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EQUILIBRIO TÉRMICO

JORGE MAURO GOMEZ

PRESENTADO A: EDUARDO MARTINEZ IGLESIAS

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL CARIBE LABORATORIO DE FÍSICA II BARRANQUILLA

MARZO DEL 2016 INTRODUCCION El siguiente trabajo define el equilibrio térmico y temas relacionados con este como calor, temperatura, energía interna, principio de conservación de energía y la ley cero de la termodinámica, además se presenta el informe con motivo de dar a conocer los resultados y conclusiones obtenidas en la experiencia N°3, se explicará mediante tablas, gráficos y respuestas al cuestionario, las diferentes características del equilibrio térmico y demás aspectos relacionados con el laboratorio realizado. Con esta práctica se comprueba que estos temas además de importantes son de alto cuidado, el tener claridad de quien gana o transmite energía en forma de calor en un sistema, nos ayuda a comprender cuando se obtiene equilibrio térmico entre los cuerpos en contacto.

OBJETIVO GENERAL

Desarrollar un concepto más claro a partir de la práctica realizada en el laboratorio, acerca del equilibrio térmico y la aplicación de estas en la vida diaria. OBJETIVOS ESPECÍFICOS  Determinar de qué depende el equilibrio térmico.  Demostrar experimentalmente, cuando dos cuerpos alcanzan el equilibrio térmico.  Identificar y tener claro los diferentes conceptos relacionados con la termodinámica.

MATERIALES  Trípode  Varilla de acero  Sensor

     

Bloque de madera Termómetro Termocuplas Computador Erlenmeyer Beaker

MARCO TEÓRICO EQUILIBRIO TÉRMICO Es aquel estado en el cual se igualan las temperaturas de dos cuerpos, las cuales, en sus condiciones iníciales presentaban diferentes temperaturas. Una vez que las temperaturas se equiparan se suspende el flujo de calor, llegando ambos cuerpos al mencionado equilibrio término.

El equilibrio térmico es un concepto que forma parte de la termodinámica, la rama de la física que se ocupa de describir los estados de equilibrio a un nivel macroscópico. Cuando dos sistemas se encuentran en contacto mecánico directo, o en su defecto, separados mediante una superficie que facilita la transferencia de calor, superficie diatérmica, se dirá que ambos están en contacto térmico. Mientras tanto, al cabo de un tiempo, aunque los dos sistemas que se hallan en contacto térmico se encuentren dispuestos de tal manera que no puedan mezclarse o aunque estén colocados en el interior de un espacio en el cual es imposible que intercambien calor con el exterior, indefectiblemente, alcanzarán el estado de equilibrio térmico. A un nivel macroscópico, la situación de dos sistemas en contacto térmico podrá interpretarse porque las partículas de la superficie de interface de los dos sistemas son capaces de interactuar entre sí; lo que se verá es que las partículas del sistema que ostenta una mayor temperatura le transferirán parte de su energía a las partículas del otro sistema que observa una menor temperatura. La mencionada interacción hará que las partículas de ambos sistemas logren la misma energía y por tanto la misma temperatura. Un cuerpo caliente cede parte de su energía interna a un cuerpo frío para que los dos tengan, al final, la misma temperatura. Llamamos calor a esta forma de transmisión de energía entre dos cuerpos que están a distinta temperatura. Pero los cuerpos no tienen calor, sino energía interna que pueden ceder o recibir en forma de calor cuando los ponemos en contacto con otros cuerpos a distinta temperatura. La cantidad de calor (Q) que gana o pierde un cuerpo de masa (m) se encuentra con la fórmula

Donde: Q: es la cantidad de calor m: es la masa del cuerpo en estudio. Se expresa en gramos Ce: es el calor específico del cuerpo. Su valor se encuentra en tablas conocidas, se expresa en cal / gr º C Δt: es la variación de temperatura = Tf − T0. (Temperatura final (Tf) menos Temperatura inicial (T0), y su fórmula es Para que el cuerpo aumente de temperatura; tiene que recibir calor, para eso la temperatura tf debe ser mayor que la temperatura to ; y recibe el nombre de calor recibido. tf> to calor recibido (Q > 0) Para disminuir la temperatura; tiene que ceder calor, para eso la temperatura t f debe ser menor que la temperatura to ; y recibe el nombre de calor cedido. tf< to calor cedido (Q < 0) .

