• Author / Uploaded
• Juan José Montoya San Martín

• Categories
• Calor
• Termodinámica
• Ramas de la termodinámica
• Mecánica
• Mecánica Continua

Citation preview

Universidad De La Frontera Facultad de Ingeniería, Ciencias y Administración Departamento de Ingeniería Mecánica.

Laboratorio 1: “Ley cero de la Termodinámica”

15 de Octubre 2013

Comprobación de la ley cero a través de una breve experiencia en laboratorio.

Nombre de los integrantes Correo representante Carrera Ayudante Profesora

: Juan José Montoya Yaniff Olivos Urrutia Ricardo Palma Peña Matías Zavala Ellis : [email protected] l : ICI-Mecánica. : Pablo Godoy : Nayadeth Ibacache

Resumen En este primer laboratorio se comprobó la Ley cero de la termodinámica a través de un experimento que consistía en medir la Temperatura cada cierto intervalo de tiempo, de diferentes sistemas, que estaban en contacto a distintas temperaturas, hasta que ellas se igualaran logrando así un flujo de calor nulo.

Índice

Resumen…………………………………………………………………………………1 Índice……………………………………………………………………………………..2 Introducción……………………………………………………………………………..3 Objetivos…………………………………………………………………………………4 Marco teórico……………………………………………………………………………5 desarrollo del tema……………………………………………………………………...7 Conclusiones…………………………………………………………………………..10 Bibliografía………………………………………………………………………...……11

Introducción Cuando se manipula una taza de café recién preparada, se puede apreciar la elevada temperatura que posee a través del tacto. Acto seguido, esa taza se coloca sobre la mesa en el mismo momento en que se procede a consumirla. Después de algunos minutos en que se deja reposar el café sobre la mesa, al levantar la taza y tocar con las manos la superficie en la que se dejó, ésta se percibe más caliente en relación al momento anterior al contacto entre los dos. La taza poseía una mayor temperatura que la superficie de la mesa. Esa temperatura disminuyó después de colocarla sobre esa superficie, aumentando la temperatura de esa. De esta manera, se transfirió calor durante ese contacto. ¿Hasta qué momento, la taza le seguirá cediendo calor a la superficie de la mesa? La teoría dice que esa transferencia se producirá hasta que las temperaturas sean iguales. Esa condición se conoce cómo equilibrio térmico. La Termodinámica, rama de la física encargada de estudiar los procesos relacionados con el trabajo y el calor, posee ciertas leyes derivadas de numerosas observaciones experimentales. Una de esas leyes es la Ley Cero, encargada de tratar sobre el equilibrio térmico de los cuerpos que se ponen en contacto a diferentes temperaturas. En este trabajo, se abordará este tema mediante la descripción de un experimento en laboratorio.

Objetivos Objetivo general: Demostrar la Ley Cero de la Termodinámica a través del experimento.

Objetivos específicos: - Comprender los conceptos de calor, temperatura, la diferencia entre esos conceptos, y los factores que influyen en la transferencia de calor entre los cuerpos. - Identificar y describir los sistemas en cuestión. - Describir los procesos en los sistemas.

Marco teórico Temperatura: “Propiedad termodinámica que poseen todos los sistemas o cuerpos, que al ponerse en contacto con otros, nos asegura que nos da la misma sensación térmica” [1] (Universidad Técnica Federico Santamaría). Las escalas de temperatura que se utilizan en la actualidad fueron definidas mediante algunas propiedades termométricas. Para elegir una propiedad termométrica se debe saber su relación matemática de dicha propiedad con la temperatura. La propiedad tenía que ser lo suficientemente sensible para poder medir pequeñas variaciones en la temperatura. También se definieron algunos puntos fijos o temperaturas de referencia que tienen relación con alguna manifestación física. Las escalas más conocidas son Fahrenheit, Kelvin y Celsius. Calor: El calor es energía interna en tránsito. Fluye de una parte de un sistema a otra, o de un sistema a otro dependiendo únicamente de la diferencia de temperatura que presentan. Durante el proceso no se conoce el calor. La magnitud conocida durante el proceso es la velocidad del flujo de calor

́ Q , que es en

función del tiempo, por lo tanto el calor viene dado por la siguiente expresión: T2

́ dt Q=∫ Q T1

El calor solo puede determinarse transcurrido un tiempo

T 2−T 1

.Únicamente luego de haber cesado el flujo podemos referirnos al calor-energía interna transferida desde un sistema a una cierta temperatura a un sistema de temperatura menor.

Ley cero de la termodinámica Ley formulada en 1931 por el fisico R. H. Fowler. Esta ley establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, están en equilibrio térmico entre sí. Esto se ejemplifica al sustituir el tercer cuerpo por un termómetro obteniendo las mismas lecturas en ambos cuerpos, de esta forma la ley cero se puede volver a expresar como dos cuerpos que están en equilibrio térmico si ambos tienen la misma lectura de temperatura incluso si no están en contacto. No es posible concluir esta ley de las otras leyes de la termodinámica, y su valor como principio físico fundamental fue reconoció más de medio siglo después de la formulación de la primera y segunda leyes de la termodinámica.

