LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA - Instituto Balseiro

1 1 LAS LEYES DE LA TERMODIN MICAGOBBI, Alejandro Iv nInstituto Nuestra Se ora de F tima, Cipolletti, R o NegroProfesor Gu a: SALICA, MarceloINTRODUCCI NEn el siguiente informe se desarrollar y se explicar n las cuatro principales LEYES de latermodin mica, mediante una serie de demostraciones y experimentos sencillosrealizados en el laboratorio, utilizando elementos accesibles y procedimientos simplesque se pueden efectuar en cualquier LEYES de la termodin mica que se desarrollar n ser n:- Ley cero de la termodin mica o principio del equilibrio termodin Primera ley de la termodin mica o principio de la conservaci n de la energ Segunda ley de la termodin Tercera ley de la termodin objetivo principal del trabajo es alcanzar la comprensi n de alg n tema de f sica delos que se ense an en el secundario (en este caso las LEYES de la termodin mica),mediante el desarrollo, la construcci n y la prueba de un experimento simple realizableen el aula con elementos cotidianos, que permita estudiarlo y EMPLEADOSPara la realizaci n de este experimento son necesarios los siguientes elementos.

2 - Vaso de precipitado (el vaso de precipitado utilizado en el experimento original elde 1 litro de capacidad). [1].- Term metro que alcance una temperatura mayor a los 100 C (por lo menos uno).- Soporte para term Agua fr a (7 C-10 C), agua tibia (28 C-30 C) y agua caliente (100 C).- Colorante (se pueden utilizar colorantes artificiales o tinta).- Cubetera (de las utilizadas para hacer hielo en el freezer o congelador).- Reloj o cron metro.[1]2 DESARROLLO Y PROCEDIMIENTOSPara poder entender y realizar exitosamente el experimento primero se debe hacer unaintroducci n a las LEYES de la termodin termodin mica es la rama de la f sica que estudia la energ a y la transformaci n entresus distintas manifestaciones, como el calor, y su capacidad para producir un ley cero de la termodin mica establece que si dos sistemas, Ay B, est n en equilibriotermodin mico, y B est a su vez en equilibrio termodin mico con un tercer sistema C,entonces A y C se encuentran en equilibrio termodin mico.

3 Este principio fundamentalse enunci formalmente luego de haberse enunciado las otras tres LEYES de latermodin mica, por eso se la llam ley cero .La primera ley de la termodin mica, tambi n conocida como ley de la conservaci n dela energ a enuncia que la energ a es indestructible, siempre que desaparece una clase deenerg a aparece otra (Julius von Mayer). M s espec ficamente, la primera ley de latermodin mica establece que al variar la energ a interna en un sistema cerrado, seproduce calor y un trabajo. La energ a no se pierde, sino que se transforma .La segunda ley de la termodin mica indica la direcci n en que se llevan a cabo lastransformaciones energ ticas.

4 El flujo espont neo de calor siempre es unidireccional,desde los cuerpos de temperatura m s alta a aquellos de temperatura m s baja. En estaley aparece el concepto de entrop a, la cual se define como la magnitud f sica que midela parte de la energ a que no puede utilizarse para producir un trabajo. Esto es m s f cilde entender con el ejemplo de una m quina t rmica:Una fuente de calor es usada para calentar una sustancia de trabajo (vapor de agua),provocando la expansi n de la misma colocada dentro de un pist n a trav s de unav lvula. La expansi n mueve el pist n, y por un mecanismo de acoplamiento adecuado,se obtiene trabajo mec nico. El trabajo se da por la diferencia entre el calor final y elinicial.

5 Es imposible la existencia de una m quina t rmica que extraiga calor de unafuente y lo convierta totalmente en trabajo, sin enviar nada a la fuente fr entrop a de un sistema es tambi n un grado de desorden del mismo. La segunda leyestablece que en los procesos espont neos la entrop a, a la larga, tiende a aumentar. Lossistemas ordenados se desordenan espont neamente. Si se quiere restituir el ordenoriginal, hay que realizar un trabajo sobre el inicialT2=Temperatura finalW=trabajoLa tercera de las LEYES de la termodin mica afirma que es imposible alcanzar unatemperatura igual al cero absoluto mediante un n mero finito de procesos f sicos, ya quea medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entrop a tiende a unvalor constante espec fico.

