equilibrio termico
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EQUILIBRIO TÉRMICO
JESSICA CABALLERO
LUIS DIAZ
ROMARIO MOLINA
MIGUEL QUIROGA
PRESENTADO A:
EDUARDO MARTINEZ IGLESIAS
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL CARIBE
LABORATORIO DE FÍSICA II
BARRANQUILLA
SEPTIEMBRE 4 DE 2012
INTRODUCCION
El siguiente trabajo define el equilibrio térmico y temas relacionados con este
como calor, temperatura, energía interna, principio de conservación de energía y
la ley cero de la termodinámica, además se presenta el informe con motivo de dar
a conocer los resultados y conclusiones obtenidas en la experiencia N°3, se
explicará mediante tablas, gráficos y respuestas al cuestionario, las diferentes
características del equilibrio térmico y demás aspectos relacionados con el
laboratorio realizado.
Con esta práctica se comprueba que estos temas además de importantes son de
alto cuidado, el tener claridad de quien gana o transmite energía en forma de calor
en un sistema, nos ayuda a comprender cuando se obtiene equilibrio térmico entre
los cuerpos en contacto.
OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un concepto más claro a partir de la práctica realizada en el
laboratorio, acerca del equilibrio térmico y la aplicación de estas en la vida
diaria.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar de qué depende el equilibrio térmico.
Demostrar experimentalmente, cuando dos cuerpos alcanzan el equilibrio
térmico.
Identificar y tener claro los diferentes conceptos relacionados con la
termodinámica.
MATERIALES
Trípode
Varilla de acero
Sensor
Bloque de madera
Termómetro
Termocuplas
Computador
Erlenmeyer
Beaker
MARCO TEÓRICO
EQUILIBRIO TÉRMICO
Es aquel estado en el cual se igualan las temperaturas de dos cuerpos, las cuales,
en sus condiciones iníciales presentaban diferentes temperaturas. Una vez que las
temperaturas se equiparan se suspende el flujo de calor, llegando ambos cuerpos
al mencionado equilibrio término.
El equilibrio térmico es un concepto que forma parte de la termodinámica, la rama
de la física que se ocupa de describir los estados de equilibrio a un nivel
macroscópico.
Cuando dos sistemas se encuentran en contacto mecánico directo, o en su
defecto, separados mediante una superficie que facilita la transferencia de calor,
superficie diatérmica, se dirá que ambos están en contacto térmico. Mientras
tanto, al cabo de un tiempo, aunque los dos sistemas que se hallan en contacto
térmico se encuentren dispuestos de tal manera que no puedan mezclarse o
aunque estén colocados en el interior de un espacio en el cual es imposible que
intercambien calor con el exterior, indefectiblemente, alcanzarán el estado de
equilibrio térmico.
A un nivel macroscópico, la situación de dos sistemas en contacto térmico podrá
interpretarse porque las partículas de la superficie de interface de los dos sistemas
son capaces de interactuar entre sí; lo que se verá es que las partículas del
sistema que ostenta una mayor temperatura le transferirán parte de su energía a
las partículas del otro sistema que observa una menor temperatura. La
mencionada interacción hará que las partículas de ambos sistemas logren la
misma energía y por tanto la misma temperatura.
Un cuerpo caliente cede parte de su energía interna a un cuerpo frío para que los
dos tengan, al final, la misma temperatura. Llamamos calor a esta forma de
transmisión de energía entre dos cuerpos que están a distinta temperatura.
Pero los cuerpos no tienen calor, sino energía interna que pueden ceder o recibir
en forma de calor cuando los ponemos en contacto con otros cuerpos a distinta
temperatura.
La cantidad de calor (Q) que gana o pierde un cuerpo de masa (m) se encuentra
con la fórmula
Donde:
Q: es la cantidad de calor
m: es la masa del cuerpo en estudio. Se expresa en gramos
Ce: es el calor específico del cuerpo. Su valor se encuentra en tablas conocidas, se
expresa en cal / gr º C
Δt: es la variación de temperatura = Tf − T0. (Temperatura final (Tf) menos
Temperatura inicial (T0), y su fórmula es
Para que el cuerpo aumente de temperatura; tiene que recibir calor, para eso la
temperatura tf debe ser mayor que la temperatura to ; y recibe el nombre de calor
recibido. tf> to calor recibido (Q > 0)
Para disminuir la temperatura; tiene que ceder calor, para eso la temperatura tf
debe ser menor que la temperatura to ; y recibe el nombre de calor cedido.
tf< to calor cedido (Q < 0) .
