Laboratorio de Física de Termodinámica
Laboratorio de Física “Apliquemos
termodinámica”
I) PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: Durante las
últimas semanas en el área de ciencia y tecnología hemos estudiado el tema de
termodinámica de manera teórica, pero no se ha comprobado experimentalmente si
la teoría es consistente con un análisis real, es por ello que decidimos
desarrollar esta práctica para ver en qué proporción la teoría se acerca a la
realidad.
II) PROBLEMA: ¿Cómo se podría transformar
el calor en movimiento ?
III) HIPÓTESIS: Si calentamos una lata llena de agua durante diferentes tiempos, apoyada sobre una plataforma, hasta su punto de ebullición, podíamos generar movimiento mediante el calor.
IV)
VARIABLES:
· Variable independiente: Calentar una lata llena de agua.
·
Variable dependiente: Genera movimiento.
· Variable interviniente: El agua.
V) OBJETIVOS:
·
Demostrar que se puede generar movimiento mediante el calor y viceversa.
VI) SUSTENTO TEÓRICO:
Calor
El calor (representado
con la letra Q) es la energía transferida de un sistema a otro
(o de un sistema a sus alrededores) debido en general a una diferencia de
temperatura entre ellos. El calor que absorbe o cede un sistema termodinámico
depende normalmente del tipo de transformación que ha experimentado dicho
sistema.
Dos o
más cuerpos en contacto que se encuentran a distinta temperatura alcanzan,
pasado un tiempo, el equilibrio
térmico (misma temperatura). Este hecho se
conoce como Principio Cero de la Termodinámica, y se ilustra en la
siguiente figura.
 |
Un
aspecto del calor que conviene resaltar es que los cuerpos no almacenan
calor sino energía
interna. El calor es por tanto la transferencia
de parte de dicha energía interna de un sistema a otro, con la condición de que
ambos estén a diferente temperatura. Sus unidades en el Sistema Internacional
son los julios (J)
La
expresión que relaciona la cantidad de calor que intercambia una
masa m de una cierta sustancia con la variación de temperatura Δt que
experimenta es:
donde c es el calor específico de la sustancia.
|
El
calor específico (o capacidad calorífica específica) es la energía
necesaria para elevar en un 1 grado la temperatura de 1 kg de masa. Sus
unidades en el Sistema Internacional son J/kg K. |
En
general, el calor específico de una sustancia depende de la temperatura. Sin
embargo, como esta dependencia no es muy grande, suele tratarse como una
constante. En esta tabla se muestra el
calor específico de los distintos elementos de la tabla periódica y en
esta otra el calor
específico de diferentes sustancias.
Cuando
se trabaja con gases es bastante habitual expresar la cantidad de sustancia en
términos del número de moles n. En este caso, el calor específico se
denomina capacidad calorífica molar C. El calor intercambiado viene
entonces dado por:
Criterio de signos: A lo largo de estas páginas, el calor absorbido por un cuerpo será positivo y el calor cedido negativo.En el Sistema Internacional, las unidades de la capacidad calorífica molar son J/molK.
Capacidad
calorífica de un gas ideal
Para
un gas ideal se definen dos capacidades caloríficas molares: a volumen
constante (CV), y a presión constante (Cp).
CV: es
la cantidad de calor que es necesario suministrar a un mol de gas ideal para
elevar su temperatura un grado mediante una transformación
isócora.
Cp: es
la cantidad de calor que es necesario suministrar a un mol de gas ideal para
elevar su temperatura un grado mediante una transformación
isóbara.
El
valor de ambas capacidades caloríficas puede determinarse con ayuda de la
teoría cinética de los gases ideales. Los valores respectivos para gases
monoatómicos y diatómicos se encuentran en la siguiente tabla:
|
donde R es
la constante universal de los gases ideales, R = 8.31 J/mol K.
Calor
latente de un cambio de fase
Cuando
se produce un cambio de fase, la sustancia debe absorber o ceder una
cierta cantidad de calor para que tenga lugar. Este calor será positivo
(absorbido) cuando el cambio de fase se produce de izquierda a derecha en la
figura, y negativo (cedido) cuando la transición de fase tiene lugar de derecha
a izquierda.
El calor absorbido o cedido en un cambio de fase no se traduce en un cambio de temperatura, ya que la energía suministrada o extraída de la sustancia se emplea en cambiar el estado de agregación de la materia. Este calor se denomina calor latente.
Latente en
latín quiere decir escondido, y se llama así porque, al no cambiar la
temperatura durante el cambio de estado, a pesar de añadir calor, éste se
quedaba escondido sin traducirse en un cambio de temperatura.
Calor
latente (L) o calor de cambio de estado, es la energía absorbida o cedida por
unidad de masa de sustancia al cambiar de estado. De sólido a líquido este
calor se denomina calor latente de fusión, de líquido a vapor calor
latente de vaporización y de sólido a vapor calor latente de
sublimación.
El
calor latente para los procesos inversos (representados en azul en la figura
anterior) tienen el mismo valor en valor absoluto, pero serán negativos porque
en este caso se trata de un calor cedido.
En el
Sistema Internacional, el calor latente se mide en J/kg.
La
cantidad de calor que absorbe o cede una cantidad m de sustancia para
cambiar de fase viene dada por:
(Martin, s.f.)Este calor será positivo o negativo dependiendo del cambio de fase que haya tenido lugar.
¿Qué
es el calor?
En la
física, en particular en la termodinámica,
el calor se define como:
La
contribución de la energía transformada como resultado de una reacción química
o nuclear y transferida entre dos sistemas, o entre dos partes de un mismo
sistema.
Esta
cantidad de energía no es atribuible a un trabajo o a una conversión entre dos
diferentes tipos de energía.
El
calor es, por lo tanto, una forma de energía transferida y no una forma de energía
contenida, como energía interna.
También recibe el nombre de enerǵia térmica.
El
calor y el trabajo son formas de energía que no pueden asociarse con el estado
del sistema, es decir, con su configuración de equilibrio. En particular, ambas
formas de energía se reconocen en el momento en que transitan, fluyen.
El
trabajo identifica el momento en que la fuerza se realiza un cambio. En otras
palabras, los flujos de trabajo se realizan en el instante en que se producen;
así como la energía térmica se
identifica solo en el momento de su transmisión.
Unidades
para expresar el calor
El
calor se mide en el Sistema Internacional en joules.
En la
práctica, sin embargo, a menudo se utiliza todavía como la unidad de medida de
calorías.
Una
caloría es la cantidad
de calor necesaria para elevar un grado
Celsius la temperatura de
un gramo de agua destilada. Esta definición es válida en las condiciones de
presión de 1 atm.