6 A medida que el sistema se acerca al cero absoluto, elintercambio cal rico es cada vez menor hasta llegar a ser casi nulo. Ya que el flujoT1T2W3espont neo de calor es unidireccional, desde los cuerpos de temperatura m s alta a losde temperatura m s baja (Segunda ley), ser a necesario un cuerpo con menortemperatura que el cero absoluto; y esto es de comenzar el experimento, se deben preparar los cubos de hielo con elcolorante o la tinta. Hay que dejarlos en el freezer alrededor de tres horas para quequeden s lidos en el centro (el colorante se puede llegar a concentrar en el centro, peroesto no afecta al experimento).Se prepara el vaso de precipitado con agua fr a a 10 C (agua de la heladera), para laprimer parte del experimento.

7 Se toma la temperatura del agua para compararla luegocon la temperatura final, introduciendo el term metro en el agua y sosteni ndolo con elsoporte para term metro. Preparamos el reloj e introdujimos el primer hielo en el los pocos segundos se pudieron ver los primeros rastros de colorante, pero reci n alminuto y medio se observan l neas de colorante en forma de flujo laminar descendiendopor un costado del vaso y el agua comienza a tomar color. La temperatura final fuede10,5 C, ya que la temperatura ambiente era de 22 C y el tiempo final fue de ya se puede establecer una relaci n con la ley cero de la termodin mica: cuando elagua (sistema A) establece contacto con el hielo (sistema B), ambos intentan llegar a unequilibrio termodin mico.

8 A su vez, estos dos sistemas buscan el equilibriotermodin mico con un tercer sistema, el aire (sistema C), por lo que en alg n momentolos tres sistemas alcanzar n este equilibrio. Aqu tambi n aparece la segunda ley de latermodin mica: el agua le transfiere calor al hielo, haciendo que la temperatura de esteaumente y provocando el cambio de de cinco minutos se vio bastante colorante en el fondo del vaso y el agua un pocom s verde; pero al finalizar esta primer etapa, a los veinticuatro minutos, se vio que el4agua hab a cambiado de color y que la mayor parte del colorante se encontraba en segunda parte del experimento se realiz con agua tibia, a 28 C. Se realizaron losmismos procedimientos que en el paso anterior.

9 Al introducir el hielo, el coloranteempez a bajar casi instant neamente, pero esta vez en forma de flujo turbulento. Lleg hasta el fondo del vaso y comenz a difundirse por los laterales. Al minuto de iniciadoeste paso, todo el vaso ya estaba verde, y se pudo ver el colorante bajando velozmentepor la diferencia de temperaturas. En este caso el hielo s lo tard cuatro minutos ymedio; y la temperatura final del agua fue de 25 ltima parte del experimento fue tambi n la m s gr fica, ya que el intercambio decalor fue m s brusco, el colorante descendi en forma de flujo turbulento por el costadodel vaso y se difundi m s r pidamente. El agua se hab a llevado a punto de hervor(100 C), pero hay que tener en cuenta que al trasvasar el contenido y mientras se est realizando el experimento, el agua pierde m s calor que en paso 1 o en el 2.

10 Por esto ladiferencia de temperatura es mayor entre la temperatura inicial y la final. El hielotermin de disolverse a los 50 segundos de iniciada la prueba, y el colorante qued difundido uniformemente en todo el experimento anteriormente realizado se puede concluir lo siguiente, respecto a cadauna de las LEYES explicadas y su demostraci n:- Ley cero de la termodin mica: se pudo ver que al ingresar el hielo en el agua, ambossistemas intentaban llegar a un equilibrio termodin mico, no s lo entre ellos, sinoque tambi n con un tercer sistema que era el aire. Eventualmente los tres sistemasalcanzar an el equilibrio termodin mico. El mejor ejemplo se ve en el primer paso,en el cual la temperatura del agua aument un poco debido a la temperatura del aire,cuando deber a haber disminuido al brindarle calor al Primera ley de la termodin mica: Al poner el hielo en el agua, el agua cedi calor alhielo para poder alcanzar el equilibrio termodin mico, por lo tanto la temperaturadel agua baj ; pero la cantidad de calor no cambi , sino que se distribuy.