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Universidad Autónoma del Caribe

Experiencia #3: “Equilibrio térmico”

Laboratorio de física calor y ondas

Grupo: S4

Hadith Oliveros Lara Carlos Eduardo Martínez Mejía

CALIFICACION INFORME = 4.5 EJERCICIOS = 4.0

Barranquilla – Atlántico

05 de septiembre de 2020

Resumen. En física la energía interna de un sistema intenta ser un reflejo de la energía a escala macroscópica. Más concretamente en la suma de la energía cinética interna, es decir, de las sumas de los individualidades que forman un cuerpo respecto al centro de masas del sistema. Energía interna Se dice de toda la energía de un sistema que se asocia con sus componentes microscópicos, átomos y moléculas, cuando se ve desde un marco de referencia en reposo respecto al centro de la masa del sistema. Calor. El calor es la transferencia de energía a través de la frontera de un sistema debido a una diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores El Calor es un tipo de energía que se produce por la vibración de sus moléculas que provocan un aumento de temperatura, la dilatación de cuerpos, la fundición de sólidos y la evaporización de un líquido, de una forma genérica, es una temperatura elevada en el ambiente o en el cuerpo. Caloría. Cantidad de transferencia de energía que se requiere para elevar la temperatura de un cuerpo de 1 gr de agua de 14,5 °C a 15,5°C. BTU. Cantidad de transferencia de energía que se necesita para elevar la temperatura de una lb de agua de 63°F a 64°F. Joule. Unidad del sistema internacional que designa la energía en forma de calor “Q” y 1 cal= 4,18 J, equivalente mecánico del calor. Temperatura Es la propiedad que determina si un objeto está en equilibrio térmico con otros objetos. Dos objetos en equilibrio térmico mutuo están a la misma temperatura, las escalas de temperatura que existen son; Kelvin, Celsius, Fahrenheit, Rankine. Después de haber visto las diferentes definiciones que relacionan el tema que se abordara en esta experiencia, podemos decir que dos objetos están en equilibrio térmico mutuo si no intercambian energía cuando están en contacto térmico. La ley del cero de la termodinámica establece que si los objetos A y B están por separado en equilibrio térmico con un tercer objeto C, por lo tanto los objetos A y B están en equilibrio térmico mutuo

ESTO NO ES UN INTRODUCCION

RESUMEN.

MAS

BIEN

PARECE

UNA

Palabras claves: energía interna, átomos, moléculas, macroscópica,

sistema, masa, calor, caloría, transferencia, evaporización, BTU, Joule, temperatura, equilibrio y térmico.

Abstract. In physics the internal energy of a system tries to be a reflection of the energy on a macroscopic scale. More specifically in the sum of the internal kinetic energy, that is, of the sums of the individualities that form a body with respect to the center of mass of the system. Internal energy It is said of all the energy of a system that is associated with its microscopic components, atoms and molecules, when viewed from a reference frame at rest with respect to the center of mass of the system. Hot. Heat is the transfer of energy through the boundary of a system due to a difference in temperature between the system and its surroundings. Heat is a type of energy that is produced by the vibration of its molecules that cause an increase in temperature, the expansion of bodies, the melting of solids and the evaporation of a liquid, in a generic way, is a high temperature in the environment or in the body. Calorie. Amount of energy transfer required to raise the temperature of a 1 g body of water from 14.5 ° C to 15.5 ° C. BTU. Amount of energy transfer needed to raise the temperature of one lb. of water from 63 ° F to 64 ° F. Joule. Unit of the international system that designates energy in the form of heat “Q” and 1 cal = 4.18 J, mechanical equivalent of heat. Temperature It is the property that determines if an object is in thermal equilibrium with other objects. Two objects in mutual thermal equilibrium are at the same temperature, the temperature scales that exist are; Kelvin, Celsius, Fahrenheit, Rankine. After having seen the different definitions that relate the topic to be addressed in this experience, we can say that two objects are in mutual thermal equilibrium if they do not exchange energy when they are in thermal contact. The zero law of thermodynamics states that if objects A and B are separately in thermal equilibrium with a third object C, therefore objects A and B are in mutual thermal equilibrium.

