Ley cero de la termodinámica

Protocolo de prácticas

1. Datos generales

1. Semestre: 4to     Fecha: 17/Febrero/2022        2. Institución: Universidad Autónoma de Querétaro   

3. Asignatura: Laboratorio de termodinámica   4. Profesor Titular: Dra. Yuliana de Jesús Acosta Silva

5. Grupo: 14      6. Horario del Laboratorio: jueves de 12:00 a 13:00     7. Práctica No. 3.

8.Nombre de la práctica: Ley cero de la Termodinámica.

1. Equipo # __1 __

Integrantes

1. Camargo Peñaloza Dulce María               Exp. 297573

1. Estrada Bolaños Alejandro Baruch          Exp. 297426

1. Pérez Baltazar Diane                                 Exp. 297661

1. Rea de León Antonio                                 Exp. 297674

Objetivos

• Identificar y diferenciar los conceptos de sistema termodinámico; alrededores; sistema termodinámico cerrado; sistema termodinámico abierto; sistema termodinámico aislado; pared adiabática y pared diatérmica; mediante la observación experimental.
• Establecer una definición operacional de equilibrio térmico, mediante la observación experimental.
• Enunciar con sus propias palabras la ley cero de la termodinámica, mediante la observación experimental.

1. Cuestionario Pre-laboratorio

1. ¿Qué es el equilibrio térmico?

Se le llama equilibrio térmico al estado en que dos cuerpos en contacto, o separados por una superficie conductora, igualan sus temperaturas. Lo que sucede es que al poner en contacto dos cuerpos con diferentes temperaturas, el que se encuentra con mayor temperatura cede parte de su energía al de menor temperatura.

1. ¿Qué es equilibrio termodinámico?

Un sistema en equilibrio termodinámico no experimenta cambios al ser aislado de su entorno. En otras palabras, no se observa ningún cambio de sus propiedades termodinámicas a lo largo del tiempo.

1. ¿Qué es una pared adiabática?

Es una pared que no permite la transferencia de calor o materia de un lado a otro. No deja entrar ni salir el calor.

1. ¿Qué es una pared diatérmica?

A diferencia de la pared adiabática, la pared diatérmica si permite la transferencia de calor, sin embargo, no permite la transferencia de masa.

1. Dar 2 ejemplos de materiales que actúen como cada una de ellas

.

5. Marco teórico sugerido[pic 11][pic 12]

Los sistemas termodinámicos A y B mostrados en la figura 1, 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 (A partir de ahora se escribirá simplemente sistema haciendo referencia a sistema termodinámico). Todo el conjunto -sistemas A, B y C-, está aislado mediante una pared adiabática. Supón que llenas el sistema A con un fluido a la temperatura TA; el sistema B con un fluido a la temperatura TB; el sistema C con un fluido a la temperatura TC; donde TA≠ TB ≠ TC ¿Qué sucederá al cabo de seis o siete minutos con las temperaturas del fluido en los respectivos sistemas? Anota tu predicción. El dispositivo empleado para estudiar la Ley Cero de la Termodinámica consiste en una caja cerrada aislada del exterior con tres compartimientos, dos de ellos separados entre sí por una pared adiabática, y éstos a su vez separados de un tercero por una pared diatérmica (Fig. 1). En el tercer compartimiento se encuentra un foco, el cual al conectar la caja se encenderá y calentará la pared diatérmica. El calor se transmite a través de la placa hacia los otros dos compartimientos. [pic 13]

Figura 1. Sistema termodinámico.

Sistema Termodinámico

Un sistema termodinámico (también denominado sustancia de trabajo) se define como la parte del universo objeto de estudio

Los sistemas termodinámicos pueden ser aislados, cerrados o abiertos.

• Sistema aislado: es aquél que no intercambia ni materia ni energía con los alrededores.
• Sistema cerrado: es aquél que intercambia energía (calor y trabajo) pero no materia con los alrededores (su masa permanece constante).
• Sistema abierto: es aquél que intercambia energía y materia con los alrededores.

