Practica No. 3

Ley Cero de la Termodinámica

Objetivo de la práctica.

El alumno comprenderá el concepto de equilibrio térmico y comprobará de forma experimental la Ley cero de la termodinámica.

Introducción

El concepto de temperatura, como el de fuerza, se originó en las percepciones humanas de lo caliente y lo frío. Es uno de los conceptos, resultado de la ley cero de la termodinámica, que establece que cuando dos sistemas están cada uno en equilibrio térmico con un tercer sistema, ambos están también en equilibrio térmico entre sí.

En 1592, Galileo construyó un primer termómetro, sin embargo, no fue sino hasta 1720 que el alemán Gabriel D. Fahrenheit diseño el primer aparato que permitía una medición más precisa del concepto que conocemos como temperatura.

Cuando la temperatura de un sistema es uniforme continuamente y es igual a la temperatura del entorno, se dice que el sistema está en equilibrio térmico con el entorno. Parece absurdo que un hecho tan obvio constituya una de las leyes básicas de la termodinámica. No obstante, está no puede constituirse a partir de otras leyes de la termodinámica y sirve como base para la validez en la medición de la temperatura.

Cuando un cuerpo entra en contacto con otro cuerpo que tiene diferente temperatura, la energía del cuerpo a temperatura mas elevada se transfiere al de temperatura inferior hasta que ambos alcanzan la misma temperatura, en ese punto, la transferencia de calor se detiene y se dice que ambos cuerpos han alcanzado el equilibrio térmico.

La ley cero fue formulada y nombrada por primera vez por R.H. fowler en 1931. Y como el nombre lo sugiere, su valor como principio físico fundamental fue reconocido más de medio siglo después de la formulación de la primera y segunda leyes; recibió el nombre de ley cero, puesto que debe preceder a la primera y segunda leyes de la termodinámica. Con el empleo de la ley cero, es posible determinar la temperatura de un sistema llevándolo a equilibrio térmico con un termómetro que no es otra cosa que un sistema con valores numéricos asignados a la propiedad del sistema dependiente de la temperatura.

Tópicos a investigar

1.- ¿Por qué es importante estudiar los conceptos de temperatura y equilibrio térmico?

La temperatura es una “medida” de lo caliente o frio de un sistema y determina la dirección del flujo de calor.

El equilibrio térmico es importante en termodinámica porque es un estado en el que no hay flujo de calor de un sistema a otro y han alcanzado la misma temperatura de los alrededores, es decir, es un estado en el que los sistemas ni son fríos ni son calientes.

La importancia de estudiar temperatura y equilibrio térmico es que son dos conceptos fundamentales para comprender la ley cero de la termodinámica.

2.- ¿Cuáles son las escalas más comunes de temperatura?

Las tres escalas que se utilizan comúnmente para medir la temperatura son:

Las escalas absolutas kelvin y Rankine y las escalas relativas Celsius y Fahrenheit.

Las escalas de Celsius y de Fahrenheit son las más comunes. La escala de Kelvin es primordialmente usada en experimentos científicos.

Escala Celsius

La escala Celsius fue inventada en 1742 por el astrónomo sueco Andrés Celsius. Esta escala divide el rango entre las temperaturas de congelación y de ebullición del agua en 100 partes iguales. Usted encontrará a veces esta escala identificada como escala centígrada. Las temperaturas en la escala Celsius son conocidas como grados Celsius (ºC).

Escala Fahrenheit

La escala Fahrenheit fue establecida por el físico holandés-alemán Gabriel Daniel Fahrenheit, en 1724. Aun cuando muchos países están usando ya la escala Celsius, la escala Fahrenheit es ampliamente usada en los Estados Unidos. Esta escala divide la diferencia entre los puntos de fusión y de ebullición del agua en 180 intervalos iguales. Las temperaturas en la escala Fahrenheit son conocidas como grados Fahrenheit (ºF).

Escala de Kelvin

La escala de Kelvin lleva el nombre de William Thompson Kelvin, un físico británico que la diseñó en 1848. Prolonga la escala Celsius hasta el cero absoluto, una temperatura hipotética caracterizada por una ausencia completa de energía calórica.

3.- ¿Qué es una sustancia termométrica?

Es una sustancia con la peculiar capacidad de cambiar una de sus propiedades de acuerdo a un cambio en la temperatura, por ejemplo su volumen.

Una propiedad termométrica de una sustancia es aquella que varía en el mismo sentido que la temperatura, es decir, si la temperatura aumenta el valor la propiedad también lo hará, y viceversa.

4.- ¿Qué es la temperatura absoluta?

La Temperatura absoluta se trata de un concepto de temperatura basado en el movimiento de las moléculas.

Por ejemplo, las moléculas de un cuerpo en estado de agitación extrema registran una temperatura alta y en estado de agitación menor, una temperatura baja.

De esto se deduce que debe existir un estado en el que las moléculas cesan de moverse y, en consecuencia, no poseen calor. A este punto se le conoce como "Cero absoluto". En la escala de Kelvin la temperatura es medida con respecto a una escala que comienza en el cero absoluto. El cero absoluto corresponde a 273 grados bajo cero en la escala Celsius o a 460 grados en la escala Fahrenheit.

5.- ¿Son exactamente iguales las temperaturas proporcionadas por diferentes termómetros, independientemente de las sustancias termométricas que se utilicen?

