Calor y energia interna

Equilibrio térmico #1

Santiago Andres Jiménez Romero

Escuela politécnica nacional, facultad de ciencias

Departamento de física, laboratorio de física molecular

03 de mayo de 2017

Abstracto

Se busca comprobar experimentalmente, mediante un experimento sencillo, las nociones intuitivas que se generan acerca de la temperatura; de como el calor se transfiere de los cuerpos calientes a los fríos, y como se llega a un equilibrio térmico entre 2 cuerpos.

Palabras Clave: Contacto, Equilibrio, Calor, Temperatura.

Introducción

En la vida cotidiana, se asocia informalmente la temperatura de un cuerpo con que tan caliente o frío, se encuentra el mismo. Pero para definir la temperatura de una manera más formal, necesitamos entender dos conceptos previos:

• Contacto Térmico, y
• Equilibrio Térmico

El contacto térmico, no es nada más que dos sistemas físicos que permiten el intercambio de energía en forma de calor; El calor  por el momento será definido como el aumento o disminución de la energía térmica de un cuerpo. Por otra parte el equilibrio térmico se define cuando los sistemas ya no intercambian calor entre sí. Esto se puede entender a través de estas dos ecuaciones:

•                                       (1)[pic 1]
•                                        (2)[pic 2]

Suponiendo que trabajamos con gases ideales, podemos utilizar la ecuación 1. Donde sabemos que el sistema no realiza un trabajo, por tanto:

• [pic 3]

Y por consiguiente tenemos (igualando la ecuación 1 con 2) que:

• [pic 4]

De donde se sobreentiende que si existen 2 cuerpos, con temperatura y respectivamente, y siendo , se deduce que el calor que pierde el cuerpo con temperatura , es el calor absorbido por el cuerpo 2. Y esto implica que las temperaturas finales sean iguales. [pic 5][pic 6][pic 7][pic 8]

Entendido esto, estaríamos en la capacidad de realizar un termómetro casero. Basta con utilizar una escala de temperatura, y un elemento cuyas propiedades sean conocidas, entonces por los conceptos previamente vistos, obtendremos la temperatura del cuerpo a medir (Véase el termómetro de mercurio). Además a partir de esto, se establece el principio cero de la termodinámica, que dictamina:

 “si un cuerpo A se encuentra a la misma temperatura que un cuerpo B y este tiene la misma temperatura que un tercer cuerpo C, entonces, el cuerpo A tendrá la misma temperatura que el cuerpo C. Por lo cual estaremos seguros de que tanto el cuerpo A, como el B y C, estarán los tres, en equilibrio térmico. Es decir: los cuerpo A, B y C, tendrán igual temperatura.”

Con estas definiciones, parecería intuitivo definir la temperatura a partir del calor, pero estaríamos cometiendo un gran error, ya que son dos conceptos totalmente distintos. La temperatura a rasgos generales, se puede describir como la media de la energía cinética de cada partícula.

Una vez visto todos estos conceptos, y pese a que parecen seguir el sentido común, los comprobaremos experimentalmente, con un experimento sencillo.

Experimento

Dentro del experimento, se busca comprobar lo dicho previamente, para lo cual utilizaremos dos  vasos de precipitación 600 ml y 400ml, dos  termómetros, un matraz Erlenmeyer y un mechero que permita calentar el agua.

Para empezar, colocamos 100 ml agua dentro del matraz Erlenmeyer, y a su vez colocamos este dentro del vaso de precipitación de 600 ml, procurando que el matraz y el vaso, solo se encuentren en contacto por las bases respectivas. En el otro vaso (400ml), se calienta el agua hasta llegar a 80 C, donde despues se vertira esta agua dentro del vaso de precipitacion de 600 ml y procurando que no se mezcle con el agua depositada previamente en el matraz erlenmayer, una vez realizado este paso, se coloca los termometros de mercurio; uno dentro del matraz y el segundo fuera del matraz, dentro del vaso, procurando que no exista ningun tipo de contacto entre el termometro y el vaso. Dandonos una vista final del experimento, asi: [pic 9]

Figura 1: Esquema de la practica.

Resultados y Discusion

  A partir de este punto,  y con ayuda de los termometros, se observa que progresivamente, la temperatura del agua del matraz empezara a subir de su valor inicial, mientras que el agua caliente, tiene un descenso de su temperatura. (Tabla 1)

Tabla 1: Temperatura en varios tiempos.

 Como se puede observar en la tabla 1  llegado  cierto tiempo, las temperaturas serán  aproximadamente las mismas. Con esta información podemos analizar el cambio de temperatura para los 2 cuerpos respecto el tiempo, con la siguiente gráfica:

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