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UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO
TERMODINÁMICA
DEMOSTRACIÓN DE LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA
1. OBJETIVO
El objetivo principal del trabajo es alcanzar a comprender las leyes de la
termodinámica cualitativamente mediante el desarrollo, la construcción y la prueba
de un experimento simple que permita estudiarlo y entenderlo.
2. INTRODUCCIÓN
En el presente experimento se desarrollará y explicaran las cuatro principales leyes
de la termodinámica, mediante una serie de demostraciones y experimentos
sencillos realizados en el laboratorio utilizando elementos accesibles y
procedimientos simples.
Las leyes de la termodinámica que se desarrollarán serán:
- Ley cero de la termodinámica o principio del equilibrio termodinámico
- Primera ley de la termodinámica o principio de la conservación de la energía
- Segunda ley de la termodinámica
- Tercera ley de la termodinámica
Para poder entender y realizar el experimento se debe hacer una introducción a las
leyes de la termodinámica.
La termodinámica estudia la energía y su transformación entre sus distintas
manifestaciones como el calor y su capacidad para producir un trabajo.
La ley cero de la termodinámica establece que si dos sistemas A y B están en
equilibrio termodinámico y B está a su vez en equilibrio termodinámico con un
tercer sistema C, entonces A y C se encuentran en equilibrio termodinámico. Este
principio fundamental se enuncio formalmente luego de haberse enunciado las otras
tres leyes de la termodinámica, por eso se la llamó “ley cero”.
La primera ley de la termodinámica, también conocida como ley de la
conservación de la energía enuncia que la energía es indestructible, siempre que
desaparece una clase de energía aparece otra (Julius Von Mayer). Más
específicamente, la primera ley de la termodinámica establece que al variar la
energía intema en un sistema cerrado se produce calor y trabajo. “La energía no se
pierde, sino que se transforma”.
La segunda ley de la termodinámica, indica la dirección en que se llevan a cabo
las transformaciones energéticas. Ej flujo espontáneo de calor siempre es
unidireccional, desde los cuerpos de temperatura más alta a aquellos de
temperatura más baja. En esta ley aparece el concepto de entropía, la cual se define
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como la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse
para producir un trabajo. Esto es más fácil de entender con el ejemplo de una
máquina térmica; donde una fuente de calor es usada para calentar una sustancia de
trabajo (vapor de agua), provocando la expansión de la misma colocada dentro de
un pistón a través de una válvula La expansión mueve el pistón y por un
mecanismo de acoplamiento adecuado, se obtiene trabajo mecánico. El trabajo se
da por la diferencia entre el calor final y el inicial. Es imposible la existencia de
una máquina térmica que extraiga calor de una fuente y lo convierta totalmente en
trabajo, sin enviar nada a la fuente fría.
La entropía de un sistema es también el grado de desorden del mismo. La segunda
ley establece que en los procesos espontáneos la entropía a la larga tiende a
aumentar. Los sistemas ordenados se desordenan espontáneamente, si se quiere
restituir el orden original hay que realizar un trabajo sobre el sistema.
La tercera ley de la termodinámica afirma que es imposible alcanzar una
temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos
ya que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía
tiende a un valor constante específico. A medida que el sistema se acerca al cero
absoluto el intercambio calórico es cada vez menor hasta llegar a ser casi nulo. Ya
que el flujo espontáneo de calor es unidireccional desde los cuerpos de temperatura
más alta a los de temperatura más baja (segunda ley), sería necesario un cuerpo con
menor temperatura que el cero absoluto y esto es imposible.
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- Agua fría y caliente
- Hielo
- Colorante (artificial o tinta)
- Hielo coloreado
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3. MATERIALES INSTRUMENTOS Y REACTIVOS
- vaso de precipitado de 1L de
capacidad
- Termómetro de -10°C a 110°C
- Termostato o equipo de baño maría
- Congelador o refrigerador
- Cronómetro
4. PROCEDIMIENTO
4.3 Experimento con agua fría a 10°C
- Preparar los cubos de hielo con un colorante o tinta. Hay que dejarlos en el
freezer alrededor de tres horas para que queden sólidos.