Keywords: internal energy, atoms, molecules, macroscopic, system, mass, heat, calorie, transfer, evaporation, BTU, Joule, temperature, equilibrium and thermal.

Introducción. Las ideas sobre el origen y naturaleza del calor han variado en los dos últimos siglos. La teoría del calórico o fluido tenue que situado en los poros de la materia pasaba de los cuerpos calientes en los que supuestamente se hallaba en mayor cantidad a los cuerpos fríos, había ocupado un lugar destacado en la física desde la época de los filósofos griegos. Sin embargo, y habiendo alcanzado a finales del siglo XVIII su pleno apogeo, fue perdiendo credibilidad al no poder explicar los resultados de los experimentos que científicos tales como los de que Benjamín Thomson o Humphrey Davy realizaron. Una vieja idea aceptada por sabios del siglo XVII como Galileo Galilei o Robert Boyle resurgió de nuevo. El propio Thompson según sus propias palabras, aceptó la vuelta a aquellas «viejas doctrinas que sostienen que el calor no es otra cosa que un movimiento vibratorio de las partículas del cuerpo». Las experiencias de Joule (1818-1889) y Mayer (1814-1878) sobre la conservación de la energía, apuntaban hacia el calor como una forma más de energía. El calor no sólo era capaz de aumentar la temperatura o modificar el estado físico de los cuerpos, sino que además podía moverlos y realizar un trabajo. Las máquinas de vapor que tan espectacular desarrollo tuvieron a finales del siglo XVIII y comienzos del XIX eran buena muestra de ello. Desde entonces las nociones de calor y energía quedaron unidas y el progreso de la física permitió, a mediados del siglo pasado, encontrar una explicación detallada para la naturaleza de esa nueva forma de energía, que se pone de manifiesto en los fenómenos caloríficos.

Marco teórico. El calor se define como un tipo de energía que se produce por la vibración de moléculas y que provoca un aumento en la temperatura. Este flujo de energía 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 El equilibrio térmico, es el estado en el que se igualan las temperaturas de dos cuerpos que inicialmente tenían diferentes temperaturas. Al igualarse las temperaturas se suspende el flujo de calor, y el sistema formados por esos cuerpos llega a su equilibrio térmico. Por ejemplo, si pone tienes un recipiente con agua caliente, y otro con agua fría, a través de sus paredes se establecerá un flujo de energía calorífica, pasado un tiempo, la temperatura del agua en ambos recipientes se igualará (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 lo alcanzarán cuando ambas masas de agua estén a la misma temperatura.

Luego de determinado tiempo, dos objetos en contacto alcanzaran la misma temperatura

La cantidad de calor (Q) que gana o pierde un cuerpo de masa (m) se encuentra con la fórmula

Dónde: Q es la cantidad de calor (que se gana o se pierde), expresada en calorías. 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 ? t es la variación de temperatura = Tf - T0. Léase Temperatura final (Tf) menos Temperatura inicial (T0), y su fórmula. Hasta aquí hemos hablado siempre de igualar temperaturas y ello nos lleva a concluir que a los cuerpos no se les puede asignar una cantidad. Lo que realmente tiene sentido son los intercambios de calor que se deben a las temperaturas que existen entre los cuerpos que están en contacto.

En que consiste el equilibrio térmico.

El estado de equilibrio térmico se da cuando la energía cinética se iguala en ambos cuerpos.

Este fenómeno puede explicarse microscópicamente, comprendiendo que la temperatura de los objetos está directamente relacionada con la energía cinética promedio de sus partículas, sean átomos, moléculas, o los que convenga considerar. Este promedio es lo que comúnmente se llama en física «energía interna», por lo que a mayor energía cinética mayor energía interna y mayor temperatura del sistema.

Dos cuerpos en contacto intercambian energía a medida que el tiempo transcurre. Y así, el punto de equilibrio térmico se alcanza cuando la energía cinética de ambos cuerpos se iguala, de manera que ambos cuerpos pasan a operar como un sistema termodinámico único, dotado de una misma cantidad de energía interna y, por ende, de temperatura.