A
veces también se usan unidades puramente técnicas: como kWh o BTU.
¿Qué
es el calor específico?
El
calor específico (o calor de masa específica) de una sustancia se define como:
la cantidad
de calor necesaria para aumentar o disminuir
en un kelvin la temperatura de
una unidad de masa.
Recordemos
que la diferencia entre un grado
Celsius y un kelvin es
la misma.
Una
cantidad similar es el calor molar específico, se define como: la cantidad de
calor necesaria para aumentar o disminuir la temperatura de un mol de sustancia
en un grado.
En el
sistema internacional la unidad de medida del calor específico es J / (K · kg),
incluso si la kcal / ( kg × °C ) se usa mucho , mientras que la de
calor molar es J / ( K · mol).
¿Cuáles
son los efectos del calor?
Los
efectos de la transferencia de energía térmica se
describen por la primera ley de la
termodinámica en su forma más general:
ΔE = Q
- W
donde,
ΔE -> indica un cambio de cualquier forma de energía (tal como energía interna, energía
cinética, o energía potencial).
Q -> representa el calor.
W -> indica el trabajo (por cambio de volumen o isócoro).
Las
consecuencias de la transferencia de energía térmica pueden ser
principalmente de dos tipos:
variación
de energía
intercambio
de trabajo.
Una
forma particular de energía que puede modificarse después del paso del calor es
la energía interna. La variación de la energía interna puede tener diferentes
consecuencias, incluido un cambio en la temperatura o un cambio en el estado de
agregación.
¿Qué
son el calor latente y el calor sensible?
Si
la transferencia
de calor da como resultado un cambio en el
estado de agregación, toma el nombre de calor latente. Si la transferencia da
como resultado una disminución en la diferencia
de temperatura (porque los dos sistemas
o dos partes del mismo sistema tienden a alcanzar el equilibrio térmico)
hablamos de calor sensible.
La
fórmula clásica del calor sensible es:
Q
= c·m·ΔT
mientras
que el del calor latente es:
Q =
λ·m
Finalmente,
en el caso de que la transferencia de energía térmica implique tanto una
disminución en la diferencia
de temperatura como un cambio de fase,
este calor puede considerarse como la suma de dos contribuciones:
una
contribución relacionada con el calor sensible
una
contribución relacionada con el calor latente.
Ejemplo
Por
ejemplo, el aumento de la temperatura del agua de 20°C a 50°C en condiciones
estándar (es decir, a una presión de 1 atm) se determina por el hecho de que se
proporciona calor sensible. Si el agua ha alcanzado ya la temperatura de
ebullición, almacena energía (en forma de calor latente), manteniendo su
temperatura sin cambios, hasta que se produce el cambio de fase de líquido a
vapor.
Por
esta razón, un chorro de vapor de agua a 100°C, que tiene energía almacenada
durante el paso del estado, puede causar quemaduras más severas que el agua en
el estado líquido a la misma temperatura.
También
se habla de calor de reacción cuando el calor se consume o se genera por una
reacción química.
¿Qué
relación tienen energía térmica, temperatura y energía interna?
El
calor no es una propiedad asociada con una configuración de equilibrio termodinámico.
En presencia de un gradiente de temperatura, la energía térmica fluye
desde los puntos a temperaturas más
altos a los que están a temperaturas más
bajas, hasta que se alcanza el equilibrio térmico.
La
cantidad de calor intercambiado depende de la trayectoria en particular seguido
de la transformación para llegar desde el estado inicial al estado final.
En
otras palabras, el calor no es una función de estado.
Energía
interna
La
energía interna, en su lugar, es una función del estado asociable con una
configuración de equilibrio (o estado termodinámico)
del sistema, dependiendo de las variables de estado.
Para
la temperatura y la energía internas tienen expresiones lógicas (es decir, son
científicamente correctas) del tipo: "el cuerpo tiene una cierta
temperatura, tiene una cierta energía interna, adquiere energía, da
energía".
Energía
en tránsito
Por
otro lado, la energía térmica no es una propiedad termodinámica.
Las frases como "el cuerpo tiene calor, cede calor, adquiere calor"
no tienen ningún valor científico. De hecho, el calor puede definirse como
"energía en tránsito", no como "energía poseída por un
cuerpo".
El
calor es intercambiado entre dos cuerpos (o dos partes del mismo cuerpo) y no
poseído por un solo cuerpo (como es el caso de la energía interna). En
particular, la energía térmica fluye debido a una diferencia de temperatura
entre el sistema en estudio. La transferencia se realiza desde las temperaturas
más altas a las temperaturas más bajas. El entorno que interactúa con él.
Entonces, el calor solo se manifiesta cuando pasa entre el sistema y el entorno
debido a una diferencia de temperatura.
No se
reconoce de ninguna manera dentro del sistema y el medio ambiente como una
propiedad intrínseca de la misma.
La
transferencia (o intercambio o propagación) de calor entre sistemas se puede
hacer de tres maneras:
Conducción.
Convección.
Irradiación.
Propagación
de por conducción
En un
solo cuerpo o entre cuerpos en contacto hay una transmisión, por impactos,
de energía
cinética entre las moléculas que pertenecen a
las áreas vecinas del material.
En la
energía de conducción se transfiere a través de la materia, pero sin movimiento
macroscópico de la última.
Propagación
de por convección
En un
fluido en movimiento, las partes de fluido pueden calentar o enfriar al entrar
en contacto con las superficies exteriores. A continuación, en el curso de su movimiento
(en el carácter turbulento a menudo), la transferencia (siempre a ejecutar), la
energía adquirida a otras superficies, lo que da lugar a una transferencia de
por advección.
Propagación
de por irradiación
Entre
dos sistemas, la transmisión de calor puede tener lugar a una distancia
(también en el vacío).
La
transferencia se realiza mediante la emisión, propagación y absorción de las
ondas electromagnéticas: el cuerpo temperatura más baja se calienta, la
temperatura superior se enfría.
El
mecanismo de irradiación no requiere contacto físico entre los cuerpos
involucrados en el proceso.
Un
ejemplo: el calor que se propaga desde el Sol hacia
la tierra mediante la radiación
solar. Las partículas que emiten radiación
también generan calor.
