Alberto E. Villalobos Chaves
aewolframio@gmail.com
La accesibilidad a la
información, potenciada por la inteligencia artificial, ha abierto un mundo de
oportunidades para fomentar el interés por las carreras STEM (Ciencia,
Tecnología, Ingeniería y Matemáticas).
Los microprocesadores Arduino, en particular, han jugado un papel crucial en esta revolución, permitiendo a entusiastas y aficionados crear sus propios equipos de medición caseros y realizar experimentos con rigor científico y recursos mínimos.
¿Qué son los microprocesadores
Arduino?
Los microprocesadores Arduino son
plataformas de hardware libre basadas en una placa con un microcontrolador y un
entorno de desarrollo integrado (IDE) que facilita la programación. Estos
dispositivos son económicos, versátiles y fáciles de usar, lo que los convierte
en una herramienta ideal para la educación y la experimentación a nivel aficionado
e incluso profesional.
A continuación, se presentan
cuatro ejemplos de proyectos que ilustran cómo estos dispositivos pueden
utilizarse para realizar mediciones físicas que clarifiquen conceptos científicos,
así como para acercarnos a temas relacionados al manejo de la incertidumbre de las mediciones, el diseño
de experimentos o la programación no-code utilizada como una herramienta para coadyuvar a la captura de datos (MIT App Inventor 2 o Phyphox por ejemplo).
Medición de la velocidad del
sonido en gases
Utilizando un sensor de
ultrasonido y un microprocesador Arduino, se puede medir la velocidad del
sonido en diferentes gases, lo que permite su identificación. Este proyecto es detallado en la publicación Measuring the Speed of Sound in
Gases as a Means of Identifying Them.
Principio físico y técnica de
medición
La velocidad
del sonido en un gas ideal está relacionada con dos características de la
sustancia gaseosa, su masa molecular en kg/mol y su constante adiabática (razón de capacidad
calorífica), o sus valores promedio en caso de ser una mezcla de gases. Es
por esta razón que la medición de la velocidad del sonido puede utilizarse como
una forma preliminar de identificar un gas puro o caracterizar una mezcla de
sustancias gaseosas.
La medición puede realizarse
utilizando un sensor de proximidad ultrasónico, para medir el tiempo de ida y
vuelta de un pulso sónico en un tubo cerrado de longitud conocida (x) (método del eco), lleno
con el gas en estudio (v = 2x/t). Dado que la velocidad del sonido también
depende de la temperatura absoluta (K), esta también debe medirse utilizando un sensor de
temperatura.
Los valores medidos por los sensores son capturados y procesados por un microcontrolador Arduino que los transmite vía bluetooth a una aplicación móvil, diseñada con MIT App Inventor 2, que permitirá calibrar la longitud del tubo utilizando un gas de referencia cuya velocidad del sonido es conocida.
La aplicación utilizará esta información para calcular la velocidad del sonido de una muestra desconocida de gas (Ec.1) y realizar una identificación preliminar (SoundSpeed_2024.aia).
Materiales y equipo utilizado
Para llevar a cabo este proyecto,
se utilizaron los siguientes componentes clave (ver lista completa y procedimiento
general en la referencia citada 1 ):
- Arduino Nano V3.0 CH340
- Sensor de temperatura digital DS18B20 1-Wire
- Sensor ultrasónico HC-SR04
- Módulo Bluetooth HC-06
- Impresora 3D (Ender-3 Pro)
- Arduino IDE 1.8.19
- Aplicación MIT App Inventor 2
- Teléfono celular
El proyecto demostró que es
posible medir la velocidad del sonido en diferentes gases utilizando un
dispositivo portátil basado en Arduino.
Se muestran algunos resultados de medición de gases refrigerantes (R134a y R404A) donde se puede observar que el porcentaje de error determinado fue el más bajo para los candidatos tabulados posibles (0.23224%, 0.01424% respectivamente), en relación con el valor teórico calculado, lo que puede interpretarse como una identificación positiva.
A pesar de los buenos resultados
mostrados anteriormente, cabe señalar que también se dieron identificaciones
erróneas en las que, siguiendo el criterio de la tasa de error más baja, la
sustancia identificada no correspondía al gas que se introdujo en la celda de
medición.
En este sentido, debe
considerarse que este es un proyecto aficionado diseñado para realizar
mediciones aproximadas de la velocidad del sonido en gases. Para realizar
mediciones más precisas y una identificación más exacta, se deben tener gases
de referencia de pureza certificada, calibrar el termómetro y realizar mediciones
a diferentes temperaturas para obtener un valor de desviación de las
mediciones. Además de lo anterior, una identificación positiva de una sustancia
debe basarse en varias pruebas físicas o químicas, no solo en una.
