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PABLO” Laboratorio de Física II – FIS 273

UNIVERSIDAD CATÓLICA BOLIVIANA “SAN Facultad de Ingeniería Semestre: II-2018

LABORATORIO DE FÍSICA “II” EQULIBRIO TÉRMICO Manuel Vicente Lopez Cuevas Wilder Orellana Lopez Paralelo: 2 Horario: 14:30-16:00 16 de octubre de 2018 Resumen.- Se dice que dos cuerpos que pueden intercambiar energía en forma de calor se encuentran en contacto térmico. El calor es un proceso de intercambio de energía, cuando los cuerpos en contacto tengan la misma temperatura ninguno cederá energía al otro, y entonces el calor no existirá. Al estado en el que ambos cuerpos han quedado a la misma temperatura de tal forma que ha dejado de existir transferencia de calor se le llama equilibrio térmico. En el caso de este laboratorio se buscó comprobar este equilibrio térmico así también, determinar experimentalmente el valor experimental del calor específico del aluminio. Donde estos dos por medio de dos ensayos, y diversos cálculos presentados en este informe se hallan. Dando así valores que se compararon es decir, se obtuvo valores teóricos en el primer caso y experimentales en el segundo los cuales se compararon con sus opuestos. Los cuales mostraron diversos errores mostrados en este informe. Índice de términos.- Primera ley de la termodinámica, calor, equilibrio térmico, ley cero, transferencia de calor

1. Objetivo Comprobar que cuando se mezclan dos cantidades de agua una fría y otra caliente, después de un determinado tiempo, la mezcla alcanza el equilibrio térmico y determinar experimentalmente el calor específico de un sólido. 2. Fundamento teórico 2.1 Primera ley de la termodinámica La Primera Ley de la Termodinámica es la ley de conservación de la energía aplicada a los sistemas termodinámicos. Hay una analogía entre los sistemas termodinámicos y los sistemas mecánicos conservativos, para los cuales se cumple la ley de conservación de la energía (mecánica). En un sistema mecánico conservativo se distinguen dos tipos de energía: cinética y potencial, que se definen en términos de las velocidades y las posiciones de las partículas que integran el sistema. La energía mecánica es la suma de ambas, y se mantiene constante en ausencia de fuerzas

exteriores que realicen trabajo sobre el sistema. Si hay fuerzas externas, el incremento de la energía mecánica es igual al trabajo realizado sobre el sistema por dichas fuerzas. La analogía consiste en imaginar que los sistemas termodinámicos reales son sistemas mecánicos conservativos cuyas partes (átomos, moléculas, etc.) son demasiado pequeñas como para ser percibidas. Se supone que si se toman en cuenta los movimientos a escala microscópica, la ley de conservación de la energía sigue valiendo, pero que las energías cinética y potencial asociadas con los movimientos puramente microscópicos se manifiestan en la escala macroscópica del experimento como calor. Luego, el calor es una forma de energía, y la energía (total) se conserva. (s.n, s.f) 2.2 Calor Cuando un cuerpo aumenta su energía térmica se está calentando, es decir recibiendo calor. Cuando un cuerpo disminuye su energía térmica se está

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enfriando, es decir, perdiendo calor. De esta forma, el calor no es más que una forma de denominar a los aumentos y pérdidas de energía térmica. El calor puede provenir de una conversión de una energía en otra. En la escena de la derecha el calor proviene de la energía química (por combustión). A medida que pasa el tiempo la energía producida por el mechero es absorbida como calor, invirtiéndose en aumentar la energía térmica del gas y, por tanto, su energía térmica media que se reflejará en un aumento de la temperatura observable. En esta escena utilizamos unidades arbitrarias de calor y energía media porque, dado el gran número de partículas que componen el gas, la energía por partícula es tan pequeña que no resulta interesante medirla en unidades del S.I. Aun así, podemos concluir que: El calor es la variación de la energía térmica de un cuerpo. Por lo tanto, el calor no es una magnitud independiente que se pueda “almacenar” en los cuerpos. La magnitud que aumenta o disminuye en un cuerpo es su energía térmica y estas variaciones se reflejarán en la variación de la temperatura. (cide@d, s.f) 2.2.1 Calor Específico Cantidad de calor necesaria para elevar la

temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. En el Sistema Internacional de unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramo y kelvin; en ocasiones también se expresa en calorías por gramo y grado centígrado. El calor específico del agua es una caloría por gramo y grado centígrado, es decir, hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado. De acuerdo con la ley formulada por los químicos franceses Pierre Louis Dulong y Alexis Thérèse Petit, para la mayoría de

