Física II Trabajo Práctico Nº5 - 2016 Termodinámica

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UNIVERSIDAD NACIONAL

DE GENERAL SAN MARTÍN

ESCUELA DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA

Física II

Trabajo Práctico Nº5 - 2016

Termodinámica.

Alumnos:

Centurión, Luciano

Cruz, Daniela

Martínez, Natalia

RESUMEN

En el siguiente trabajo se estudiará la transferencia de calor en un calorímetro. También se medirá el calor específico del plomo, aluminio y el cobre.

Luego se analizarán los procesos termodinámicos simples para el aire, considerado como un gas ideal. En particular se estudiarán procesos adiabáticos e isotermos.

Por último se representará gráficamente los resultados experimentales que se obtendrán de demostrar la ley de enfriamiento de Newton.

INTRODUCCIÓN

• Primera ley de la termodinámica y calorimetría:

La termodinámica es la rama de la física que hace foco en el estudio de los vínculos existentes entre el calor y las demás variedades de energía en un sistema.

Un sistema termodinámico puede intercambiar energía con su entorno en forma de trabajo y de calor, y acumula energía en forma de energía interna. La relación entre estas tres magnitudes viene dada por el principio de conservación de la energía. La ecuación que define formalmente a la primera ley de la termodinámica es la siguiente:

ΔU=Q–W (1)

Donde ΔU es la variación de energía interna, Q es la cantidad de calor que el sistema produce y W es el trabajo realizado al aplicar la energía interna al sistema.

La energía interna depende únicamente del estado del sistema, en un gas ideal depende solamente de su temperatura. Mientras que la transferencia de calor o el trabajo mecánico dependen del tipo de transformación o camino seguido para ir del estado inicial al final.
En una transformación a volumen constante la energía interna también se define como:

ΔU= mCvΔT (2)

Definiendo a Cv como la capacidad calorífica a un volumen constante, a m como la masa del sistema y a ΔT como la variación de temperatura.

El calor Q es la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de nivel energético. La cantidad de calor tomada (o cedida) por un cuerpo es directamente proporcional a su masa y al aumento (o disminución) de temperatura que experimenta. La expresión matemática de esta relación es la ecuación:

Q=mCeΔT (3)

Donde la constante Ce, es una constante de proporcionalidad y se la denomina calor específico. Se define como calor específico de una sustancia a la cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado Celsius la temperatura de 1 g de dicha sustancia.

La ciencia que mide la cantidad de energía generada en procesos de intercambio de calor es la calorimetría. El calorímetro es el instrumento que mide dicha energía. El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio.

Cuando un líquido contenido en un calorímetro recibe calor (energía) la absorbe, pero también la absorben las paredes del calorímetro. Lo mismo sucede cuando pierde energía. Esta intervención del calorímetro en el proceso se representa por su equivalente en agua: su presencia equivale a añadir al líquido que contiene los gramos de agua que asignamos a la influencia del calorímetro y que llamamos "equivalente en agua". Este viene a ser la cantidad de agua que absorbe o desprende el mismo calor que el calorímetro.

El proceso que ocurre es adiabático, de modo tal que no haya intercambio de calor (energía) con el medio circundante:

Σ Qi=0

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La anterior ecuación indica que si se conocen los valores del calor específico, midiendo temperaturas y masas, es posible determinar el calor específico. Para nuestro caso, como tenemos al calorímetro, al agua y un sólido desconocido.

• Procesos termodinámicos en gases ideales:

Existen distintos tipos de procesos termodinámicos, es decir, procesos en los cuales se modifican las variables termodinámicas de un sistema. Si el proceso es tal que no se permite el intercambio de calor con el medio se denomina adiabático. La ecuación característica de dichos procesos es:

PVγ=constante (5)

donde γ es la relación de capacidades caloríficas del gas: γ = Cv/Cp.

Para que ocurra un proceso adiabático es necesario que el sistema se encuentre perfectamente aislado térmicamente, o que el proceso ocurra rápidamente de manera que no haya tiempo para que ocurra un intercambio de calor con el medio.

Existe otro tipo de procesos en los cuales la temperatura permanece constante. Los mismos se denominan procesos isotérmicos y su ecuación característica es:

PV=constante (6)

Para que este tipo de procesos ocurra es necesario hacerlo muy lentamente, para que el sistema tenga tiempo de entrar en equilibrio térmico con el medio.

A presiones menores que 3 atmósferas, casi todos los gases se comportan como gases ideales, es decir, que podemos aplicar a su comportamiento, la ecuación de estado:

PV=nRT (7)

donde P es la presión absoluta del gas, V su volumen (la del recipiente que lo contiene), T la temperatura absoluta, n el número de moles del gas y R la constante universal de los gases.

Estudiaremos el proceso isotérmico y el proceso adiabático del aire, considerándolo como un gas ideal.

• Ley de enfriamiento de Newton:

La ley de enfriamiento de Newton enuncia que, cuando la diferencia de temperaturas entre un cuerpo y su medio ambiente no es demasiado grande, el calor transferido por unidad de tiempo hacia el cuerpo o desde el cuerpo por conducción, es aproximadamente proporcional a la diferencia de temperaturas entre el cuerpo y dicho medio externo, siempre y cuando este último mantenga constante su temperatura durante el proceso de enfriamiento

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