Primera ley de la Termodinámica
La
primera ley no es otra cosa que el principio de conservación de la energía
aplicado a un sistema de muchísimas partículas. A cada estado del sistema le
corresponde una energía interna U. Cuando el sistema pasa del estado A al
estado B, su energía interna cambia en
àDU=UB-UA
Supongamos
que el sistema está en el estado A y realiza un trabajo W, expandiéndose. Dicho
trabajo mecánico da lugar a un cambio (disminución) de la energía interna de
sistema
àDU=-W
También
podemos cambiar el estado del sistema poniéndolo en contacto térmico con otro
sistema a diferente temperatura. Si fluye una cantidad de calor Q del segundo
al primero, aumenta su energía interna en
àDU=Q
Si el
sistema experimenta una transformación cíclica, el cambio en la energía interna
es cero, ya que se parte del estado A y se regresa al mismo estado, DU=0. Sin
embargo, durante el ciclo el sistema ha efectuado un trabajo, que ha de ser
proporcionado por los alrededores en forma de transferencia de calor, para
preservar el principio de conservación de la energía, W=Q.
·
Si la transformación no es
cíclica DU¹ 0
·
Si no se realiza trabajo
mecánico DU=Q
·
Si el sistema está aislado
térmicamente DU=-W
·
Si el sistema realiza trabajo,
U disminuye
·
Si se realiza trabajo sobre el
sistema, U aumenta
·
Si el sistema absorbe calor al
ponerlo en contacto térmico con un foco a temperatura superior, U aumenta.
·
Si el sistema cede calor al
ponerlo en contacto térmico con un foco a una temperatura inferior, U
disminuye.
·
Todos estos casos, los podemos
resumir en una única ecuación que describe la conservación de la energía del
sistema.
àDU=Q-W
Si el
estado inicial y final están muy próximos entre sí, el primer principio se
escribe:
àdU=dQ-pdV
Calor y temperatura
Lo que
significa el calor en la termodinámica, y cómo podemos calcularlo usando la
capacidad calorífica.
Puntos
más importantes
El
calor, es energía térmica que se transfiere de un sistema más caliente a un
sistema más frío que están en contacto.
La
temperatura es una medida de la energía cinética promedio de los átomos o
moléculas en el sistema.
La ley
del cero de la termodinámica dice que no se transfiere calor entre dos objetos
en equilibrio térmico; por lo tanto, están a la misma temperatura.
Podemos
calcular el calor liberado o absorbido utilizando el calor específico, la masa
de la sustancia y el cambio en temperatura en la ecuación:
q=m×C×ΔT
El calor en la termodinámica
¿Qué
contiene más calor, una taza de café o un vaso de té helado? En clase de
química, esta sería una pregunta capciosa (¡lo siento!). En termodinámica, el
calor tiene un significado muy concreto que es diferente de la manera en la que
podríamos usar la palabra en el discurso cotidiano. Los científicos definen el
calor como la energía térmica transferida entre dos sistemas a diferentes
temperaturas que entran en contacto. El calor se escribe con el símbolo q o Q,
y tiene unidades de joules.
Al
calor a veces se le llama una magnitud de proceso, porque está definido en el
contexto de un proceso por el cual se puede transferir energía. No decimos que
una taza de café contiene calor, pero podemos hablar del calor transferido de
la taza de café caliente a tu mano. El calor también es una propiedad
extensiva, así que el cambio de temperatura que resulta al transferir calor a
un sistema depende de cuántas moléculas hay en el sistema.
La relación entre calor y temperatura
Calor
y temperatura son dos conceptos diferentes, pero estrechamente relacionados.
Observa que tienen diferentes unidades: la temperatura típicamente tiene
unidades de grados Celsius ∘
o Kelvin, y el calor tiene unidades de energía, Joules. La temperatura es una
medida de la energía cinética promedio de los átomos o moléculas en el sistema.
Las moléculas de agua en una taza de café caliente tienen una mayor energía
cinética promedio que las moléculas de agua en una taza de té helado, lo que
también significa que están moviéndose a una velocidad más alta. La temperatura
también es una propiedad intensiva. Esto significa que no depende de qué tanta
cantidad tengas de una sustancia (¡siempre y cuando esté toda a la misma
temperatura!). Por esta razón, los químicos pueden utilizar el punto de fusión
para poder identificar una sustancia pura: la temperatura a la cual se derrite
es una propiedad de la sustancia que no depende de la masa de una muestra.
A
nivel atómico, las moléculas en cada objeto están constantemente en movimiento
y chocando entre sí. Cada vez que chocan, pueden transferir energía cinética.
Cuando dos sistemas están en contacto, se va a transferir calor del sistema más
caliente al más frío por medio de choques moleculares. La energía térmica va a
fluir en esa dirección hasta que los dos objetos están a la misma temperatura.
Cuando esto ocurre, decimos que están en equilibrio térmico.
La ley cero de la termodinámica: definir el equilibrio
térmico
La ley
del cero de la termodinámica define el equilibrio térmico en un sistema
aislado. De acuerdo con esta ley, cuando dos objetos en equilibrio térmico
están en contacto, no hay ninguna transferencia de calor neto entre ellos; por
lo tanto, están a la misma temperatura. Otra forma de enunciar la ley cero es
decir que, si dos objetos por separado están cada uno en equilibrio térmico con
un tercer objeto, entonces están en equilibrio térmico entre sí.
La ley
cero nos permite medir la temperatura de los objetos. Cada vez que usamos un
termómetro estamos utilizando la ley cero de la termodinámica. Digamos que
medimos la temperatura del agua en una tina de baño. Para asegurarnos de que la
lectura es correcta, generalmente queremos esperar a que la lectura de
temperatura permanezca constante. ¡Estamos esperando que el termómetro y el
agua alcancen el equilibrio térmico! Cuando lo hayan alcanzado, la temperatura
del bulbo del termómetro y del agua de la bañera será la misma, y no habrá
transferencia de calor neto de un objeto al otro (suponiendo que no haya
pérdida de calor hacia los alrededores).
Calor y trabajo
Relación entre calor y trabajo
Si calor y trabajo son ambas formas de
energía en tránsito de unos cuerpos o sistemas a otros, deben estar
relacionadas entre sí. La comprobación de este tipo de relación fue uno de los
objetivos experimentales perseguidos con insistencia por el físico inglés James Prescott Joule (1.818 - 1.889). Aun cuando efectuó diferentes experimentos en
busca de dicha relación, el más conocido consistió en determinar el calor
producido dentro de un calorímetro a consecuencia del rozamiento con el agua
del calorímetro de un sistema de paletas giratorias y compararlo posteriormente
con el trabajo necesario para moverlas.