los elementos sólidos, el producto de su calor específico por su masa atómica es una cantidad aproximadamente constante. Si se expande un gas mientras se le suministra calor, hacen falta más calorías para aumentar su temperatura en un grado, porque parte de la energía suministrada se consume en el trabajo de expansión. Por eso, el calor específico a presión constante es mayor que el calor específico a volumen constante. (s.n, s.f) 2.2.2 Calor Latente El cambio de temperatura de una sustancia conlleva una serie de cambios físicos. Casi todas las sustancias aumentan de volumen al calentarse y se contraen al enfriarse. El comportamiento del agua entre 0 y 4 °C constituye una importante excepción a esta regla. Se denomina fase de una sustancia a su estado, que puede ser sólido, líquido o gaseoso. Los cambios de fase en sustancias puras tienen lugar a temperaturas y presiones definidas. El paso de sólido a gas se denomina sublimación, de sólido a líquido fusión, y de líquido a vapor vaporización. Si la presión es constante, estos procesos tienen lugar a una temperatura constante. La cantidad de calor necesaria para producir un cambio de fase se llama calor latente; existen calores latentes de sublimación, fusión y vaporización. Si se hierve agua en un recipiente abierto a la presión de 1 atmósfera, la temperatura no aumenta por encima de los 100 °C por mucho calor que se suministre. El calor que se absorbe sin cambiar la temperatura del agua es el calor latente; no se pierde, sino que se emplea en transformar el agua en vapor y se almacena como energía en el vapor. Cuando el vapor se condensa para formar agua, esta energía vuelve a liberarse. Del mismo modo, si se calienta una mezcla de hielo y agua, su

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temperatura no cambia hasta que se funde todo el hielo. El calor latente absorbido se emplea para vencer las fuerzas que mantienen unidas las partículas de hielo, y se almacena como energía en el agua. Para fundir 1 kg de hielo se necesitan 19.000 julios, y para convertir 1 kg de agua en vapor a 100 °C, hacen falta 129.000 julios. (s.n, s.f)

calibra. Posteriormente, el termómetro se lleva al equilibrio con un sistema de temperatura desconocida, y se determina un valor. Si existe equilibrio durante el proceso de calibración y durante el ensayo con el sistema, en virtud de la ley cero, la temperatura del sistema debe ser la misma que la establecida con los patrones de calibración. (s.n, s.f)

2.3 Ley Cero

2.4 Equilibrio Térmico

La Ley Cero de la Termodinámica o principio de generalización del equilibrio térmico entre cuerpos en contacto. Esta ley se usa para comparar la temperatura de dos o más sistemas por el uso común del termómetro. La ley establece: "cuando dos sistemas o cuerpos están por separado en equilibrio con un tercer sistema, entonces los dos sistemas también están en equilibrio uno con el otro". Una proposición equivalente de la ley dice: “si la energía calorífica del material 1 es igual a la energía calorífica del material 3, y la de 2 es igual a la energía calorífica del material 3, entonces las de 1 y 2 deben ser también iguales". El concepto que se deriva de la ley cero es la temperatura y entonces la ley se formula cuantitativamente como sigue: si T1 = T3 y T2 = T3, entonces T1 = T2, donde 1, 2 y 3 designan sistemas. La importancia de la ley es que si dos sistemas 1 y 2 no están en contacto y queremos saber si ellos están a la misma temperatura, entonces la aplicación de la ecuación anterior lo hace posible si hay contacto entre los sistemas 1 y 3 y 2 y 3. La ley implica que el equilibrio térmico es una relación transitiva que proporciona base científica a la termometría y al establecimiento de las escalas empíricas de temperatura. En la práctica, el tercer sistema de la ley cero es un termómetro. Se pone en contacto térmico con un conjunto de patrones de temperatura, y se

Se dice que dos cuerpos que pueden intercambiar energía en forma de calor se encuentran en contacto térmico, ya sea que la realicen mediante conducción, convección o radiación. El calor existirá hasta que ambos cuerpos tengan la misma temperatura. Recuerda que el calor es un proceso de intercambio de energía, cuando los cuerpos en contacto tengan la misma temperatura ninguno cederá energía al otro, y entonces el calor no existirá. Al estado en el que ambos cuerpos han quedado a la misma temperatura de tal forma que ha dejado de existir transferencia de calor se le llama equilibrio térmico. (s.n, s.f) 2.4 Transferencia de calor La energía calorífica se transmite desde las zonas de alta temperatura a las de baja temperatura, en un proceso que va acompañado de un cambio de entropía hasta que se alcanza, si es posible, el estado de equilibrio térmico caracterizado por una distribución uniforme de temperaturas. Denominamos calor a la transferencia de energía que tiene lugar sin un movimiento ordenado del sistema, en contraposición a la transferencia de energía que tiene lugar con un movimiento ordenado durante la realización de un trabajo mecánico. La Termodinámica de los procesos reversibles estudia la transferencia de

