EQUILIBRIO TÉRMICO Y LEY CERO

Edna Pomares, Daniel Muñoz, Facultad de Ingeniería, Laboratorio Física Experimental. Universidad del Magdalena

Santa Marta Colombia Marzo 25 de 2011.

RESUMEN

La temperatura es uno de los valores que el hombre tiene en cuenta para realizar diferentes aplicaciones prácticas, el equilibrio térmico es una muestra del estado de la transferencia de energía entre sistemas. El hecho de que los sistemas se encuentren en equilibrio térmico implica igualdad de temperatura entre estos, como también la funcionalidad que tiene el contacto térmico. Para comprender esto se realiza una práctica sencilla en la que se visualice el equilibrio térmico entre elementos de sistemas, particularmente agua y metales, inclusive el efecto del aire a temperatura ambiente. PALABRAS CLAVES: equilibrio, sistema, temperatura, tiempo.

ABSTRACT

Temperature is one of the values that man has in mind for practical applications; thermal equilibrium state is an example of energy transfer between systems. The fact that systems are in thermal equilibrium implies equality of temperature between these, as well as the functionality that has thermal contact. To understand this is done by a simple practice that is displayed in the heat balance between system elements, particularly water and metals, including the effect of air at room temperature. KEYWORDS: equilibrium system, temperature, time. 1 INTRODUCCIÓN El equilibrio que se presenta en la naturaleza es una muestra de la perfección de esta, pero no siempre es conveniente que todo se encuentre en equilibrio, de hecho la capacidad dinámica es lo que realmente presenta las mayores manifestaciones de energía y de vida. El equilibrio térmico es la propiedad que denota si hay o no transferencia neta de energía entre cuerpos, si se ha alcanzado el equilibrio térmico la transferencia de energía ha finalizado. Una expresión matemática útil en este estudio del equilibrio termodinámico es:

TcmQ , teniendo en cuenta que Q representa el calor bien sea el perdido o

el ganado, m la masa, c el calor especifico; esta expresión será útil a la hora de determinar la temperatura de equilibrio.

2. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA La temperatura es aquella propiedad de la materia que se ha definido como la medida de la energía cinética promedio de todos los átomos y moléculas individuales de un sistema. Este concepto esta ligado al equilibrio térmico y a la ley cero de la termodinámica. Para comprender a cabalidad todo esto se realizara la mezcla de cantidades específicas de agua a diferentes temperaturas con el fin de establecer si el sistema alcanza el equilibrio térmico, posteriormente se calentara agua y en ella será inmerso un cuerpo metálico, sin que este totalmente cubierto, para determinar si se llega a presentar el equilibrio térmico. 3. RESULTADOS Siguiendo las instrucciones de la guía se realizaron las medidas que fueron consignadas en la siguiente taba:

Agua caliente Agua fría Mezcla

volumen (m3) T(°C) volumen (m3) T(°C) volumen (m3) T(°C)

M1 2*10-4 60 2*10-4 24.3 4*10-4 41.6

M2 2*10-4 60 8*10-5 24.3 2.8*10-4 48.6

M3 2*10-4 60 8*10-5 40.0 2.8*10-4 55.1

Ahora se procederá a realizar los cálculos de la temperatura de equilibrio, que en este caso sería la temperatura final así: Qperd.=Qgan.

Donde:

TcmQ , donde if TTT , siendo Tf la temperatura fina (o de equilibrio)

yTi la temperatura inicial, en este caso Qperd es el del agua caliente, y Qgan. es

el del agua fría. y c es el calor especifico del agua con un valor de CKg

Kcal

º1

Para la mezcla 1 (M1).

)3.24)(10*2(1

)60)(10*2(1

1

.

1

CTKgCKg

KcalQ

TCKgCKg

KcalQ

fgan

fperd

Igualando los sistemas, tenemos que, Qperd.=Qgan

CC

T

CT

TCCT

TCKgCKg

KcalCTKg

CKg

Kcal

f

f

ff

ff

15.422

3.84

3.842

0603.24

)60)(10*2(1)3.24)(10*2(1 11

Para la mezcla 2 (M2).

)3.24)(10*8(1

)60)(10*2(1

2

.

1

CTKgCKg

KcalQ

TCKgCKg

KcalQ

fgan

fperd

Igualando los sistemas, tenemos que, Qperd.=Qgan

CT

CT

CT

CCTT

TCCT

TCCT

TCKgCKg

KcalCTKg

CKg

Kcal

f

f

f

ff

ff

ff

ff

º8.49

10*8.2

º10*3944.1

º10*3944.110*8.2

3.2410*86010*210*210*8

10*26010*23.2410*810*8

)60)(10*2()3.24)(10*8(

)60)(10*2(1)3.24)(10*8(1

1

1

11

2112

1122

12

12

Se realiza el mismo procedimiento para M3 y se obtiene como resultado:

CT f 2.54

Hay diferencias entre las lecturas de temperatura, pero son pequeñas, de 1°C aproximadamente, lo que indica que realmente se alcanza el equilibrio térmico y se cumple la ley cero bajo estas condiciones, y tales errores se deben a errores de observación y a la perturbación del sistema. Luego se calentó agua hasta 60ºC y se sumergió parcialmente un cilindro de masa 500Kg, donde la temperatura máxima que alcanzó el cilindro fue de 43ºC, siendo esta inferior al temperatura del agua, lo cual indica que el sistema cilindro agua no alcanzo el equilibrio térmico, aun cuando transcurrió un tiempo prudente para que lograran el equilibrio. Pero resulta que el sistema como tal también tenía contacto con el aire, tanto el cilindro como el agua, en este caso el cilindro transfería calor al aire, se sabe que la tendencia natural es que los cuerpos calientes transfieran calor a los cuerpos fríos. Inicialmente la temperatura del cilindro subía hasta que la transferencia de calor por parte del agua se hacia máxima, y posteriormente el cilindro aportaba calor al aire. Cabe

destacar que realmente si se alcanzra el equilibrio térmico, pero se necesitaría un tiempo mayor y la temperatura de equilibrio seria igual a la temperatura ambiente. Cabe destacar que en aplicaciones de mayor precisión se debe tener en cuenta la perturbación que el termómetro utilizado en las mediciones de temperatura provoca en el sistema, pues este posee una temperatura inicial que perturba las condiciones del sistema que se evalúa; la ley cero es el principio que garantiza el funcionamiento de los termómetros, ya que el termómetro en contacto térmico con un sistema alcanzara una temperatura común con el sistema. Por otra parte no es necesario el contacto físico para que hay transferencia de calor y por ende equilibrio térmico, pues una forma de transferencia de calor es la radiación, y no necesita de un contacto físico 4. DISCUSIÓN Y ANÁLISIS La práctica conduce a cuestionar ¿es estrictamente necesario el contacto físico para que haya equilibrio térmico? ¿Que tan bueno debe ser el aislamiento térmico del sistema de agentes externos? La influencia de agentes externos y la perturbación que provoquen, al igual que la delimitación de los sistemas puede producir errores y distanciamiento de los valores calculados. 5. CONCLUSIÓN Este laboratorio arroja que el equilibrio térmico es un principio fundamental para el desarrollo de actividades de medición de energía, constituyéndose en la base de esta acción. Para estudiar un sistema hay que tener claro que elementos lo integran para poder realizar correctamente los cálculos, estimaciones, mediciones y conclusiones que el trabajo a realizar necesiten, el hecho de pasar por alto la influencia del aire, o del recipiente que se utilice puede producir resultados erróneos, que perjudicarían todo el trabajo desarrollado y mas aún si se esta desarrollando algún tipo de aplicación práctica.