El calor es el proceso de transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia). La energía que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. La energía existe en varias formas, pero el principio de conservación de la energía indica que la energía no se crea ni se destruye; sólo se transforma de unas formas

en otras. En estas transformaciones, la energía total permanece constante; es decir, la energía total es la misma antes y después de cada transformación. En este caso nos enfocamos en el calor, que es el proceso mediante el cual la energía se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura. Energía producida por la vibración acelerada de las moléculas, que se manifiesta elevando la temperatura y dilatando los cuerpos y llega a fundir los sólidos y a evaporar los líquidos El calor es una forma de energía que los cuerpos almacenan (energía interna) que ocurre en función del estado de vibración de sus moléculas y depende de su estructura. La diferencia de temperatura existente entre los cuerpos hace que el calor se transfiera de un cuerpo a otro por rozamiento. El calor pasa del cuerpo más caliente al más frío. Cuando ambos cuerpos se hallan a la misma temperatura (equilibrio térmico) ya no hay más transferencia de calor. También puede lograrse el calentamiento de un cuerpo si le prendemos fuego; en este caso sería por liberación de energía de un sistema químico. Llamaremos “Energía Interna” a aquella energía que depende a nivel macroscópica de la Temperatura del cuerpo (o Sistema). A nivel microscópico la Energía Interna de un sistema está constituida por la energía del movimiento de todas las partículas microscópicas (moléculas, átomos, iones, etc.), por las interacciones entre estas partícula, por las capas electrónicas de los átomos y iones. La Energía Interna es una magnitud escalar que se mide en Joules (u otras unidades energéticas). Es una función de estado del sistema, depende del estado inicial y final pero no depende de la forma en que se paso de un estado a otro.

Para poder conocer la temperatura que presenta un cuerpo o sustancia se emplea el dispositivo del termómetro. Cuando el termómetro entra en contacto térmico con el cuerpo en cuestión ambos alcanzarán el equilibrio térmico y entonces al encontrarse en la misma temperatura, sabremos que la temperatura que nos indicará el termómetro en su índice será la temperatura del cuerpo que nos ocupa. La temperatura se define como una magnitud escalar que puede ser medida, específicamente, con un termómetro. Está relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada con la parte de la energía interna conocida como "energía cinética", que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que éste se encuentra más "caliente"; es decir, que su temperatura es mayor. La Ley cero de la termodinámica nos dice que si tenemos dos cuerpos llamados A y B, con diferente temperatura uno de otro, y los ponemos en contacto, en un tiempo determinado t, estos alcanzarán la misma temperatura, es decir, tendrán ambos la misma temperatura. Si luego un tercer cuerpo, que llamaremos C se pone en contacto con A y B, también alcanzará la misma temperatura y, por lo tanto, A, B y C tendrán la misma temperatura mientras estén en contacto.

ANÁLISIS DE LA EXPERIENCIA

Luego de haber finalizado la práctica de laboratorio donde se comprobó el equilibrio térmico, el cual consta de la transferencia de calor entre cuerpos con

diferentes temperaturas donde el de mayor le transfiere al de menor hasta llegar a ese punto de igualdad térmica. La practica consistía en calentar el agua hasta alcanzar una temperatura de 80°C con un volumen de 160 ml, vertiéndola en un recipiente (beaker) que contenía otro recipiente (Erlenmeyer )en su interior con agua a temperatura ambiente de 31.9°C y volumen de 100 ml , donde pasado un tiempo, se estableció un flujo de energía calorífica, la temperatura del agua en ambos recipientes se igualo, por obra de las transferencias de calor, (en este caso del agua más caliente a la más fría), también por contacto con el aire del medio ambiente y por evaporación), pero el equilibrio térmico se alcanzo cuando ambas masas de agua estuvieron a la misma temperatura.

La grafica nos muestra los valores del cambio de temperatura en los dos recipientes con ayuda de dos sensores de calor (termocuplas) los cuales nos iban mostrando los valores de esa temperatura a medida que transcurría el tiempo,

tuvimos un lapso de tiempo de 8:00 minutos donde el programa del cassy lab nos arrojaba resultados cada 15 segundos.

La grafica nos muestra los valores de las temperaturas del agua (caliente y fría) y como a medida del tiempo estas van alcanzando su equilibrio térmico.

