Práctica 1. Ley Cero de La Termodinámica

 

Universidad de Guanajuato   División de Ciencias e Ingenierías   

  

  

Laboratorio de Termodinámica  Práctica 1: Ley Cero de la Termodinámica     

Fecha de entrega: 07/09/2021        Integrantes:   

Jorge Uriel Domínguez Juárez

427186 

Emilio Martínez Miranda

346313 346313  

Silvia Cecilia Avalos Mendoza

434868

Eric Lemus Avalos

380868

 

RESUMEN En este experimento se planea demostrar de manera experimental la Ley Cero de la Termodinámica, Termodinám ica, así como determinar la temperatura de equilibrio entre dos sustancias y cuantificar la cantidad de energía (calorífica) que cede un cuerpo o recibe de una sustancia. Debido a la inconveniente situación, se citará un reporte sobre este tema realizado en la UNAM, plantel “Aragón” el año 2011.

INTRODUCCIÓN Una breve descripción de la Ley Cero de la Termodinámica es que nos da una generalización del equilibrio térmico entre cuerpos, o sistemas termodinámicos, en contacto, en el que interviene como parámetro físico empírico la temperatura. Sobre 1850 Rudolf Clausius y William Thomson Kelvin establecieron la Primera Ley y la Segunda Ley de la Termodinámica. La Tercera Ley de la Termodinámica fue desarrollada sobre 1906 por Walther Nernst. Comparada con estas, la Ley Cero tardó mucho tiempo en que la comunidad científica estuviese convencida de su importancia  básica, pues pues fue formulada por Ralph Ralph H. F Fowler owler en 1931. Su aceptación, aceptación, aunque aunque tardía, de su carácter básico y fundamental como punto de partida para entender las otras tres leyes termodinámicas, hizo que se la denominase Ley Cero y no Cuarta Ley. La temperatura es la propiedad que determina si un sistema dado está en equilibrio térmico con otros sistemas. Es una de las siete propiedades físicas básicas en función de las cuales se definen todas las otras cantidades físicas. Se diferencia de las otras por ser una  propiedad intensiva, mientras las otras seis son propiedades extensivas. Los primeros termómetros fueron creados con fines clínicos y meteorológicos, para medir cambios de temperatura en el cuerpo humano y en el aire, siendo el más famoso termoscopio (termómetro sin escala) el inventado por Galileo (1564-1642) en 1592. Gabriel Fahrenheit su el escala de de temperatura 1724 y Anders en 1742 definió como 100 ideó grados punto ebulliciónendel agua y comoCelsius 0 grados el punto de congelación. A mediados del siglo XIX Lord Kelvin desarrolló desarrolló una escala en la que el  punto cero es equival equivalente ente a -273.15ºC -273.15ºC en el que el movimiento movimiento térmico cesa según la descripción clásica de la termodinámica. termodinámica.

MARCO TEÓRICO La ley cero nos dice que cuando dos sistemas (A y B) están en mutuo contacto a través de una pared diatérmica, el intercambio de energía causa que las propiedades macroscópicas ddos os sistemas sistema s cambien. Losencambios son relativamente relat ráp idos al  principi  principio, o, pero de se los vuelven cada vez más lentos el transcurso delivamente tiempo, rápidos hasta que

 

finalmente las propiedades macroscópicas se aproximan a valores constantes. Cuando ocurre esto, decimos que los dos sistemas están en equilibrio térmico entre sí. Generalizamos el concepto de equilibrio térmico de modo que los sistemas no necesariamente tienen que estar en contacto entre sí. La manera de probar si tales sistemas separados están en equilibrio térmico es usar un tercer sistema C. Al poner a C en contacto con A y luego con B, podríamos saber si A y B están en equilibrio equilibrio térmico sin poner en contacto directo a A y a B. Esto se resume en un postulado llamado la ley cero de la termodinámica termodinámica que se enuncia como sigue: Si los sistemas A y B están cada uno en equilibrio térmico con un tercer sistema C, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí. 

Otro postulado de la ley cero, más riguroso y fundamental, es el siguiente:  Existe una cantidad escalar, llamada llamada temperatura, que es una propiedad de todos los sistemas termodinámicas en equilibrio. 

Cuando dos sistemas están en equilibrio térmico, decimos que tienen la misma temperatura. A la inversa, la temperatura es aquella propiedad de un sistema que iguala a la de otro sistema cuando los dos sistemas están en equilibrio térmico. La ley cero define entonces el concepto de temperatura y lo especifica como aquella propiedad macroscópica de un sistema que será igual a la de otro sistema cuando estén en equilibrio térmico. Durante el proceso de equilibrio térmico el sistema de mayor temperatura cede energía al sistema de menor temperatura. Esta cantidad de energía, que se conoce como energía calorífica, se puede calcular mediante la siguiente relación:

 =   ( −  ),

1 

donde:

 = 

energía calorífica o calor [cal]

 =   =

masa [gr] calor específico [agua= 1cal/(gr °C)]

 =

temperatura inicial (°C)