Desarrollo del tema Para iniciar el siguiente laboratorio, primero se hizo el montaje de éste con los siguientes materiales: -

2 vasos precipitado; uno grande al que se le echa agua caliente y uno más

-

pequeño con agua fría. 1 termocupla Hervidor Agua

Una vez hecho el montaje, se procedió a hervir el agua, colocando en un vaso precipitado esta agua a temperatura elevada y en otro vaso precipitado (más pequeño) se colocó agua fría. Se hizo una primera medición de temperatura de ambos vasos; el que tenía agua caliente (el más grande) tenía una temperatura de 83°C, y el segundo vaso tenía una temperatura de 13°C, está medición la realizamos con la termocupla. Después, se introdujo el vaso de agua fría, al vaso de agua caliente, esperando un tiempo determinado hasta realizar la segunda medición; el vaso grande tiene agua a una temperatura de 58°C, y para el vaso pequeño la temperatura era de 55°C, como este experimento consiste en lograr el equilibrio termodinámico, se tiene que esperar

otro lapso de

tiempo para que ambos

lleguen a la misma temperatura.

Vaso precipitado con menor temperatura introducido en el de mayor temperatura

Termocupla utilizada para hacer las mediciones de temperatura.

Se realizó una tercera medición de la temperatura, después de unos minutos, y marcó la siguiente información: .-Para el precipitado de agua caliente 54°C, y para el más pequeño el agua está a 53°C. La brecha que separa a ambas temperaturas es pequeña pero aún no se logra el equilibrio térmico. .-Esperando un poco más se vuelve a introducir la termocupla, ahora ambos vasos de precipitado marcan 51°C, el equilibrio térmico se ha logrado, pero surge una duda. Sí el primer sistema es el vaso precipitado más grande con agua, y el segundo sistema es el vaso precipitado más pequeño con agua, ¿Cuál será el tercer sistema en cuestión, que tenga la misma temperatura de aquellos vasos? Así se descubre que el tercer sistema es la termocupla, porque este objeto es el que se pone en contacto térmico con ambos sistemas, equilibrando su temperatura con ellos, para así mostrar el resultado de la medición, el cual se repite. Así se cumple la ley cero, la que postula lo siguiente: T° A = T°C T°B = T°C ; entonces T°A=T°B;

Al momento de realizar las mediciones de temperatura, no se tocó en ningún momento las paredes de los vasos con la termocupla, por lo que se cumple la ley ya descrita y queda que T°A=T°B=T°C.

Representación de la ley cero de la Termodinámica.

Conclusiones 1.-La ley cero de la termodinámica quedó demostrada a través de las diferentes mediciones que se realizaron a los vasos precipitados que con agua a diferentes temperaturas, cada uno, formaban dos sistemas distintos. El tercer sistema fue la termocupla que, aunque no estuvo en contacto con las paredes del vaso, si logró la temperatura de equilibrio en un determinado tiempo, cumpliéndose el postulado de esa “ley”. Al momento de poder demostrar la ley cero se debía tener claro cuáles eran los tres sistemas que estaban participando. Como se mencionó, los dos sistemas eran evidentemente los vasos de precipitado a diferentes temperaturas, que eran el montaje del experimento en cuestión. Después surgió la duda sobre cuál era el tercer sistema. Mediante un análisis grupal se llegó a la conclusión que era la termocupla, ya que no estaba en contacto directo con los otros dos sistemas, y sí, marcaba la misma temperatura que los otros dos. 2.- Se pudo entender la relación entre calor y temperatura, diferenciándose en que la temperatura es la propiedad termodinámica que determina qué tan caliente o frío se encuentra un cuerpo respecto a otro al ponerse en contacto térmico. Sin embargo, el calor es la energía en tránsito que fluye desde de un cuerpo de mayor a otro de menor temperatura. Además de la diferencia de temperatura, se puede deducir que la distancia entre los sistemas es también un factor importante en la transferencia de calor, puesto que en esta experiencia no fue difícil lograr el equilibrio de temperaturas debido a la cercanía de los sistemas. Si hubiesen estado alejados, el flujo de energía se podría haber disipado sin lograr el equilibrio. 3.- Se pudieron identificar los sistemas en cuestión, los dos vasos de diferente tamaño y la termocupla, el tercero de ellos. Se describieron de acuerdo a a su tamaño, a la temperatura del agua que contenían y los tiempos que tardaron en igualar las temperaturas de los líquidos. El proceso de alcanzar el equilibrio se describió acorde a las mediciones térmicas de la termocupla durante ciertos intervalos de tiempo.

Bibliografía 1.- Zemansky, M; Dittman, R. 1986, Calor y Termodinámica, Editorial McGraw-Hill, México. 2.- Cengel, Y; Boles, M. 2012, Termodinámica, Editorial McGraw-Hill, México.