Tomadas en cuenta las anteriores consideraciones se concluye que, implementando las mejoras ya mencionadas, esta metodología puede ser utilizada
para identificar la composición de gases, lo cual tiene aplicaciones potenciales
en diversas áreas, como por ejemplo la detección de gases controlados por razones ambientales.
Midiendo la disminución del punto
de congelación de soluciones acuosas, se puede determinar la masa molecular del
soluto. Este proyecto se
describe en Measuring Freezing Point Decrease of
Water Solutions.
Principio físico y técnica de medición
Es un hecho bien conocido que la
temperatura de congelación del agua disminuye si tiene sustancias disueltas, razón por la que al agregar sal a la nieve ésta se licua.
Esto se debe a que la
aproximación de las moléculas de agua para formar el cristal de hielo se ve
obstaculizada por la presencia de moléculas distintas al agua, lo que provoca
que se requiera una temperatura más baja para solidificar.
Esta disminución del punto de
congelación de un líquido debido a que otra sustancia (soluto) está disuelta es
parte de las llamadas propiedades coligativas y, en el caso de soluciones
diluidas, que pueden considerarse una solución ideal, no depende de la naturaleza
del soluto sino solo del número de partículas del mismo.
Para soluciones diluidas, esta
disminución del punto de congelación se describe mediante la ley de Blagden (Ec.2):
ΔTF = KF · b · i (Ec.2)
donde:
ΔTF, la depresión del punto de
congelación se define como TF1 (punto de congelación del solvente puro) − TF2
(punto de congelación de la solución).
KF, la constante crioscópica, que
depende de las propiedades del solvente, no del soluto. Para el agua, KF =
1.853 K·kg/mol).
b es la molalidad (moles de
soluto por kilogramo de solvente).
i es el factor de van 't Hoff
(número de partículas de iones por unidad de fórmula del soluto, por ejemplo, i
= 1 para la glucosa, i = 2 para NaCl e i = 3 para BaCl2).
Si consideramos que la masa
molecular (M) se define como el peso en gramos de un mol de moléculas, podemos
expresar la ecuación anterior en términos de masa molecular como se muestra a
continuación:
M = (KF · WSoluto·i ) / (ΔTF
·WSolvente) (Ec.3)
donde:
WSoluto es el peso del soluto
en gramos
WSolvente es el peso del
solvente en kilogramos
El objetivo de este proyecto fue aplicar la Ecuación 3 para medir la masa molar de sustancias solubles en agua utilizando sensores de temperatura controlados por un microprocesador Arduino.
Para tal efecto se diseñó una celda de medición impresa en 3D (crioscópio) que permitió al menos tres determinaciones simultáneas (repeticiones) del punto de congelación de soluciones acuosas en condiciones lo más controladas posible.
El crioscópio, contenido en un refrigerador doméstico, transmite los datos medidos vía bluetooth a una aplicación móvil, diseñada utilizando la aplicación PhyPhox, que permita capturar los datos de temperatura medidos, graficarlos, exportarlos a Excel y a partir de estos datos calcular el peso molecular de la sustancia en estudio (Cryoscopy 3TS.phyphox).
Materiales y equipo utilizado
Para llevar a cabo este proyecto,
se utilizaron los siguientes componentes clave (ver lista completa y
procedimiento general en la referencia citada 2 ):
- Arduino Nano V3.0 CH340
- Sensores de temperatura a impermeables DS18B20
- Bluetooth
BLE CC2541 Bluetooth 4.0 UART
- Arduino IDE 1.8.19
- Aplicación PhyPhox (Google Play o AppStore)
- Impresora 3D (Ender-3 Pro)
- Ceda de medición impresa en 3D
- Balanza digital portátil (200 g/0.01g)
- Congelador doméstico
- Teléfono celular
Resultados
La aplicación para Phyphox diseñada ha permitido graficar las curvas de congelación de las muestras analizadas en tiempo real y exportar estos datos a formato Excel para analizar la información posteriormente.
Los resultados de la aplicación de la Ecuación 3, derivada de la ley de Blagden, a los datos generados por varios experimentos se observan en la tabla adjunta.
Estos experimentos utilizaron
como solutos glutamato monosódico monohidratado (potenciador de sabor utilizado
en la cocina), cloruro de sodio y sacarosa.