 =

temperatura final (°C)

Un sistema A con temperatura inicial  , y un sistema B con temperatura inicial   , siendo  <  , se ponen en contacto para que alcancen el equilibrio térmico  . El sistema A experimentará un aumento de temperatura, por lo que llegará a una temperatura de equilibrio que cumpla  gana es:

> . La cantidad de energía calorífica que

 

 

 =   ( −  ) > 0

2 

Mientras que el sistema B disminuye su temperatura inicial al ceder energía al sistema A, esta energía calorífica se define como:

3 

 −   ( −  ) < 0

Y estas dos cantidades de energía serán iguales en magnitud magnitud,, | | = | |, pero de signo contrario. Por lo que si se conocen las temperaturas iniciales y las capacidades caloríficas de dos sistemas podamos conocer su temperatura de equilibrio. Es decir:

  ( − ) =   ( −  ) 

4 

Y despejando la temperatura de equilibrio será:

 =

   +   

 

5 

  +  

METODOLOGÍA La metodología empleada fue la siguiente: siguiente: 1.- Calibrar la balanza y medir la masa del matraz 2.- Con una probeta medir 250 ml de agua y verterlo en el matraz 3.- Colocar el tapón bihorado con el termómetro en la boca del matraz 4.- Medir la masa del calorímetro y coloca el matraz en la parrilla tener cuidado de que el termómetro no toque las paredes del matraz, posteriormente conectar la parrilla. Fig 1. 5.-Esperar que el agua alcance una temperatura de 60 °C (esta se considera como la temperatura inicial del agua caliente) y verter con la probeta 250 ml de agua en el calorímetro. 6.- Medir la masa contenida en el calorímetro. 7.- Medida la masa colocar el calorímetro dentro del vaso de precipitados de 2000 ml. Fig 2.

 

8.- Colocar uno de los termómetros dentro del calorímetro, para medir su temperatura esta se considera como la temperatura inicial del agua fría. 9.-Con ayuda de pinzas y con el guante de asbesto puesto, introducir el matraz dentro del calorímetro en ese momento registrar la primera lectura de los termómetros 10.-Efectuar las lecturas de los termómetros hasta que estos registren la misma temperatura 11.- Determinar la energía ganada o cedida y la temperatura de equilibrio.

Fig 1.

Fig 2

 

RESULTADOS Material Matraz Calorímetro Matraz con agua Calorímetro con agua Masa del agua en el matraz Masa del agua en el calorímetro

Masa(gr) 119.7 155.6 370.5 600 250.8 444.4

Con un error de ±0.05gr Masa del matraz = 119.7gr Masa del matraz con agua = 370.5gr Masa del agua= M, del matraz con agua –  M  M del matraz Masa del agua =370.5 -119.7 = 250.8 gr Masa del calorímetro = 155.6 gr Masa del calorímetro con agua= 600 gr Masa del agua = Masa del calorímetro con agua –  Masa  Masa del calorímetro Masa del agua fría = 600 –  155.6  155.6 = 444.4 gr Temperatura equivalente equivalente Teq = (Maf Taf + Mac T1ac) /Maf +Mac Teq = (444.4*25+250.8*63)/444.4+250.8 Teq = 38.70886076 °C Material Agua fría en el calorímetro Agua caliente en el matraz

Temperatura inicial (c) Temperatura final (C) 25°C 37°C 63°C

38°C

 

  Tiempo(min)) Tiempo(min 0 1 2 3

Temperatura Agua en el matraz Agua en el calorímetro 63 25 60 28 55 30 51 32

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

48 46 43 42 41 40 40 39 39 38 38

35 36 36 36 36 36 36 36 36 36 36

15 16 17 18 19 20

38 38 38 38 38 38

37 37 37 37 37 37

Los datos de la temperatura tienen un error de ± 0.5°C Calor cedido = Qc = Qac Calor ganado = QG = Qaf Datos Mac = 250.8 gr Maf =444.4 gr Tiaf = 25°C Tiac = 63°C Teq = 38.7088 °C Ca = 1 cal/gr°C Para calcula energía cedida y ganada teórica

 

Qac = Mac Ca(Teq –  Tiac)  Tiac) Qaf =Maf Ca(Teq –  Tiaf)  Tiaf) Qac = 250.8 gr (1cal/gr°C)(38.7088°C –  63°C)  63°C) = -6092.2177 cal Qaf =444.4 gr (1cal/gr°C)(38.7088°C –  25°C)  25°C) = 6092.2177 cal Ahora la experimental experimental Tfaf =37°C Tfac =38°C Qac = Mac Ca(Tfac Ca(Tfac - Tiac) = 250.8 gr (1cal/gr° (1cal/gr°

C)(38 - 63)°C 63)°C = -6270 -6270 cal

Qaf = Maf Ca(Tfaf - Tiaf) = 444.4 gr (1cal (1cal/gr°C)(37/gr°C)(37- 25)°C = 5332.8 cal