Proceso adiabático

El proceso de compresión o expansión de un gas durante el cual no entra ni sale calor del sistema se describe como adiabático

Proceso diatérmico

Un proceso diatérmico es aquel cuerpo que deja pasar fácilmente calor. Por lo que las paredes diatérmicas son aquellas que sí permiten que un sistema termodinámico modifique su grado relativo de calentamiento.

Ley cero de la termodinámica

La ley cero de la termodinámica permite establecer el concepto de temperatura. La ley cero de la termodinámica establece que, cuando dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, estos están a su vez en equilibrio térmico entre sí.

6. Materiales

• Dispositivo para Ley Cero de la Termodinámica (caja de madera con un foco, lámina metálica y lámina aislante); ver Figuras 3 y 4.
• 3 termopares o 3 termómetros de bulbo de mercurio
• 1 cronómetro

7. Desarrollo propuesto

1. Colocar el termómetro en cada uno de los tres orificios como se muestra en la figura 2, para obtener su temperatura inicial.

[pic 14]

Figura 2. Toma de temperatura en los 3 orificios.

1. Conectar la caja para que el foco que se encuentra en uno de los 3 sistemas se encienda como en la figura 3, y esperar 15 minutos.

[pic 15]

Figura 3. Dispositivo conectado a la luz.

1. Una vez transcurrido el tiempo se tomará la temperatura de los tres sistemas, primero de los dos sistemas que no tienen foco y al final del sistema que tiene el foco como se muestra en la figura 4, cuando se termine de tomar las 3 temperaturas se deberá desconectar la caja para que el foco se apague.

[pic 16]

                                                    Figura 4. Temperatura con foco encendido.

1. Poner el termómetro en un vaso de precipitado con agua como se muestra en la figura 5, para que el termómetro regrese a una temperatura ambiente.

[pic 17]

Figura 5. Termómetro en agua.

1. Retirar la pared adiabática que separa los dos sistemas que no tienen foco del tercer sistema que tiene el foco, enseguida tomar la tempera de los 3 sistemas cada 2 minutos y repetir el proceso durante 12 minutos. En la figura 6 es posible observar un diagrama de la caja de madera con el foco, la lámina metálica y la lámina aislante

[pic 18]

Figura 6. Diagrama dispositivo de Ley cero de la termodinámica.

1. Cálculos

Para esta práctica no fueron necesario cálculos.

1. Resultados

1. Realiza una Tabla de datos con incertidumbres de medición.

1. Realiza las gráficas de Temperatura vs. tiempo para cada compartimiento, señala en la gráfica el momento en que se retiró la pared adiabática.

[pic 19][pic 20][pic 21][pic 22]

1. Interpretar las gráficas

En la gráfica es posible la observación de que la pared adiabática impedía la transferencia de calor, pero al momento de retirarla fue todo lo contrario, el calor se dispersa a los diferentes puntos por lo que al ser un sistema cerrado la temperatura es distribuida y como resultado de obtendrá un equilibrio térmico, es decir, una energía de calor se encuentra en tránsito, produciendo después de un tiempo que la temperatura en ambos sea igual.

1. ¿Cómo influye la temperatura en los tres compartimientos?

Depende, evidentemente el compartimento que contiene el foco se eleva a una temperatura mucho mayor a los otros 2 que se encontraban separados por la pared adiabática, a pesar de la cercanía que tenían estos últimos no se lograba alcanzar una temperatura tan alta como el que tenía el foco dentro.

1.  ¿Qué se observa al quitar la pared adiabática?

Se observa el fenómeno que nos dicta la Primera Ley de La Termodinámica, al quitar la pared y apagar el foco, quitamos la frontera entre los compartimentos y dejamos de administrar calor al sistema, por lo que al cabo de unos minutos la temperatura se estabilizo, es decir que la lectura en los tres compartimentos ya era la misma.

1. Describe tus resultados experimentales, obtenidos en la actividad I en un solo enunciado operacional, claro y conciso.

El fenómeno de nivelación de temperatura fue claro y de esta forma se ha demostrado la primera Ley de la Termodinámica, de forma que la lectura en dos de los compartimentos aumenta su temperatura una vez quitada la pared adiabática y sin introducir más calor al sistema, mientras que el tercero disminuye su temperatura.