- Preparar un vaso de precipitado con agua fría a 10°C (agua helada) para la
primera parte del experimento. Tomar la temperatura del agua para compararla
luego con la temperatura final introduciendo el termómetro en el agua.
- Preparar el cronómetro e introducir el primer cubo de hielo coloreado en el agua.
A los pocos segundos se pueden ver los primeros rasgos de colorante pero al
minuto y medio se observan líneas de colorante en forma de flujo laminar
descendiendo por un costado del vaso y el agua comienza a tomar color.
- Medir el tiempo que tarda el hielo coloreado en disolverse y observe el colorante
en el agua, medir la temperatura final del experimento y la temperatura ambiente.
Experimento a 10 °C :
T agua=T inicial=10℃T mezcla=T final=9℃T aguaambiente=19℃Tiempode disoluciondel agua=27m03 s
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Observaciones:
Aparece la segunda ley, el agua le transfiere calor al hielo, haciendo que la
temperatura de este aumente provocando el cambio de estado.
El hielo se disuelve en forma espiral.
La disolución del colorante (hielo) se da de la parte inferior del hielo, a medida que
va avanzando hacia la parte superior.
4.1. Experimento con agua tibia a 28°C
- Realizar el mismo procedimiento que el paso anterior. Al introducir el hielo el
colorante empieza a bajar casi instantáneamente, pero esta vez en forma de
flujo turbulento, llegará hasta el fondo del vaso y comenzará a difundirse por los
laterales. Al minuto de iniciado el experimento todo el vaso estará coloreado y
se puede ver el colorante bajando velozmente por la diferencia de temperaturas.
- Medir la temperatura final del experimento y el tiempo final que tarda en
disolverse el hielo coloreado y el color en todo el agua.
Experimento a 30 °C :
T agua=T inicial=28℃
Tmezcla=T final=21℃T aguaambiente=19℃
Tiempode disoluciondel agua=4m11s
Observaciones:
Se pudo comprobar que el
colorante empieza a bajar
casi instantáneamente,
pero esta vez en forma de flujo
turbulento.
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La disolución se desplaza al fondo en forma de ramificaciones
Una vez llegada la disolución al fondo del vaso se pudo observar que el color se
va difundiendo por los costados del vaso.
4.3. Experimento con agua en su punto de ebulliciónRealizar el mismo procedimiento que el primer experimento. Al introducir el
hielo coloreado en el agua hervida, el intercambio de calor es más brusco, el
colorante descenderá en forma de flujo turbulento por el costado del vaso y se
difundirá más rápidamente. En este experimento el agua pierde más calor que en
el experimento 1 o 2, por esto, la diferencia de temperatura es mayor entre la
temperatura inicial y la final
- Medir la temperatura final del experimento y el tiempo en que el hielo coloreado
se disuelve y ver el colorante difundido uniformemente en todo el vaso.
Experimento a (T ebullicion=89 °C) :
T agua=T inicial=89℃T mezcla=T final=80℃
T aguaambiente=19℃Tiempode disoluciondel agua=52 s
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Observaciones:
El intercambio de calor es más intenso.
El colorante se difunde rápidamente.
El colorante se mezcla homogéneamente en todo el contenido del recipiente.
Se pudo comprobar que le agua pierde más calor que en los experimentos
anteriores.
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5. CONCLUSIONES
Se pudo observar en el experimento a 10℃ la temperatura del agua aumento
un poco debido a la temperatura del aire.
Al poner el hielo en el agua, el agua cedió calor al hielo para alcanzar el
equilibrio termodinámico, por lo tanto, la temperatura del agua bajo; pero la
cantidad de calor no cambio, sino que se distribuyó.
Si tomamos la entropía como grado de desorden podemos decir que : en el
experimento a 10℃ el colorante no se diluyo rápidamente, en el experimento a
30℃ el colorante se diluyo, pero no de forma inmediata; pero en el
experimento a 89℃, el colorante formo una mezcla homogénea de forma
inmediata.
La entropía mayor desarrollada fue en el experimento a 89℃, ya sus partículas
alcanzaron el grado máximo de desorden.