La energía mecánica puesta en juego era
controlada en el experimento de Joule haciendo caer unas pesas cuya energía
potencial inicial podía calcularse fácilmente de modo que el trabajo W, como
variación de la energía mecánica, vendría dado por:
W = ΔEp = m·g·h
Siendo m la masa de las pesas, h la altura
desde la que caen y g la aceleración de la gravedad. Por su parte, el calor
liberado por la agitación del agua que producían las aspas en movimiento daba
lugar a un aumento de la temperatura del calorímetro y la aplicación de la
ecuación calorimétrica:
Q = m·c·(Tf- Ti)
Permitía determinar el valor de Q y
compararlo con el de W. Tras una serie de experiencias en las que mejoró
progresivamente sus resultados, llegó a encontrar que el trabajo realizado
sobre el sistema y el calor liberado en el calorímetro guardaban siempre una
relación constante y aproximadamente igual a 4,2. Es decir, por cada 4,2 joule
de trabajo realizado se le comunicaba al calorímetro una cantidad de calor
igual a una caloría. Ese valor denominado equivalente mecánico del
calor se conoce hoy con más precisión y es considerado como 4,184
joule/calorías. La relación numérica entre calor Q y trabajo W puede, entonces,
escribirse en la forma:
W (joule) = 4,18·Q (calorías)
La consolidación de la noción de calor como
una forma más de energía, hizo del equivalente mecánico un simple factor de
conversión entre unidades diferentes de una misma magnitud física, la energía;
algo parecido al número que permite convertir una longitud expresada en
pulgadas en la misma longitud expresada en centímetros.
Máquinas térmicas
Junto a la conversión de trabajo en calor
puesta de manifiesto en las experiencias de Joule, la transformación efectuada
en sentido inverso es físicamente realizable. Los motores de explosión que
mueven, en general, los vehículos automóviles y la máquina de vapor de las
antiguas locomotoras de carbón, son dispositivos capaces de llevar a cabo la
transformación del calor en trabajo mecánico. Este tipo de dispositivos reciben
el nombre genérico de máquinas térmicas.
En todas las máquinas térmicas el sistema
absorbe calor de un foco caliente; parte de él lo transforma en trabajo y el
resto lo cede al medio exterior que se encuentra a menor temperatura. Este
hecho constituye una regla general de toda máquina térmica y da lugar a la
definición de un parámetro característico de cada máquina que se
denomina rendimiento y se define como el cociente entre el trabajo
efectuado y el calor empleado para conseguirlo. Expresado en tantos por ciento
toma la forma:
η (%) = W·100/Q
Ninguna máquina térmica alcanza un
rendimiento del cien por cien. Esta limitación no es de tipo técnico, de modo
que no podrá ser eliminada cuando el desarrollo tecnológico alcance un nivel
superior al actual; se trata, sin embargo, de una ley general de la naturaleza
que imposibilita la transformación íntegra de calor en trabajo. Por tal motivo
las transformaciones energéticas que terminan en calor suponen
una degradación de la energía, toda vez que la total reconversión del
calor en trabajo útil no está permitida por las leyes naturales.
Transferencia
de Calor En física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor
entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están
a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o
conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente,
puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.
Por
ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa
fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un
quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe
calor del Sol casi exclusivamente por radiación.
Convección
Si
existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es
casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento
transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado
convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se
calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele
disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido
más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más
denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no
uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La
convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones,
con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de
fluidos.
Supongamos,
por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido
más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por
conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como
resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja
hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido
más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más
caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al
aire situado por encima. De forma similar, en una cámara vertical llena de gas,
como la cámara de aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble
vidrio, el aire situado junto al panel exterior que está más frío desciende,
mientras que al aire cercano al panel interior más caliente asciende, lo que
produce un movimiento de circulación.
El
calentamiento de una habitación mediante un radiador no depende tanto de la
radiación como de las corrientes naturales de convección, que hacen que el aire
caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de la habitación se
dirija hacia el radiador. Debido a que el aire caliente tiende a subir y el
aire frío a bajar, los radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los
aparatos de aire acondicionado cerca del techo) para que la eficiencia sea
máxima. De la misma forma, la convección natural es responsable de la ascensión
del agua caliente y el vapor en las calderas de convección natural, y del tiro
de las chimeneas. La convección también determina el movimiento de las grandes
masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la
formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde
el interior del Sol hasta su superficie.
Conceptos
básicos de termodinámica
La
termodinámica es la rama de la física que estudia los efectos de los cambios
de temperatura,
presión y volumen de un sistema físico (un material, un líquido, un conjunto de
cuerpos, etc.), a un nivel macroscópico. La raíz "termo"
significa calor y
dinámica se refiere al movimiento, por lo que la termodinámica estudia el
movimiento del calor en
un cuerpo. La materia está compuesta por diferentes partículas que se mueven de
manera desordenada. La termodinámica estudia este movimiento desordenado.
La
importancia práctica radica fundamentalmente en la diversidad de fenómenos
físicos que describe. En consecuencia, el conocimiento de esta diversidad ha
derivado haca una enorme productividad tecnológica.
¿Cuáles
son las leyes de la termodinámica?
Los principios
de la termodinámica se enunciaron durante el
siglo XIX, los cuales regulan las transformaciones termodinámicas,
su progreso, sus límites. Realmente, son axiomas reales basados en la
experiencia en la que se basa toda la teoría.
En
concreto, se pueden distinguir tres principios básicos, más un principio de
"cero" que define la temperatura y que está implícito en los otros
tres.
Principio
cero de la termodinámica
La ley cero de la termodinámica afirma
que cuando dos sistemas que interactúan están en equilibrio térmico,
comparten algunas propiedades, que pueden medirse dándoles un valor numérico
preciso. En consecuencia, cuando dos sistemas están en equilibrio térmico con
un tercero, están en equilibrio entre sí y la propiedad compartida es la
temperatura.
Primer
principio termodinámico
La primera
ley de la termodinámica afirma que cuando
un cuerpo se pone en contacto con otro cuerpo relativamente más frío, se
produce una transformación que conduce a un estado de equilibrio en
el que las temperaturas de
los dos cuerpos son iguales.
El
primer principio es, por lo tanto, un principio de conservación de la energía.
En cada máquina térmica, una cierta cantidad de energía se transforma en
trabajo: no puede existir una máquina que produzca trabajo sin consumir
energía.
En
definitiva, el primer principio termodinámico se afirma tradicionalmente como:
La variación de la energía interna de
un sistema
termodinámico cerrado es igual a la
diferencia entre el calor suministrado al sistema y el trabajo realizado por el
sistema en el medio ambiente.