1. Compara tu enunciado con el siguiente enunciado:

"Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero están en equilibrio entre sí".

Aunque estructurado de distinta forma, el objetivo a transmitir es el mismo, de forma que los mismos procesos y resultados fueron logrados, para que finalmente se llegue a un mismo punto de forma precisa. Demostrando ambos enunciados durante el proceso del experimento.

1. Supón que se intercambian las paredes del sistema y queda como lo muestra la figura (b) 

¿Cuál será ahora la temperatura en los respectivos sistemas al cabo de seis o siete minutos?

Anota tus predicciones

Suponiendo que la fuente de calor (foco) está en el compartimento C, existe una pared adiabática entre el A y B, por lo que la transferencia de calor a ambos sistemas seria nula, aunque entre los compartimentos A y B existe una diatérmica, es decir que entre ellos si hay un intercambio de calor. Por lo que, si se inicia con A y B a una misma temperatura, finalmente se alcanzara la misma temperatura en los tres, pero como si fueran 2 sistemas separados (A y C, por otro lado, B y C), al cabo de esos 7 minutos no es seguro que se halla nivelado la temperatura en A y B.

10. Conclusiones

Camargo Peñaloza Dulce María.

Se puede concluir que el objetivo se cumplió satisfactoriamente dado que fue posible la comprensión e identificación de los distintos conceptos como la diferenciación de las paredes adiabático como diatérmicas, así también lo que es un sistema termodinámico, los distintos tipos de sistemas entre otros y todo lo anterior fue posible con tan solo la observación del experimento.

Así como se logró definir que el equilibrio térmico es aquel estado en el que las temperaturas de distintos cuerpos se igualan dónde como condiciones iniciales se tiene que sus temperaturas son diferentes y una vez que las temperaturas se equiparan se suspende el flujo de calor, llegando al equilibrio término.

Además de que la práctica fue presencial, fue una gran experiencia ya que por primera vez fue posible la manipulación de los materiales de laboratorio en la facultad

Estrada Bolaños Alejandro Baruch

Con este experimento se puede apreciar de una mejor manera la ley cero de termodinámica, la cual nos dice que dos cuerpos estarán en equilibrio térmico cuando se involucre un tercer cuerpo, en este caso los dos sistemas que no tienen foco se encontraban a una menor temperatura que el sistema que tenía foco, sin embargo cuando retiramos la pared adiabática y empezamos a tomar las temperaturas pudimos observar como el sistema con mayor temperatura le transfería calor a los otros dos sistemas poco a poco hasta que los tres sistemas quedaban con la misma temperatura, quedando en equilibrio térmico y demostrando la ley cero de termodinámica.

Pérez Baltazar Diane                     

La ley cero de la termodinámica establece que, si un cuerpo está en equilibrio térmico con un segundo cuerpo, estos estarían en equilibrio térmico con un tercer cuerpo.

Durante la práctica realizada el pasado jueves 17 de febrero, pudimos comprobar este principio haciendo uso de una caja de madera que contenía una pared y tres orificios por donde pudimos tomar la temperatura con un termómetro, también notamos que el proceso de equilibrio fue un poco tardado y esto fue porque el intercambio de energía era lento.

Rea de León Antonio                    

Los conocimientos se alcanzaron satisfactoriamente para mí y para todos mis compañeros de equipo, además que complementariamente, nos brinda un tipo de conocimiento práctico el poder manipular personalmente el equipo, como los termómetros y la representación de un sistema térmico, que en conjunto a los conceptos contribuyen a la retroalimentación y a obtener una reflexión personal y grupal.

11. Bibliografía

Práctica extraída del Manual de Prácticas de Laboratorio de Termodinámica Universidad Iberoamericana

• Rolle, K. C. (2006). Termodinámica. En S. y. Newton. Pearson Educación México, SA de CV
• Resnick R., Halliday D., Krane K. (2002) Física, 4ª ed. México: CECSA.
• Cengel, Y. y Boles, M. (2012). Termodinámica.

12. Rúbrica de evaluación