Objetivo general.

 Comprobar por medio de esta experiencia el fenómeno del equilibrio térmico.

Objetivos específicos.

 Observar el comportamiento de dos sistemas de diferentes temperaturas cuando se mezclan.  Observar el fenómeno de equilibrio térmico entre dos sistemas.  Determinar la temperatura de equilibrio a través de los modelos matemáticos y compararlos con los valores dados.  Determinar la cantidad de calor ganado y perdido por las dos mesclas Montaje y realización. Se hace clic en el enlace y se abre el simulador, este nos muestra una interfaz donde aparecen dos recipientes en la parte superior cada uno dividido en marcas que van desde 20 mL a 140 mL, cada uno con una válvula que permitirá el paso del fluido para posteriormente mezclarse en un tercer recipiente de igual capacidad, en cada uno de los recipientes hay en su interior un termómetro con el cual se harán las respectivas mediciones de temperatura, también tenemos en el simulador cinco comandos dos de los cuales se usaran para llenar con la medida del fluido los dos recipientes de arriba, dos más para variar la temperatura de ambo fluidos en los recipientes y un tercero el cual si se oprime harán mezclaran ambos fluidos de los recipientes de arriba. Se inicia la experiencia en el simulador, para el primer ejercicio se llena el recipiente de la de la izquierda con un volumen de 50 mL de fluido y una

temperatura de 15°C, luego el segundo recipiente con 70 mL de fluido a 80°C, después de hacer todos estos pasos se hace clic en el botón mezclar y observamos cómo se mezclan en un tercer recipiente y como varia la temperatura hasta alcanzar el equilibrio térmico, se anotan los resultados en la tabla. Para el segundo ejercicio se ajustan los parámetros, en el recipiente de la izquierda se llena con un volumen de fluido de 60 mL de fluido a 10°C y el de la derecha con 65 mL a 90°C, luego se presiona el botón mezclar y se observa el proceso de variación de la temperatura hasta alcanzar el equilibrio térmico, se anotan los resultados en la tabla. En el tercer ejercicio se ajustan los parámetros, para el recipiente de la izquierda 40 mL de fluido a 30°C y el segundo recipiente se llena con 50 mL de fluido a 70°C, luego se presiona el botón mezclar y se observa cómo se mezclan en el tercer recipiente y nuevamente como varia la temperatura hasta alcanzar el equilibrio térmico, se anotan los resultado en la tabla. Se realiza el último ejercicio, se ajustan los parámetros para el recipiente de la izquierda se llenan 70 mL de fluido a 40°C y el segundo recipiente con 30 mL de fluido a 30 mL de fluido a 85°C, luego se presiona el botón mezclar y se observa cómo se mezclan los fluidos y la variación de la temperatura hasta llegar al equilibrio térmico, se anotan los resultados en la tabla.

Materiales:   

Simulador de equilibrio térmico en el laboratorio virtual. Tabla de datos entregada por el profesor en la guía. Lápiz y calculadora.

Tabla de resultados.

TABLA DE RESULTADOS m1 gr

m2 gr

TO1 °C

T02 °C

Teq °C

C

Q1

joule /gr°C

joule

50 60

70 65

15 10

80 90

52,9 51,6

4.18 4.18

40

50

30

70

52,2

4.18

7918,12 10755,0 5 3827,44

Q2 Joule

Teq °C

-7926,44 -10049,12

52,9 51,6

-3572,29

52,2

70

30

40

85

53,5

4.18

3771,5

-4023,82

53,5

CONVECCIONES m1 = Masa del agua fría m2 = Masa del agua caliente TO1 = Temperatura inicial del agua fría T02 = Temperatura inicial del agua caliente Teq = Temperatura de equilibrio térmico marcada por el simulador c = Calor específico del agua Q1 = Calor ganado por el agua fría Q2 = Calor perdido por el agua caliente Teq = Temperatura de equilibrio térmico calculada Análisis de la tabla En la tabla de valores se puede observar el comportamiento de los fluidos de diferentes temperaturas al mezclarse y alcanzar el equilibrio térmico, se comprobó también en base a los modelos matemáticos el valor de la temperatura de equilibrio térmico, así como también se obtuvo los resultados para el calor ganado por el agua fría y el calor perdido por el agua caliente, fue una experiencia muy agradable en la cual se pusieron en práctica conceptos aprendidos en clase.