Segundo
principio termodinámico
Hay
varias declaraciones de la segunda
ley de la termodinámica, todas equivalentes, y
cada una de las formulaciones enfatiza un aspecto particular. En primer lugar,
afirma que "es imposible realizar una máquina cíclica que tenga el único
resultado de transferir calor de un cuerpo frío a un cuerpo cálido"
(declaración de Clausius). Por lo tanto, la transferencia de calor siempre
va del cuerpo caliente al cuerpo frío.
Por
otra parte, también se puede afirmar, de manera equivalente, que “es imposible
llevar a cabo una transformación cuyo resultado sea solo el de convierte el
calor tomado de una sola fuente en trabajo mecánico” (declaración de Kelvin).
Tercer
principio de la termodinámica
El
tercer principio de las leyes de la termodinámica está estrechamente
relacionado con este último, y en algunos casos se considera como consecuencia
de este último. En este sentido, puede afirmarse diciendo que "es
imposible alcanzar el cero absoluto con un número finito de
transformaciones" y proporciona una definición precisa de la magnitud
llamada entropía.
Adicionalmente,
la tercera ley de la
termodinámica también establece que la
entropía para un sólido perfectamente cristalino, a la temperatura de 0 kelvin es
igual a 0.
La
primera ley de la termodinámica
La primera
ley de la termodinámica establece que la energía no se crea, ni se
destruye, sino que se conserva. Entonces esta ley expresa que, cuando un
sistema es sometido a un ciclo termodinámico, el calor cedido por el
sistema será igual al trabajo recibido por el mismo, y viceversa.
Es
decir, Q = W, en que Q es el calor suministrado por el sistema al medio
ambiente y W el trabajo realizado por el medio ambiente al sistema durante el
ciclo.
Un
ejemplo sencillo seria: Al remover con un taladro el agua contenida
en un recipiente, le estamos aplicando trabajo, que es igual al calor que este
emite al medio ambiente al calentarse. En este caso, el sistema puede ser el
agua, el medio sería el taladro, el aire circundante y todo lo que está fuera
del sistema que no sea agua (pues lo que está afuera recibirá calor
del sistema).
La
primera ley para un sistema
En
este caso, el sistema podría ser el agua contenida en un recipiente, y el medio
ambiente todo lo que rodea el recipiente, que serían desde la cocina en donde
descansa el recipiente con agua hasta el quemador que le suministra calor, en
fin, la atmósfera y todo lo que esté fuera del recipiente.
Supongamos
que encima de este recipiente colocamos una tapa, únicamente usando su peso.
Supongamos además que al recipiente se le suministra calor del quemador de la
cocina que lo contiene. A medida que el agua empieza a hervir, la tapa empieza
a moverse cada vez más rápidamente. El movimiento de la tapa es entonces el desplazamiento
que representa el trabajo realizado por el sistema sobre el medio
ambiente.
La
energía interna
Cuando
el agua está hirviendo, hace que la tapa del recipiente realice el
trabajo. Pero esto lo hace a costa del movimiento molecular, lo que significa
que no todo el calor suministrado va a transformarse en trabajo, sino que parte
se convierte en incremento de la energía interna, la cual obedece a
la energía cinética de traslación, vibración y potencial molecular.
Por lo que la fórmula anterior que mencionamos también tendría que incluir a la
energía interna.
Formulación
de la primera ley para un sistema
La
primera ley expresa que el calor, suministrado por el medio ambiente (el
quemador de la cocina) a un sistema (el agua contenida en el recipiente) es
igual al cambio de la energía interna en el interior del líquido
(agua en este caso) sumada al trabajo que el agua realiza cuando al
hervir mueve la tapa contra el medio ambiente.
Por lo
tanto: el calor cedido por el medio al sistema será igual a la variación
de la energía interna en el interior del sistema (agua) más el trabajo
realizado por el sistema sobre el medio.
Signos
del calor y el trabajo
Si el
medio suministra calor sobre el sistema, el calor será positivo y si
recibe calor del sistema será negativo. Si el medio realiza trabajo sobre
el sistema, el trabajo será negativo y si recibe trabajo de parte del
sistema, el trabajo será positivo.
Ley de
conservación
La primera
ley de la termodinámica es entonces la ley de conservación de la
energía, que asegura que la energía no se crea, ni se destruye, sino que se
conserva.
La
primera ley de la termodinámica
Lo que llevamos visto en esta serie, cosas fáciles de
entender, macroscópicas, en las que solo hemos empleado algunas relaciones
matemáticas muy elementales, nos sobra y nos basta junto con alguna definición
adicional para establecer dos de las leyes fundamentales del universo. Así,
como suena. En ambos casos son afirmaciones de imposibilidad, es decir, establecen
que hay cosas imposibles. veremos en esta entrega la primera y veremos la
segunda en la próxima.
Si
consideramos al Bugatti Chiron en movimiento como un sistema termodinámico, en
él no se cumple la primera ley de la termodinámica. ¿Por qué?
La primera ley
de la termodinámica es una generalización de la conservación de la energía en
los procesos térmicos. Se basa en la conclusión de Joule de que el calor y la
energía son equivalentes. Pero para llegar a ella hay que sortear algunas
trampas en el camino.
A partir de la conclusión de Joule podríamos caer en la
tentación de llamar al calor energía «interna» asociada con la temperatura.
Podríamos entonces agregar calor a las energías potencial y cinética de un
sistema, y llamar a esta suma la energía total, que es lo que conservaría. De
hecho, esta solución funciona bien para una gran variedad de fenómenos,
incluyendo los experimentos de Joule. Los problemas surgen con la idea de
«contenido» de calor de un sistema. Por ejemplo, cuando se calienta un sólido hasta
su punto de fusión, una “entrada de calor” adicional provoca la fusión, pero
sin aumentar la temperatura. Con este sencillo experimento vemos que considerar
simplemente la energía térmica medida solo por un aumento de
temperatura como parte de la energía total de un sistema no dará una ley
general completa.
En lugar de «calor», podemos usar el concepto de energía
interna, esto es, una energía en el sistema que puede tomar formas no
directamente relacionadas con la temperatura. Podemos entonces usar la palabra
«calor» para referirnos solamente a una transferencia de energía entre
un sistema y su entorno. De forma análoga, el término trabajo no lo
utilizaremos para describir algo contenido en el sistema, sino que describe
una transferencia de energía de un sistema a otro. Calor
y trabajo son, pues, dos formas en las que la energía se transfiere, no
energías.
Estas definiciones no permiten una
declaración simplista como “la entrada de calor a un sistema aumenta su energía
interna, y el trabajo hecho en un sistema aumenta su energía mecánica”. La
entrada de calor a un sistema puede tener efectos distintos al aumento de la
energía interna. En una máquina de vapor, por ejemplo, la entrada de calor
aumenta la energía mecánica del pistón. Del mismo modo, el trabajo realizado en
un sistema puede tener efectos distintos al aumento de la energía mecánica. Al
frotarnos las manos en un día frío, por ejemplo, el trabajo que hacemos aumenta
la energía interna de la piel de las manos lo que, en este caso, se traduce en
un aumento de la temperatura.