De estas tres sustancias, las
determinaciones de masa molecular que más se aproximaron al valor teórico
fueron las de glutamato monosódico (desviación de 0.04%, Teórica 187,260 vs. Experimental 188,01 g/mol) y cloruro de sodio (desviación de 1.58%, Teórica 58,443 vs. Experimental 59,37 g/mol) en soluciones acuosas con concentraciones entre 6,6 y 4,3% m/m
respectivamente.
En el caso de la sacarosa, la desviación del valor teórico de la masa molecular fue la mayor de las tres sustancias estudiadas. En este caso, para soluciones de concentración entre 8.2 y 16.6% m/m, las desviaciones correspondieron a 11% (Teórica 342,298 vs. Experimental 304,67 g/mol) y 13.8% (Teórica 342,298 vs. Experimental 295,16 g/mol) respectivamente.
En este punto, es conveniente
aclarar que lo que se pretende en este proyecto es diseñar un experimento
que sirva como muestra de conceptos sobre el tema de la crioscopia y las
propiedades coligativas, con el potencial de escalar a un instrumento funcional
optimizando ciertos parámetros.
Habiendo hecho esta salvedad, cabe señalar las siguientes posibles fuentes de error: la pureza de las sustancias químicas utilizadas (agua y solutos), la precisión y exactitud de los equipos de medición utilizados (balanza, termómetros) el aislamiento térmico de la celda de medición (aislamiento externo y distribución interna del calor) entre otros.
No obstante lo anterior se considera demostrado que es posible medir la masa molar de sustancias solubles en agua utilizando un dispositivo basado en Arduino y una aplicación móvil con resultados satisfactorios a efectos de ejemplificar la técnica.
Con sensores de temperatura y la
aplicación PhyPhox, se puede realizar un análisis térmico diferencial, como se
explica en Differential
Thermal Analysis Using Arduino and PhyPhox.
Principio físico y técnica de medición
Cuando una sustancia sólida se
calienta, el aumento de energía se manifiesta en forma de aumento de
temperatura.
Si la tasa de calentamiento es
constante, el aumento de temperatura también es constante siempre que no haya
cambios en la estructura de la sustancia.
En el momento en que se inicia
algún tipo de transición en la sustancia, por ejemplo, fusión, cambio de
estructura cristalina u otro, la temperatura no aumentará a la misma velocidad
porque parte de la energía de calentamiento se utilizará en ese cambio de
estado.
Si comparamos la temperatura de
la sustancia que está experimentando el cambio de estado (Muestra) con la que
experimenta otra sustancia que permanece estable (Referencia) durante el
calentamiento en condiciones idénticas y restamos un valor de temperatura de
otro (Muestra - Referencia), estaremos realizando lo que se conoce como
Análisis Térmico Diferencial (DTA).
El objetivo de este proyecto fue mostrar los conceptos básicos del DTA utilizando un microprocesador Arduino, un calentador construido con materiales caseros y una aplicación (DTA Arduino.phyphox) diseñada en Phyphox que nos permitirá obtener en nuestros teléfonos móviles curvas de Temperatura de la Muestra frente a la Diferencia (Temperatura de la Muestra - Temperatura de la Referencia) conocidas como termogramas.
Materiales y equipo utilizado
Para llevar a cabo este proyecto,
se utilizaron los siguientes componentes clave (ver lista completa y
procedimiento general en la referencia citada 3):
- Arduino Nano V3.0 CH340
- Bluetooth
Low Energy BLE CC2541 Bluetooth 4.0 UART
- Sensores de temperatura impermeables DS18B20
- Aplicacion Phyphox
- Teléfono móvil (Android o iOS)
Resultados (ver video)
La curva que traza la temperatura
de la muestra frente a la diferencia de temperatura entre la muestra y la
referencia (Muestra - Referencia) se llama termograma mismos que se analizan a continuación.
En la escala del "y",
los valores de diferencia de temperatura (Muestra - Referencia) aumentan o
disminuyen alrededor del valor de 0°C.
Al iniciar el calentamiento, la temperatura tanto de la muestra como de la referencia (parafina líquida) comienza a aumentar. Cuando la muestra experimenta algún cambio, principalmente su fusión, la velocidad de aumento de la temperatura se ralentiza en relación con la referencia, esto porque parte del calor que se está aplicando a la muestra se está utilizando ahora para dar a las moléculas una mayor movilidad cada vez más típica de un líquido que de un sólido.
Esto provoca un cambio repentino
en la pendiente de la curva que empieza a moverse hacia los valores negativos
del termograma, en este momento se dice que la muestra está experimentando un
proceso endotérmico.