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energía en éstos, pero siempre a lo largo de una sucesión de estados de equilibrio. Sin embargo, en un proceso de intercambio de calor entre cuerpos a distintas temperaturas, en tanto se mantenga una diferencia finita de temperaturas entre los mismos habrá un flujo irreversible de calor entre dichos cuerpos y no tendremos estados de equilibrio. Sin embargo, sí podemos tener estados en los que las variables macroscópicas del sistema no cambian con el tiempo, pero que no corresponden a estados de equilibrio sino a estados estacionarios en los que se mantienen constantes las temperaturas de los distintos cuerpos involucrados y el flujo de calor entre ellos. También podemos tener situaciones en las que el sistema está evolucionando con el tiempo y ni siquiera tenemos estados estacionarios. La transmisión del calor tiene lugar por tres mecanismos básicos: Conducción: La energía calorífica se transmite durante el contacto directo entre cuerpos (o partes de los mismos) a distintas temperaturas y tiene lugar mediante choques o acoplamientos entre las moléculas del sistema (unas en zonas más calientes, con mayor energía térmica y otras en las zonas más frías, con menor energía térmica), aunque no haya un movimiento macroscópico de las moléculas, o el material sea transparente a la radiación. Este proceso es de gran importancia en sólidos, pero de menor importancia en líquidos y gases, donde normalmente aparece combinado con la convección y es prácticamente enmascarado por ésta. Convección: La energía calorífica se transmite por el movimiento físico de moléculas “calientes” de las zonas de alta temperatura a las zonas de baja temperatura y viceversa, equilibrándose

las temperaturas. Este proceso tiene gran importancia en fluidos y también es denominado conducción superficial, ya que el flujo de calor entre la superficie de un material y un fluido está relacionado con la conducción a través de una fina capa del fluido que se encuentra junto a la superficie. Además, es este proceso de conducción superficial el que provoca, en un fluido inicialmente en reposo en contacto con una superficie a distinta temperatura, una diferencia de temperaturas en el fluido, originándose diferencias de densidad en el mismo que producirán a su vez un desplazamiento físico de materia a distintas temperaturas de unas zonas a otras, teniéndose convección (en este caso natural). La transferencia de calor por convección puede ser forzada cuando está ayudada por el movimiento de las superficies en contacto con el fluido o libre (llamada también natural) cuando se produce únicamente en virtud de una diferencia de densidades causada por una diferencia de temperaturas. También puede venir acompañada de un cambio de fase, como ocurre durante la condensación o la ebullición, con unos intercambios de calor muy intensos. Radiación: La energía calorífica se transmite en forma de energía de la radiación electromagnética, emitida por todos los cuerpos por el hecho de encontrarse a una temperatura T , y que se propaga a la velocidad de la luz (porque es luz de distintas longitudes de onda) y puede ser absorbida por los cuerpos, aumentando su temperatura. La radiación es el único medio de transmisión del calor cuando ésta tiene lugar a través del vacío, y puede ser muy importante para altas temperaturas. (Domingo, 2011) 3. Procedimiento

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obtención del calor específico del metal utilizado el cual fue aluminio.

3.1 Materiales      

Agua fría 2 Calorímetros 1 Vaso de precipitado 1 Generador de vapor 2 Termómetros 1 Masa metálica

1

Para el caso de la primera parte se trabajó de la siguiente manera. Primero se pesó los dos calorímetros a utilizar. Ya pesados ambos calorímetros. Se pasó a poner en cada un calorímetro agua fría enfriada por hielo (el agua fría debe estar en un rango de 1°C a 5°C) y en el otro agua caliente calentado por el generador de vapor. Después de marcó cada uno de los calorímetros ya que se puede confundir las masas de los calorímetros.

2

Figura N° 1 (Parte del sistema de calorimetría) En la figura 1 se muestra en 1 el calorímetro que se utilizó y en 2 el termómetro que se utilizo .

2 1

Figura N°2 (Parte del sistema de calorimetría) En la figura 1 se muestra en 1 el calorímetro que se utilizó y en 2 la masa metálica que se utilizó.