En resumen, una ley general de conservación de la energía
debe incluir la transferencia de energía como trabajo y la transferencia
energía como calor. Además, debe incluir el cambio en la energía total del
sistema, pero no con una parte «mecánica» y una parte «interna».
En un sistema aislado, esto es, un sistema q
ue no
intercambia materia ni energía con su entorno, la energía total debe
permanecer constante. Si el sistema intercambia energía con su entorno, pero no
materia (lo que se llama sistema cerrado), puede hacerlo solo de
dos formas: una transferencia de energía bien en forma de trabajo realizado
sobre o por el sistema, bien en forma de calor hacia o desde el sistema. En el
caso de que exista transferencia de energía, el cambio en la energía del
sistema debe ser igual a la energía neta ganada o perdida por el entorno.
Formalmente*, llamemos W al trabajo
realizado sobre o por el sistema (como el cilindro en una máquina de vapor). Si
el trabajo lo realiza el sistema, diremos que W es negativo;
si el trabajo se realiza sobre el sistema, diremos que W es
positivo. De forma similar, llamemos ΔQ a la transferencia
neta de calor hacia o desde el sistema. Si la transferencia neta de calor es
hacia el sistema, ΔQ será positiva; si la transferencia neta
sale del sistema, ΔQ será negativa.
Ya lo tenemos todo para enunciar la primera ley de la
termodinámica:
La
primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía
total de un sistema cerrado, ΔE, viene dado por la suma del trabajo
realizado sobre o por el sistema y la transferencia neta de calor hacia o desde
el sistema. Simbólicamente, ΔE = W + ΔQ.
Esta expresión general incluye como casos especiales las
versiones preliminares de la ley de conservación de la energía que hemos dado
en entregas anteriores de esta serie. Si no hay transferencia de calor en
absoluto, entonces ΔQ = 0, y ΔE = W.
En este caso, el cambio en la energía de un sistema es igual al trabajo
realizado sobre o por él. Por otra parte, si no se realiza trabajo ni sobre ni
por el sistema, entonces W = 0 y ΔE = ΔQ. En
este caso el cambio en la energía del sistema es igual a la transferencia neta
de calor.
Esta ecuación tan sencilla es de una utilidad tremenda.
Pero, si bien hemos enunciado la primera ley, aún queda un misterio por
resolver, que es la estructura de esa energía interna de la que, de momento,
solo sabemos que en algunos casos está relacionada con la temperatura y cómo se
relaciona con la energía total del sistema. Lo veremos más adelante en esta
serie, cuando tengamos la necesidad de introducir el concepto de átomo. Algo
que, hasta ahora, no nos ha hecho falta.
LA TERMODINÁMICA
es la parte de la física que se encarga de la relación entre el calor y el
trabajo.
Relación entre trabajo y calor
Tanto
el calor como el trabajo son modos en que los cuerpos y los sistemas
transforman su energía. Esto permite establecer un equivalente mecánico del
calor. Trabajo y calor son métodos de transferencia de energía. Utilizan
la misma unidad de medida en el Sistema Internacional, el julio ( J ). Además,
es habitual utilizar la caloría ( cal ) para medir el calor. La conversión
entre calorías y julios viene dada por:
1 cal = 4.184 J ⇔
1 J = 0.24 cal
La termodinámica proviene de dos disciplinas separadas hasta el S.XIX, la
termología y la mecánica. La primera se encargaba de los fenómenos
exclusivamente térmicos y la segunda trataba el movimiento, la fuerza y el
trabajo.
La
termodinámica
es la
parte de la física que estudia las transferencias de calor, la conversión de la
energía y la capacidad de los sistemas para producir trabajo. Las leyes de la
termodinámica explican los comportamientos globales de los sistemas
macroscópicos en situaciones de equilibrio.
Tiene las siguientes características:
Se aplica al estudio de sistemas que contienen muchas partículas y no al
estudio de moléculas, átomos o partículas subatómicas
Estudia
el sistema en situaciones de equilibrio, que son aquellas a las que sistema
tiende a evolucionar y caracterizadas porque en ellas todas las propiedades del
sistema quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas
previamente aplicadas
Sus
postulados son indemostrables, están basados en las experiencias y no en
razonamientos teóricos
Es
importante que te familiarices con los conceptos que vamos a introducir a
continuación, pues, aunque en una primera aproximación pueden parecer algo
abstractos, te permitirían estudiar el comportamiento de sistemas concretos (
un motor, un inflador de aire, etc ) con bastante precisión.
Termodinámica
Termodinámica ,
ciencia de la relación entre calor , trabajo , temperatura y energía . En
términos generales, la termodinámica se ocupa de la transferencia de energía de
un lugar a otro y de una forma a otra. El concepto clave es que el calor
es una forma de energía que corresponde a una determinada cantidad de trabajo
mecánico.
PREGUNTAS
PRINCIPALES
¿Qué
es la termodinámica?
¿La
termodinámica es física?
El
calor no fue reconocido formalmente como una forma de energía hasta alrededor
de 1798, cuando el Conde Rumford ( Sir
Benjamin Thompson ), un ingeniero militar
británico, notó que se podían generar cantidades ilimitadas de calor en la
perforación de los cañones de los cañones y que la cantidad de calor generada
es proporcional al trabajo realizado al tornear una herramienta de perforación
desafilada. La observación de Rumford de la proporcionalidad entre el
calor generado y el trabajo realizado se encuentra en la base de la
termodinámica. Otro pionero fue el ingeniero militar francés Sadi
Carnot , quien introdujo el concepto del
ciclo de la máquina térmica
y el principio de reversibilidad en 1824. El trabajo de Carnot se refería a las
limitaciones en la cantidad máxima de trabajo que se puede obtener de una máquina
de vapor que opera con una
transferencia de calor a alta temperatura como su fuerza motriz. Más tarde
ese siglo, estas ideas fueron desarrolladas por Rudolf
Clausius , matemático y físico alemán, en la
primera y segunda leyes de la termodinámica, respectivamente.
Las
leyes más importantes de la termodinámica son:
La
ley cero de la termodinámica. Cuando dos sistemas están cada uno en equilibrio térmico con
un tercer sistema, los dos primeros sistemas
están en equilibrio térmico entre sí. Esta propiedad hace que sea
significativo utilizar termómetros como el "tercer sistema" y definir
una escala de temperatura.