Como muestras de análisis se utilizaron tres materiales de estructura cérea, a saber, alcohol cetílico, cera de abejas y cera de parafina. En los tres casos los termogramas mostraron un punto mínimo correspondiente a las temperaturas en que se dio la completa fusión del material (49.9°C, 50.4°C y 59.10°C respectivamente) observándose además, inflexiones y picos adicionales en la estructura del termograma que se pueden relacionar con la solidificación de las ceras (proceso exotérmico) así como algún proceso intermedio relacionado con cambios de fase adicionales (cambio de estructura cristalina por ejemplo).
Arduino y PhyPhox también se
pueden utilizar para medir el punto de ebullición de gases licuados, como se
detalla en Measuring
the Boiling Point of Liquefied Gases Using Arduino and PhyPhox.
Principio físico y técnica de medición
La presión de vapor de un líquido depende de la temperatura, y el punto de ebullición se alcanza cuando la presión de vapor iguala la presión atmosférica. En el caso de los gases licuados contenidos en recipientes a presión, como los gases utilizados para limpiar polvo, gas licuado de petróleo (GLP) o gases refrigerantes, la presión en el recipiente permite que una fracción del gas esté en estado líquido. Al liberar este líquido y someterlo a presión atmosférica, comenzará a evaporarse, tomando energía del entorno y disminuyendo la temperatura alrededor. Bajo estas condiciones, la presión de vapor del líquido iguala la presión atmosférica y el líquido alcanza su punto de ebullición.
El objetivo de este proyecto es medir el punto de ebullición de gases licuados, utilizando un microprocesador Arduino y un sensor de temperatura impermeable DS18B20 capaz de medir temperaturas hasta -55°C.
Los datos medidos por el microprocesador se transmitirán vía bluetooth a un teléfono móvil provisto de una aplicación diseñada en PhyPhox (Boiling Point.phyphox) para tal efecto y que no solo nos permitirá graficar y analizar los datos, sino también tener acceso a los sensores del teléfono móvil, en este caso el medidor de presión barométrica, lo que nos permitirá programar la aplicación para corregir el valor del punto de ebullición medido a su valor estándar refiriéndose a la presión atmosférica a nivel del mar o 1 atmósfera.
Para llevar a cabo este proyecto,
se utilizaron los siguientes componentes clave (ver lista completa y
procedimiento general en la referencia citada 4):
- Arduino Nano V3.0 CH340
- Sensor de temperatura impermeable DS18B20
- Bluetooth BLE CC2541 Bluetooth 4.0 UART
- Teléfono móvil (Android o iOS) con sensor de
presión barométrica
- Aplicación PhyPhox
- Bomba de gotero de plástico de 40 ml (marca Good Cook)
Resultados (ver video)
Como se observa en el cuadro de resultados mostrado mas abajo, la diferencia entre el punto de ebullición medido y el reportado en la literatura para los gases que se utilizaron como muestra de análisis, estuvo en el orden de entre 0.08°C y 0.36°C, con un promedio de 0.2°C, lo cual puede considerarse un valor mas que aceptable dada la simplicidad del equipo utilizado.
No obstante lo anterior, el proyecto demostró que es posible medir el punto de ebullición de gases licuados utilizando un dispositivo basado en Arduino y una aplicación para celular, que permitió graficar y analizar los datos, así como acceder a los sensores del teléfono, como el medidor de presión barométrica.
Esta medición del punto de ebullición, junto con otras pruebas físicas, como lo es la velocidad del sonido, comentada anteriormente, puede utilizarse para la identificación preliminar de sustancias gaseosas.
Conclusión
La democratización de la ciencia
ha sido impulsada por el acceso a microprocesadores Arduino, dispositivos IoT y las aplicaciones no-code,
permitiendo a entusiastas y aficionados realizar experimentos científicos en
casa con recursos mínimos.
Los proyectos revisados en este trabajo
demuestran cómo la tecnología puede facilitar la comprensión de conceptos
científicos complejos. La accesibilidad y versatilidad de Arduino y microprocesadores similares fomentan el
interés por las carreras STEM, promoviendo una sociedad más informada y
curiosa.
En resumen, la revolución
científica en casa es una realidad gracias a Arduino y a las app no-code, abriendo un mundo de
oportunidades para la educación y la experimentación científica.
Confiamos en que el futuro traerá
aún más oportunidades para la democratización de la ciencia y la tecnología, y
que cada vez más personas podrán beneficiarse de estas herramientas para
explorar el mundo que les rodea.
Referencias
1-Measuring the Speed of Sound in Gases as a Means of Identifying Them | Arduino Project Hub
3-Differential Thermal Analysis Using
Arduino and PhyPhox : 5 Steps (with Pictures) - Instructables