Por lo cual podemos observar observar una pequeña discordancia con lo esperado teóricamente a con lo realizado ene el experimento esto se puede liberar a que no es un sistema completamente cerrado y escapa energía de diferentes formas en los materiales utilizados y demás En la siguiente siguiente grafica podemos observar como se va llegando a una temperatura ene equilibrio equilibr io el error es un error ±0.5°C solo qu quee como es pequeño no alcanza a distinguirse muy bien Temperatura de equilibrio 70 60    C    ° 50    N    E    A    R 40    U    T    A    R 30    E    P    M20    E    T

10 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

TIEMPO EN MIN

Temp Te mper era atu tura ra de dell Ag Agua en en el el ma matr traz az temperatura en equilibrio teorica

Tem empe pera rattur ura a de del Ag Agua en el el ca calo lorí ríme metr tro o

18

19

20

 

CONCLUSIONES Dada las complicaciones complicaciones surgidas fue muy sencillo entender los conceptos claves para  poder tomar nota de los datos tenidos del experimento, primero se calculó el peso de calorímetro, el matraz, y los pesos del agua, posteriormente se tomó la temperatura del agua fría y caliente, al agua caliente se someterá a la parrilla para aumentar la temperatura hastacabe 63 ºC y después ponerteóricamente en contacto se cada agua paraque quesealcancen equilibrio. Aquí una observación comprobó alcanza el el equilibrio termodinámico, pero dado los valores experimentales de la práctica no se alcanza esto por el fenómeno que se conoce como la entropía, recordar que la entropía dice que todo cuerpo tiende a estar en equilibrio térmico con su entorno entonces al trapazar el agua a los vaso se pierde energía, también en el matraz como en el calorímetro se queda energía lo cual ocasiona que al último no se llegue al equilibrio termodinámico. Sin embargo, se nota como con el paso del tiempo las distintas sustancias tienden a la temperatura de equilibrio por lo que se puede asegurar que de manera experimental se cumple la Ley cero.

CUESTIONARIO · Exprese la Ley Cero en función de los sistemas utilizados en este experimento. Podemos en este caso tener 3 sistemas el primero, A que llamaremos al sistema del matraz que contenía el agua caliente, B el sistema del calorímetro que contenía el agua fría y C el sistema del exterior es decir que tiene una temperatura ambiente por lo cual haciendo analogía a la ley cero ocurre que si un sistema A esta en equilibro con el sistema C y a su vez el sistema B está en equilibrio equilibrio con C, lo que nos dará es que que A y B están en equilibrio · ¿Qué pasará si se sigue tomando las lecturas de las temperaturas temperaturas por mucho más tiempo? Si la temperatura de los alrededores no cambia, la temperatura del sistema (ya en equilibrio) equilibr io) tampoco cambiará, pero si la temperatura de los alrededores cambia, comienza de nuevo el proceso de equilibrio térmico. · ¿Qué es calor y qué es temperatura? -  El calor es una forma de energía, se da en unidades de Joules. intrínseca del estado térmico de una sustancia, se -  La temperatura es una unidad intrínseca

 puede medir en °C, °F y K.

 

 · ¿Por qué la variable del tiempo no apare aparece ce en las expresiones para calcular la temperatura ambiente? Creo que se refiere a la temperatura de equilibrio equilibrio en este caso no hay variable del tiempo debido a que solo se necesita la temperatura inicial y final ya viene implícito el  paso del tiempo que eess definido por la temperatura temperatura que los cuerpos cuerpos tengan para para llegar al equilibrio es decir tardara mas en llegar al equilibrio equilibrio cuerpos que tengan temperaturas muy alejadas una de otras. · En esta práctica despreciamos despreciamos el efecto del vidrio y el envase de unicel. Si los tomáramos en cuenta ¿cómo cambiaría la relación del sistema de calor ganado y  perdido? Dependería también de la absorción de estos materiales de calor que se esta siendo cedidos o dispersados fuera de nuestro sistema experimental por lo cual si cambiaria demasiado lo que estuviera ganando y perdido · Sugerir alguna forma en que sea posible obtener un resultad resultado o más preciso. Se podría sugerir un sistema diseñado tener la perdida de energía en los materiales que es decir que tengan una para capacidad demenor absorción de calor muy baja.

REFENCIAS •

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  Axayacatl, O. (2014, 1 abril). La ley cero de la termodinámica termodinámica. Blog ingeniería. https://blogingenieria.com/general/la-ley-cero-de-la-termodinamica/   Resnick, R., Halliday, D., & Krane, K. (1992). Física 1 (4.a ed., Vol. 1). Compañía Editorial Continental.   Dra. Arenas, B., Dr. Martínez, A., Dr. Cárdenas, J & Dr. Castañeda, R. (s. f.) “Experimentos y Construcción de Prototipos”. Universidad de Guanajuato.     Juárez Hernández Carlos, García León Arturo. (2011). Conceptos básicos: "Densidades". UNAM Sitio web: https://vdocuments.mx/reporte-de-la-practica3-ley-cero-de-la-termodinamica.html