Numéricamente hablando no son exactamente iguales las temperaturas proporcionadas si tenemos diferentes termómetros en distintas escalas, porque no miden la misma cantidad de calor, por ejemplo, no es correcto decir que, la cantidad de calor medido en un grado Celsius es igual a la cantidad de calor medida en un grado Fahrenheit, porque no es la misma cantidad de calor.

6.- ¿Cuáles son las unidades más utilizadas para la temperatura y cuáles son los factores de conversión entre ellas?

Las unidades más utilizadas para temperatura son [=] ºC (grados Celsius), ºF (grados Fahrenheit), K (grados kelvin), R (grados Rankin).

Conversiones entre Temperaturas

A veces hay que convertir la temperatura de una escala a otra. A continuación encontrará cómo hacer esto.

• Para convertir de ºC a ºF use la fórmula:   ºF = ºC x 1.8 + 32.

• Para convertir de ºF a ºC use la fórmula:   ºC = (ºF-32) ÷ 1.8.

• Para convertir de K a ºC use la fórmula:   ºC = K – 273.15

• Para convertir de ºC a K use la fórmula: K = ºC + 273.15.

• Para convertir K a R el factor es: 1R = 1.8K

7.- ¿Cuáles son los grados Celsius y porqué se llaman así?

Antiguamente llamada escala centígrada, fue bautizada en honor al astrónomo suizo A. Celsius (1701-1744).

Es una escala que utiliza como puntos de referencia el punto de fusión y el punto de ebullición del agua a los cuales se les asigno 0º y 100º respectivamente.

8.- ¿Qué es una pared diatérmica?

Es aquella que permite la entrada y salida de calor

9.- ¿Qué es una pared adiabática?

Es aquella que no permite la entrada ni salida de calor, esto implica un perfecto aislamiento térmico.

Correlación con el o los temas del programa de estudios

Con esta práctica se verán reforzados los conceptos básicos mencionados en los puntos 1.2, 1.3 y 1.4, así mismo se reforzaran conceptos que deben preceder al estudio de la primera y segunda leyes de la termodinámica, los cuales se ven en la segunda y tercera unidad del programa de aprendizaje respectivamente.

Material:

Dispositivo para la ley cero de la termodinámica (tortillero de unicel).

3 termómetros de bulbo de mercurio.

1 cronómetro.

1 mechero Bunsen.

3 vasos de precipitados.

Hielo.

Soporte Universal.

Anillo metálico.

Rejilla de alambre.

Mechero Fisher.

1 lamina (papel aluminio).

1 hoja de unicel.

Sustancias:

Agua.

Metodología.

En nuestro experimento los sistemas termodinámicos A y B, están separados entre sí por una pared adiabática, pero cada uno de ellos está en contacto térmico con el tercer sistema termodinámico C a través de paredes diatérmicas. Todo el conjunto –sistemas A, B y C, está aislado mediante una pared adiabática.

1.- Agua enfriada con hielo

2.- Agua caliente

3.- Agua a temperatura ambiente

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Procedimiento:

En un vaso de precipitado, colocar agua del grifo y medir su temperatura (esta va a ser nuestra medida de referencia).

En un segundo vaso colocar agua con hielo, hasta alcanzar una temperatura de 10°C menos que el agua a temperatura ambiente.

En un tercer vaso de precipitado colocar agua a temperatura ambiente y calentarla hasta que alcance 10°C por arriba de nuestra temperatura de referencia.

En nuestro recipiente de unicel vamos a verter en el primer compartimiento (el que tiene una pared adiabática y una diatérmica) el agua más caliente, el agua fría va a ir en el otro y en el compartimiento que sólo tiene una pared diatérmica va a ir el agua a temperatura ambiente.

Colocar un termómetro en cada uno de los compartimientos.

En ese momento se mide la temperatura en los tres termómetros, continuar las mediciones de temperatura cada 2 minutos hasta que se estabilice en los tres termómetros.

Observar cada u no de los termómetros, para determinar si se llegó al equilibrio térmico. Anotar resultados.

DIAGRAMA DE FLUJO

En un segundo vaso de precipitado calentar agua hasta que llegue a una temperatura de 10°C mayor a la temperatura ambiente.

En un tercer vaso de precipitado colocar agua y enfriarla hasta que su temperatura sea de 10°C menos a la temperatura ambiente.

Colocar el agua como sigue dentro del recipiente de unicel

1.- Agua enfriada con hielo

2.- Agua caliente 3.- Agua a temperatura ambiente

Colocar un termómetro en cada uno de los compartimientos y cerrar nuestro sistema para que quede aislado.

En un vaso de precipitado, colocar agua y medir la temperatura, que es la temperatura ambiente.

Lectura

TEMPERATURA (°C)

Agua caliente

TEMPERATURA (°C)

Agua fría

TEMPERATURA (°C)

Agua a temperatura ambiente

1

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7

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A partir de este momento comenzaremos a medir la temperatura de nuestros sistemas en los tres termómetros y estaremos chocándola cada dos minutos

para observar el cambio de temperatura en nuestro sistema.

Observar cada uno de os termómetros, para determinar si se llegó al equilibrio térmico. Anotar resultados.

Bibliografía preliminar sugerida.

1. Smith, J.M. Van Ness, H.C. y Abbot, M.M. (2005). Introducción a la termodinámica en ingeniería química. Séptima edición. México; McGraw Hill.

2. Cengel, Y.A y Boles, M.A. (2004). Termodinámica. Cuarta edición. México; McGraw Hill.

3. Francis F. Huang (2004) Ingeniería Termodinámica. México CECSA.

4. Brown-Lemay (2003) Química la Ciencia Central. México. Prentice Hall.