La
segunda ley de la termodinámica. El calor no fluye espontáneamente de una
región más fría a una región más caliente o, de manera equivalente, el calor a
una temperatura dada no se puede convertir completamente en trabajo. En
consecuencia, ella
entropía de un sistema cerrado, o energía
térmica por unidad de temperatura, aumenta con el tiempo hacia un valor
máximo. Por lo tanto, todos los sistemas cerrados tienden hacia un estado
de equilibrio en el que la entropía es máxima y no hay energía disponible para
realizar un trabajo útil.
La
tercera ley de la termodinámica. La entropía de un cristal perfecto de
un elemento en
su forma más estable tiende a cero cuando la temperatura se acerca al cero absoluto . Esto
permite establecer una escala absoluta de entropía que, desde un punto de
vista estadístico ,
determina el grado de aleatoriedad o desorden en un sistema.
Aunque
la termodinámica se desarrolló rápidamente durante el siglo XIX en respuesta a
la necesidad de optimizar el rendimiento de las máquinas de vapor, la gran
generalidad de las leyes de la termodinámica las hace aplicables a todos los
sistemas físicos y biológicos. En particular, las leyes de la
termodinámica dan una descripción completa de todos los cambios en el estado
energético de cualquier sistema y su capacidad para realizar un trabajo útil en
su entorno.
Este
artículo cubre termodinámica clásica, que no implica la consideración
de átomos o moléculas individuales . Estas
preocupaciones son el foco de la rama de la termodinámica conocida como
termodinámica estadística, o mecánica
estadística , que expresa propiedades
termodinámicas macroscópicas en términos del comportamiento de partículas
individuales y sus interacciones. Tiene sus raíces en la última parte del
siglo XIX, cuando las teorías atómicas y moleculares de la materia comenzaron a
ser generalmente aceptadas.
Conceptos
Fundamentales
Termodinámico estados
La
aplicación de los principios termodinámicos comienza definiendo un sistema que,
en cierto sentido, es distinto de su entorno. Por ejemplo, el sistema
podría ser una muestra de gas dentro
de un cilindro con un pistón móvil ,
una máquina
de vapor completa , un corredor
de maratón ,
el planeta Tierra ,
una estrella de neutrones ,
un agujero negro o
incluso todo el universo . En
general, los sistemas son libres de intercambiar calor , trabajo y
otras formas de energía con
su entorno.
La
condición de un sistema en un momento dado se denomina estado
termodinámico. Para un gas en un cilindro con un móvil pistón ,
el estado del sistema se identifica por la temperatura ,
la presión y
el volumen del gas. Estas propiedades son parámetros característicos que
tienen valores definidos en cada estado y son independientes de la forma en que
el sistema llegó a ese estado. En otras palabras, cualquier cambio en el
valor de una propiedad depende solo de los estados inicial y final del sistema,
no del camino que sigue el sistema de un estado a otro. Estas propiedades
se denominan funciones estatales. Por el contrario, el trabajo realizado
cuando el pistón se mueve y el gas se expande y el calor que el gas absorbe de
su entorno depende de la forma detallada en que se produce la expansión.
El
comportamiento de un sistema termodinámico complejo, como la
atmósfera de la Tierra , puede entenderse
aplicando primero los principios de estados y propiedades a sus componentes, en
este caso, agua ,
vapor de agua y los diversos gases que componen la atmósfera. Al aislar
muestras de material cuyos estados y propiedades se pueden controlar y
manipular, se pueden estudiar las propiedades y sus interrelaciones a medida
que el sistema cambia de un estado a otro.
Termodinámica
Termodinámico equilibrio
Un
concepto particularmente importante es el equilibrio termodinámico, en el que
no hay tendencia a que el estado de un sistema cambie espontáneamente. Por
ejemplo, el gas en un cilindro con un pistón móvil estará en equilibrio si la
temperatura y la presión en el interior son uniformes y si la fuerza de restricción
en el pistón es suficiente para evitar que se mueva. Entonces, se puede
hacer que el sistema cambie a un nuevo estado solo mediante un cambio impuesto
externamente en una de las funciones de estado, como la temperatura al agregar
calor o el volumen al mover el pistón. Una secuencia de uno o más de estos
pasos que conectan diferentes estados del sistema se llama proceso. En
general, un sistema no está en equilibrio ya que se ajusta a un cambio abrupto
en su entorno. Por ejemplo, cuando un globo estalla, el gas comprimido en
su interior está repentinamente lejos del equilibrio y se expande rápidamente
hasta que alcanza un nuevo estado de equilibrio. Sin embargo, se podría
lograr el mismo estado final colocando el mismo gas comprimido en un cilindro
con un pistón móvil y aplicando una secuencia de muchos pequeños incrementos en
volumen (y temperatura), dándole tiempo al sistema para que llegue al
equilibrio después de cada pequeño incremento. Se dice que tal proceso es reversible porque
el sistema está en (o cerca) de equilibrio en cada paso a lo largo de su
trayectoria, y la dirección del cambio podría invertirse en cualquier
punto. Este ejemplo ilustra cómo dos rutas diferentes pueden conectar los
mismos estados inicial y final. El primero es irreversible (el
globo estalla), y el segundo es reversible. El concepto de procesos
reversibles es algo así como movimiento sin fricción en mecánica . Representa
un caso límite idealizado que es muy útil para discutir las propiedades de los
sistemas reales. Muchos de los resultados de la termodinámica se derivan
de las propiedades de los procesos reversibles.
El
concepto de temperatura
es fundamental para cualquier discusión sobre termodinámica, pero su definición
precisa no es una cuestión sencilla. Por ejemplo, una barra de acero
se siente más fría que una barra
de madera a
temperatura ambiente simplemente porque el acero es mejor para conducir el
calor lejos de la piel . Por
lo tanto, es necesario tener una forma objetiva de medir la
temperatura. En general, cuando dos objetos entran en contacto térmico, el
calor fluirá entre ellos hasta que entren en equilibrio entre sí. Cuando
se detiene el flujo de calor, se dice que están a la misma temperatura. La
ley cero de la termodinámica formaliza esto al afirmar que, si un
objeto A está en equilibrio térmico simultáneo con otros dos objetos B y C,
entonces B y C estarán en equilibrio térmico entre sí si se
ponen en contacto térmico. El objeto A puede entonces desempeñar
el papel de un termómetro mediante
algún cambio en sus propiedades físicas con la temperatura, como su volumen o
su resistencia
eléctrica .