3.2 Procedimiento Primero se debe recalcar que este experimento está dividido en 2 partes. La primera parte constó de la obtención de la temperatura de equilibrio experimental entre una masa de agua caliente y otra fría. La segunda parte constó de la

Después de esto se pasa a medir la masa final de los calorímetros. Ya teniendo estos datos se pasó a tomar los datos la temperatura tanto del agua fría como de la caliente. Al ya tener estos datos en un tercer recipiente (puede ser en el vaso de precipitado y en un tercer calorímetro) se pasó a mezclar tanto el agua fría como la caliente tomando inmediatamente la temperatura de esta mezcla. Donde para tomar el dato de temperatura se esperó a que en el termómetro se vea una temperatura constante la cual fue la temperatura de equilibrio. Para el caso de la segunda parte primero se pasó a medir la masa del objeto metálico el cual en esa ocasión fue de aluminio. Ya al tener estos datos se dejó la masa metálica dentro el generador de vapor que estaba calentando agua para que este tomé la temperatura del agua caliente. Después de esto se pasó a medir la masa de uno de los calorímetros. Ya teniendo esta masa como dato en este se pasó a agregarle agua fría hasta que (el agua fría debe estar en un rango de 1°C a 5°C) que al pesarla tenga la misma masa del calorímetro y el aluminio juntos. Ya teniendo esto se pasó a medir las temperaturas iniciales tanto del agua fría como de la caliente. Para medir la

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temperatura del metal caliente se mide la temperatura del agua caliente en la que estuvo, ya que la temperatura del metal y del agua debería ser la misma. Luego se sacó el metal caliente (aluminio) del agua caliente y se lo puso al agua fría en el calorímetro. Donde se tomó inmediatamente la temperatura de esta mezcla. Donde para tomar el dato de temperatura se esperó a que en el termómetro se vea una temperatura constante la cual fue la temperatura de equilibrio. 4. Datos Experimentales Calor específico del agua.- 1 [cal/g*°C] Calor específico del aluminio.- 0,212 [cal/g*°C] TABLA N°1 DATOS EXPERIMENTALES OBTENIDOS – PRIEMRA PARTE Agua Caliente Masa inicial [g] Masa final [g] Masa agua [g]

6,8 159 152,2

Masa inicial [g] Masa final [g] Masa agua [g]

Temperatura Temperatura 81 inicial [°C] inicial [°C] Temperatura equilibrio [°C]

6,8

Masa inicial [g]

6,8

Masa final [g]

205,7

Masa final [g]

205,7

Masa agua [g]

198,9

Masa agua [g]

198,9

Temperatura inicial [°C]

89

Temperatura inicial [°C]

1

Temperatura de equilibrio [°C]

9

En la tabla 2 en la primera fila se ven los objetos a medir, en la segunda los datos obtenidos del metal caliente, en la tercera, los datos a medir, en la cuarta los datos obtenidos del agua fría y en la sexta fila se ve la temperatura de equilibrio obtenida.

5. Cálculos Preparatorios 5.1 Cálculo de la masa de agua

Agua Fria

El cálculo de la masa de agua se calcula de según la siguiente fórmula:

7,7

m agua= m final −m inicial (1)

183,3 175,6 1 38,5

En la tabla 1 en la primera fila se ven los objetos a medir, en la segunda los datos obtenidos del agua caliente, en la tercera, los datos a medir, en la cuarta los datos obtenidos del agua fría y en la sexta fila se ve la temperatura de equilibrio obtenida.

TABLA N°2 DATOS EXPERIMENTALES OBTENIDOS – SEGUNDA PARTE Metal Caliente

Masa inicial [g]

Agua Fría

Donde: magua = Masa del agua [g] mfinal = Masa final [g] minicial = Masa inicial o masa del calorímetro [g] Reemplazando con los datos obtenidos: TABLA N°3 DATOS AJUSTADOS – PRIMERA PARTE Agua Fría

Agua Caliente Masa inicial [g] Masa final [g] Masa agua

6,8 159 152,2

Masa inicial [g] Masa final [g] Masa agua

7,7 183,3 175,6

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[g]

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m1 = Masa de agua caliente [g]

[g]

En la tabla 3 en la primera fila se ven los objetos a medir, en la segunda los datos obtenidos del agua caliente, en la tercera, los datos a medir y en la cuarta los datos obtenidos del agua fría.

c = calor especifico del agua [cal/g*°C] Teq = Temperatura de equilibrio teórico [°C] T2 = Temperatura inicial agua fría [°C] T1 = Temperatura inicial agua caliente [°C]

TABLA N°4 DATOS AJUSTADOS – SEGUNDA PARTE Agua Fría

Metal Caliente Masa inicial [g] Masa final [g] Masa agua [g]

6,8 205,7 198,9

Masa inicial [g] Masa final [g] Masa agua [g]

6,8 205,7 198,9

En la tabla 4 en la primera fila se ven los objetos a medir, en la segunda los datos obtenidos del metal caliente, en la tercera, los datos a medir y en la cuarta los datos obtenidos del agua fr...