CUESTIONARIO 1. Como interpretarías tú la siguiente frase: el calor no se tiene se transfiere.

De acuerdo al principio de la conservación de energía que nos dice que la energía no se crea ni se destruye solo se transforma, podemos decir que el calor no se tiene, se transfiere porque los cuerpos no tienen calor, sino energía interna que pueden ceder o recibir en forma de calor cuando los ponemos en contacto con otros cuerpos a distinta temperatura. 2. Dé la definición de los siguientes conceptos a) Energía interna

b) energía térmica

c) calor

Energía interna La energía interna de un cuerpo es la suma de la energía de todas las partículas que componen un cuerpo. Entre otras energías, las partículas que componen los cuerpos tienen masa y velocidad, por lo tanto tienen energía cinética interna. También tienen fuerzas de atracción entre ellas, por lo que tienen energía potencial interna. La energía interna es muy difícil de calcular ya que son muchas las partículas que componen un cuerpo y tienen muchos tipos diferentes de energía. Lo que se suele hacer es calcular la variación de energía interna. La energía interna es la suma de las energías de todas las partículas de un cuerpo. Energía Térmica La Energía térmica se debe al movimiento de las partículas que constituyen la materia. Un cuerpo a baja temperatura tendrá menos energía térmica que otro que esté a mayor temperatura. La transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura se denomina calor. Calor:

Calor es la energía que se traspasa de un sistema a otro o de un cuerpo a otro, una transferencia vinculada al movimiento de moléculas, átomos y otras partículas. En este sentido, el calor puede generarse a partir de una reacción química (como la combustión), una reacción nuclear (como aquellas que se desarrollan dentro del Sol) o una disipación (ya sea mecánica, fricción, o electromagnética, microondas). Es importante tener en cuenta que los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. Cuando una parte de esta energía se transfiere de un sistema o cuerpo hacia otro que se halla a distinta temperatura, se habla de calor. El traspaso de calor se producirá hasta que los dos sistemas se sitúen a idéntica temperatura y se alcance el denominado equilibrio térmico. 3. ¿Qué se puede decir cuando se afirma que un termómetro puede medir su propia temperatura? Explica tu respuesta Cuando utilizamos el termómetro, debemos ponerlo en contacto con el ambiente o la zona a la cual queremos medir su temperatura. Hay que dar un tiempo prudencial para que el termómetro reaccione al proceso de transferencia de calor, al final del cual la temperatura del termómetro se pone en equilibrio térmico con la zona mencionada. Esto quiere decir que el termómetro se pone al mismo nivel de temperatura. En ese momento hacemos la medición directa de la temperatura a la cual se encuentra el termómetro, la cual representa, por acción de equilibrio térmico la misma temperatura de la zona que queremos medir. Por lo anterior es que podemos afirmar, con toda libertad, que un termómetro mide su propia temperatura.

4. ¿Qué propiedades físicas deben tenerse en cuenta para la construcción de un termómetro? Explique su respuesta

La construcción de un termómetro se basa en la dilatación del mercurio (este metal líquido se utiliza por tener un valor bajo de dilatación al aplicarse calor) y en el Principio Cero de la Termodinámica que dice: "Si un sistema A que está en equilibrio térmico con un sistema B, está en equilibrio térmico también con un sistema C, entonces los tres sistemas A, B y C están en equilibrio térmico entre sí". 5. ¿Qué diferencia hay entre evaporación y ebullición? La diferencia que hay es que la ebullición ocurre en toda la masa, todas las moléculas del líquido tienen la suficiente temperatura como para pasar al estado vapor; en cambio, la evaporación tiene lugar a cualquier temperatura y solo en algunas moléculas en la superficie del líquido. 6. ¿Qué diferencia hay entre contacto térmico y equilibrio térmico? La diferencia es que el contacto térmico se da cuando se ponen en contacto dos cuerpos con diferentes temperaturas y el equilibrio térmico solo se logra hasta que ambos cuerpos hayan obtenido la misma temperatura.

CONCLUSION Podemos inferir lo siguiente:



El equilibrio térmico se da cuando los sistemas o cuerpos se hallan a la

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misma temperatura. El calor se transfiere en forma de energía. El calor se transfiere de un cuerpo de mayor temperatura a uno de menor

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temperatura. La temperatura es la medida de la energía interna de un sistema. La temperatura se puede medir con los termómetros y no con sensaciones térmicas.