Con la
definición de igualdad de temperatura en la mano, es posible establecer una
escala de temperatura asignando valores numéricos a ciertos puntos fijos
fácilmente reproducibles. Por ejemplo, en el la
escala de temperatura Celsius (° C) ,
al punto de congelación del agua pura se le asigna arbitrariamente una
temperatura de 0 ° C y al punto de ebullición del agua el valor de 100 ° C (en
ambos casos a 1 atmósfera estándar; ver presión
atmosférica ). En el la
escala de temperatura Fahrenheit (° F) ,
a estos mismos dos puntos se les asignan los valores 32 ° F y 212 ° F,
respectivamente. Existen escalas
de temperatura absoluta relacionadas con
la segunda ley de la termodinámica. La escala absoluta relacionada con la
escala Celsius se llama Escala Kelvin (K),
y la relacionada con la escala Fahrenheit se llama Escala de Rankine (°
R). Estas escalas están relacionadas por las ecuaciones K = ° C + 273.15,
° R = ° F + 459.67 y ° R = 1.8 K. El cero en las escalas de Kelvin y Rankine
es cero absolutos .
La
energía tiene un significado preciso en física que no siempre se corresponde
con el lenguaje cotidiano y, sin embargo, una definición precisa es algo
esquiva. La palabra se deriva de la palabra griega argón, que
significa trabajo, pero el término trabajo adquirió un significado
técnico con el advenimiento de la mecánica newtoniana. Por ejemplo, un
hombre empujando un auto.
Puede sentir que está haciendo mucho trabajo, pero en realidad no se hace
ningún trabajo a menos que el automóvil se mueva. El
trabajo realizado es entonces el producto de la fuerza aplicada por el hombre
multiplicada por la distancia que recorre el automóvil. Si no hay fricción
y la superficie está nivelada, entonces el automóvil, una vez puesto en
movimiento, continuará rodando indefinidamente con velocidad constante. El
automóvil rodante tiene algo que no tiene un automóvil parado: tiene una
energía cinética de movimiento igual al trabajo requerido para alcanzar ese
estado de movimiento. La introducción del concepto de energía de esta
manera es de gran valor en mecánica porque, en ausencia de fricción, la energía
nunca se pierde del sistema, aunque puede convertirse de una forma a
otra. Por ejemplo, si un automóvil que navega por la costa llega a una
colina, rodará cierta distancia cuesta arriba antes de detenerse temporalmente.
La del movimiento se ha convertido en su energía
potencial de posición, que es igual al trabajo
necesario para levantar el automóvil a lo largo de la misma distancia
vertical. Después de detenerse, el automóvil comenzará a rodar cuesta
abajo hasta que haya recuperado completamente su energía cinética de movimiento
en la parte inferior. En ausencia de fricción, se dice que tales sistemas
son conservadores porque en cualquier momento dado la cantidad total de energía
(cinética más potencial) permanece igual al trabajo inicial realizado para
poner el sistema en movimiento.
Matriz
variable independiente:
· El calor es la energía que se transfiere de un sistema hacia otro ya que hay una general diferencia de temperatura entre ellos. El calor se mide en el Sistema Internacional en Joules. Este se propaga de tres maneras: Conducción, convección e irradiación. Sus leyes más importantes de la termodinámica son: La llamada ley cero de la termodinámica. Cuando dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema. La primera ley de la termodinámica, llamada ley de la conservación de la energía. Es el cambio en la energía interna de un sistema es igual a la diferencia entre del calor agregado desde el entorno y el trabajo realizado en el entorno. La segunda ley de la termodinámica, es que el calor a una temperatura dada no se puede convertir completamente en trabajo. Por último, la tercera ley de la termodinámica, que es un elemento en su forma más estable tiende a cero cuando la temperatura se acerca al cero absoluto.
Matriz
variable dependiente:
·
El calor y el trabajo son
maneras en que los cuerpos y los sistemas transforman su energía. Esto permite
establecer un equivalente mecánico del calor. Trabajo y calor son los métodos
de la transferencia de energía. Por ejemplos, el trabajo realizado es el
resultado de la fuerza aplicada por el hombre multiplicada por la distancia que
recorre el automóvil y si no hay fricción y la superficie está nivelada,
entonces el automóvil, una vez puesto en movimiento, continuará rodando de
manera indefinida con una velocidad constante.
VII) DISEÑO EXPERIMENTAL:
Materiales:
· Lata de
gaseosa llena con agua Carrito de juguete
· Jeringa
· Alambre
· Algodón
· Alcohol
· Encendedor
· Palito mondadientes
Procedimiento
Experimental
1.
Armar la práctica
como se muestra en el esquema.
2.
Hacemos un pequeño orificio en la lata y con ayuda de la jeringa introducimos
el agua.
3.
Tapamos el orificio con un palito de mondadientes.
4.
Atamos la lata con ayuda del alambre a la base.
5. Colocamos
una parte de la lata 2, apoyada sobre el carrito.
6.
Dentro de la lata 2 colocamos algodón humedecido con alcohol.
7. Por
último, encendemos el algodón, dejamos que el agua caliente y retiramos el
palito de mondadientes.
8.
Presentar un video con el procedimiento experimental.
VIII) ANÁLISIS DE RESULTADOS
1.
Realizar una gráfica
distancia vs. tiempo con los datos recolectados.
2. Analiza la gráfica:
- La
gráfica distancia vs. tiempo, nos demuestra que, si dejamos que el agua se
caliente por más tiempo, más será la distancia.
3. ¿Afectó la cantidad de vapor a la
distancia?
- Sí,
debido a que, si hay mayor tiempo, más será cantidad de vapor que se
acumule al llegar el agua a su punto de ebullición, por lo tanto, más es
la distancia.
4. ¿Por qué se da una presión constante?
· Porque la ley de Charles nos dice que, cuando hay una cierta cantidad de gas a una presión constante, aumenta la temperatura y el volumen del gas, y al disminuir la temperatura, el volumen del gas disminuye.
XI) CONCLUSION:
· Según el Sr. Planas en su monografía titulada “Conceptos básicos de la termodinámica” nos explica como La primera ley de la termodinámica afirma que cuando un cuerpo se pone en contacto con otro cuerpo relativamente más frío, se produce una transformación en la temperatura. Y de acuerdo a lo que observamos en nuestra experimentación, se puede apreciar que se está aplicando la primera ley, ya que hay un cambio de temperatura en el agua, y esta transferencia del calor se denomina convección, que al llegar a su punto de ebullición se genera un proceso isobárico, el cual tiene una presión constante, que al liberarla hará que se pueda mover el carrito. Podemos concluir que la hipótesis es correcta, porque tiene relación con los conocimientos del Sr. Planas.
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