Preguntas. 1. De acuerdo a los resultados obtenidos cómo crees tú que se alcanzó el objetivo general de la experiencia. R/ de acuerdo a los resultados se lograron todos los objetivos planteados al inicio del laboratorio virtual, se pudo observar el comportamiento de los dos sistemas al variarles las temperaturas, donde en base a los modelos matemáticos se hallaron los datos para completar la tabla como lo son: Temperatura de equilibrio, el calor ganado y perdido de ambos sistemas. 2. Como son los valores del calor perdido y calor ganado. Porque crees tú que dan así. Inicialmente tomamos los valores del calor ganado que al realizar las operaciones nos dan positivos, esto se debe a que Q1 es el calor ganado por el fluido frio, si lo revisamos en el modelo matemático observamos que la temperatura 1 es menor que la temperatura de equilibrio, luego tomamos a Q2 y su valor nos da negativo, esto se debe a que es el calor perdido por el fluido caliente al entrar en contacto con el fluido frio, si lo analizamos con el modelo matemático observamos que el valor de la temperatura 2 es mayor que la temperatura de equilibrio. CONSERVACION DEL PRINCIPIO DE LA

ENERGIA TERMICA

3. ¿Qué se quiere decir cuando se afirma que un termómetro mide su propia temperatura? Explica tu respuesta. R// Se le llama así a este fenómeno cuando el termómetro se coloca al mismo nivel de temperatura y en ese momento se hace 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.

4. ¿Qué propiedades físicas deben tenerse en cuenta para la construcción de un termómetro? Explique su respuesta R// Principalmente debemos tener en cuenta el equilibrio térmico y la ley cero de la termodinámica, la cual afirma que "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. A que se le llama líquido termométrico. R// Se le llama liquido térmico al liquido o sustancia que se encuentra al interno del termómetro.

RESUELVA LOS SIGUIENTES EJERCICIOS Y PRESENTELOS CON SU INFORME 1.-Calcula la temperatura final de la mezcla de 300 g de agua que se encuentra a 20 ºC y 500 g de alcohol a una temperatura de 50 ºC Datos: Ce del alcohol = 2450 J/kg ºC ; Ce del agua = 4180 J/kg ºC

2.- Mezclamos 800 g de un líquido A de 0,80 cal/gºC de calor específico y temperatura inicial de 72ºC con 600 g de agua a 57ºC. ¿Cuánto vale la temperatura de equilibrio?

3.- Cual será la temperatura de una mezcla de 50 gramos de agua a 20 grados Celsius y 50 gramos de agua a 40 grados Celsius

4.-Mezclamos medio kilo de hierro a 550ºC con un litro de agua a 20ºC. ¿Cuál será la temperatura final de la mezcla? Nota: calor especifico de hierro 0,50 cal/g ºC, calor especifico del agua 1cal/g ºC.

5.-Un pedazo de plomo de 250gr. Se calienta hasta 112°C y se sumerge en agua a TA= 18°C si la masa de agua es de dos veces la masa de plomo. ¿Cuál es la temperatura final del agua y plomo? Ce agua= 1 calgr°C Ce plomo 0,03 calgr°C

6.- En un recipiente se han colocado 10 Kg. de agua fría a 9° Que masa de agua hirviendo hay que introducirle al recipiente para que la temperatura de la mezcla sea de 30°C. No se considere la energía absorbida por el recipiente.

HOJA DE CALCULOS.

MATRIZ.

EJERCICIOS PROPUESTOS.

RESPUESTA EJERCICIO 2 = 64.7 FALTA EL EJERCICIO 6...