océanos, ríos, lagos, plantas y otros seres vivos. Sin embargo para unas condiciones de temperatura y presión dadas, el aire sólo es capaz de contener una cantidad máxima de este vapor. Cuando este límite se sobrepasa, el vapor de agua se condensa, formando agua líquida: en ésta condición se dice que el aire está saturado: esto explica las gotas de agua en las paredes de un vaso con agua fría, el empañamiento de las ventanas de una pieza cuando en ésta se baja la temperatura hasta el punto de saturación. La cantidad de vapor de agua que puede absorber el aire depende de su temperatura: el aire caliente admite más vapor de agua que el aire frío. La humedad absoluta es la masa total de vapor de agua (medida en gramos) existente en el aire por unidad de volumen (medida en m3 de aire) y su valor fluctúa considerablemente espacial y temporalmente. La humedad relativa (H.R.) de una masa de aire es la relación entre la cantidad de vapor de agua que contiene y la que tendría si estuviera completamente saturada; así cuanto más se aproxima el valor de la humedad relativa al 100 % más húmedo está. Cuando se llega al punto de saturación el vapor de agua se condensa, es decir, cuando la humedad relativa alcanza el valor 100 % se producen fenómenos de condensación. Un ejemplo de ello es el rocío, que se debe a que, cuando la humedad relativa del aire ha alcanzado el 100 %, el aire no admite más agua, por lo que el sobrante, condensa en forma líquida en las superficies de los objetos, hojas, flores, etc. Ejemplo: si un cierto volumen de aire contiene 4 gr de vapor de agua y en similares condiciones de presión y temperatura el aire se saturaría con un contenido de vapor de agua de 16 gr, entonces la humedad relativa, 4/16= 0,25 o 25 % El cuerpo humano reacciona a la cantidad de humedad en el ambiente de formas muy particulares, en un ambiente de 0 % de humedad relativa el ser humano se sentirá acalorado, la sequedad del medio ambiente hace que la transpiración del cuerpo humano sea evidente y hasta peligrosa, el cuerpo humano aportará humedad al ambiente. En un ambiente de 100 % de humedad relativa, el ser humano se sentirá sofocado, la altísima humedad del medioambiente dificulta la transpiración del cuerpo humano, el cuerpo humano reaccionará con una excesiva incomodidad al ambiente. El higrómetro es el instrumento utilizado para medir la humedad relativa. En la Figura 4 se ilustra un higrómetro análogo. 4

5 Figura 4: Higrometro Presión atmosférica Es la fuerza que ejerce el aire (la columna de atmósfera) sobre una superficie que contienen el punto donde se está midiendo (la orientación de esta superficie es indiferente). Al nivel del mar la presión atmosférica es igual a 1 atm (760 mm de Hg); en la ciudad de Medellín que se encuentra a m sobre el nivel del mar es igual a 640 mm de Hg (0,84 atm). Un barómetro es un instrumento que mide la presión atmosférica (Patm). La atmósfera ejerce presión sobre los cuerpos debido a su peso. El barómetro más conocido es el de mercurio de Torricelli, el cual se puede construir de la siguiente forma: se llena de mercurio un tubo delgado de vidrio cerrado en un extremo de unos 80 cm de longitud; se tapa el otro extremo y se sumerge en una cubeta que contenga también mercurio; si entonces se destapa se verá que el mercurio del tubo desciende unos centímetros dejando en la parte superior un espacio vacío (cámara barométrica o vacío de Torricelli), Figura 5. Figura 5: Barometro de mercurio. La altura de la columna de mercurio en el tubo, medida desde la superficie del mercurio de la cubeta, es de 760 mm de Hg al nivel del mar y en la ciudad de Medellín es de 640 mm de Hg. Un análisis del funcionamiento del barómetro se puede hacer empleando el principio fundamental de la hidrostática: el punto 1 (que se puede imaginar un poco por debajo de la superficie del mercurio) y el punto 2 están a la misma presión debido que están al mismo nivel dentro del mercurio y por lo tanto, p 1 = p 2 5

6 Pero, p 1 = p atm y p 2 = ρgh siendo ρ la densidad del mercurio, por lo tanto, Con base en este resultado, el valor de h se convierte en una medida de la presión atmosférica, de esta forma la expresión,... la presión atmosférica en el lugar X es igual a h cm de Hg, significa que si se hace el experimento con el barómetro de mercurio, la altura de la columna de mercurio desciende hasta un valor de h. Los barómetros son instrumentos fundamentales para saber el estado de la atmósfera y realizar predicciones meteorológicas. Las altas presiones se corresponden con regiones sin precipitaciones, mientras que las bajas presiones son indicadores de regiones de tormentas y borrascas Altitud p atm = ρgh (2) La altitud es la distancia vertical de un punto de la Tierra respecto al nivel del mar. Se mide con un instrumento denominado altímetro. Un altímetro es esencialmente un barómetro que calcula la altura con base en la diferencia de presión, ecuación 2, conocida una presión de referencia. Los altímetros más comunes son los altímetros barométricos. Su principio de funcionamiento es muy sencillo: a través de la medida estática de la presión se obtiene la altitud. Este sistema tiene cierta imprecisión porque la atmósfera nunca se comporta como el modelo, pero es a todos los efectos lo bastante bueno y robusto. Este modelo de cálculo se conoce como modelo ISA (por sus siglas en inglés, International Standard Atmosphere). El modelo supone que la atmósfera es un gas ideal que se encuentra en equilibrio hidrostático en presencia de un campo gravitatorio uniforme de valor absoluto g. La referencia de altitud h = 0 es el nivel del mar. Las tres propiedades más significativas de la atmósfera (la presión p, la densidad ρ y temperatura absoluta T ) están ligadas con la altitud h por un sistema de tres ecuaciones. La primera de estas ecuaciones es la de estado del gas ideal: p = ρrt (3) en donde R = 287,05 J. kg. -1.K -1 es la constante de gas para el aire atmosférico. La segunda ecuación, es la ecuación diferencial del equilibrio hidrostático. Esta es la ecuación escrita en forma diferencial, pdp = ρgdh (4) en donde dp y dh son los respectivos diferenciales de presión y altura. La tercera ecuación liga la temperatura con la altitud. La atmósfera está dividida en varias capas. En cada capa, la temperatura puede ser constante o puede variar linealmente con la altitud. Como ejemplo, se supondrá una región de la atmósfera en donde la temperatura se mantiene constante. En este caso la ecuación 3 lleva a la ecuación siguiente, p = ρ ρ 0 (5) 6

7 en donde y ρ 0 corresponden a la presión atmosférica y la densidad del aire sobre la superficie de la Tierra. Reemplazando la ecuación 5 en la ecuación 4 se obtiene, [ ] p dp = ρ 0 gdh ˆ p dp p = [ ] p ln [ ρ0 g ] ˆ h dh 0 = ρ 0 gh [ ] ρ0 p = exp gh (6) Como puede deducirse de la ecuación 6, midiendo la presión atmosférica p con un barómetro, se puede estimar la altura h sobre el nivel del mar. 4. Manejo del AMBIENTÓMETRO de PhysicsSensor Esta aplicación utiliza los sensores de temperatura ambiente, humedad relativa y barómetro del dispositivo móvil, Figura 6. Es necesario anotar que solo los dispositivos de alta gamma poseen en su mayoría estos sensores. Figura 6: AMBIENTÓMETRO de PhysicsSensor Mobile Edition. 7