El calor es el proceso de transferencia de energía entre diferentes cuerpos o
diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas.
Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo
de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se
encuentren en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una
habitación se entibia).
La energía que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de
transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino.
Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna.
La energía existe en varias formas, pero el principio de conservación de la energía
indica que la energía no se crea ni se destruye; sólo se transforma de unas formas
en otras. En estas transformaciones, la energía total permanece constante; es
decir, la energía total es la misma antes y después de cada transformación.
En este caso nos enfocamos en el calor, que es el proceso mediante el cual la
energía se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia
de temperatura.
Energía producida por la vibración acelerada de las moléculas, que se manifiesta
elevando la temperatura y dilatando los cuerpos y llega a fundir los sólidos y a
evaporar los líquidos
El calor es una forma de energía que los cuerpos almacenan (energía interna) que
ocurre en función del estado de vibración de sus moléculas y depende de su
estructura. La diferencia de temperatura existente entre los cuerpos hace que el
calor se transfiera de un cuerpo a otro por rozamiento. El calor pasa del cuerpo
más caliente al más frío. Cuando ambos cuerpos se hallan a la misma temperatura
(equilibrio térmico) ya no hay más transferencia de calor. También puede lograrse
el calentamiento de un cuerpo si le prendemos fuego; en este caso sería por
liberación de energía de un sistema químico.
Llamaremos “Energía Interna” a aquella energía que depende a nivel
macroscópica de la Temperatura del cuerpo (o Sistema). A nivel microscópico la
Energía Interna de un sistema está constituida por la energía del movimiento de
todas las partículas microscópicas (moléculas, átomos, iones, etc.), por las
interacciones entre estas partícula, por las capas electrónicas de los átomos y
iones.
La Energía Interna es una magnitud escalar que se mide en Joules (u otras
unidades energéticas).
Es una función de estado del sistema, depende del estado inicial y final pero no
depende de la forma en que se paso de un estado a otro.
Para poder conocer la temperatura que presenta un cuerpo o sustancia se emplea
el dispositivo del termómetro. Cuando el termómetro entra en contacto térmico con
el cuerpo en cuestión ambos alcanzarán el equilibrio térmico y entonces al
encontrarse en la misma temperatura, sabremos que la temperatura que nos
indicará el termómetro en su índice será la temperatura del cuerpo que nos ocupa.
La temperatura se define como una magnitud escalar que puede ser medida,
específicamente, con un termómetro. Está relacionada con la energía interna de
un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más
específicamente, está relacionada con la parte de la energía interna conocida
como "energía cinética", que es la energía asociada a los movimientos de las
partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de
vibraciones. A medida de que sea mayor la energía cinética de un sistema, se
observa que éste se encuentra más "caliente"; es decir, que su temperatura es
mayor.
La Ley cero de la termodinámica nos dice que si tenemos dos cuerpos llamados A
y B, con diferente temperatura uno de otro, y los ponemos en contacto, en un
tiempo determinado t, estos alcanzarán la misma temperatura, es decir, tendrán
ambos la misma temperatura. Si luego un tercer cuerpo, que llamaremos C se
pone en contacto con A y B, también alcanzará la misma temperatura y, por lo
tanto, A, B y C tendrán la misma temperatura mientras estén en contacto.
ANÁLISIS DE LA EXPERIENCIA
Luego de haber finalizado la práctica de laboratorio donde se comprobó el
equilibrio térmico, el cual consta de la transferencia de calor entre cuerpos con
diferentes temperaturas donde el de mayor le transfiere al de menor hasta llegar
a ese punto de igualdad térmica. La practica consistía en calentar el agua hasta
alcanzar una temperatura de 80°C con un volumen de 160 ml, vertiéndola en un
recipiente (beaker) que contenía otro recipiente (Erlenmeyer )en su interior con
agua a temperatura ambiente de 31.9°C y volumen de 100 ml , donde pasado un
tiempo, se estableció un flujo de energía calorífica, la temperatura del agua en
ambos recipientes se igualo, por obra de las transferencias de calor, (en este caso
del agua más caliente a la más fría), también por contacto con el aire del medio
ambiente y por evaporación), pero el equilibrio térmico se alcanzo cuando ambas
masas de agua estuvieron a la misma temperatura.
La grafica nos muestra los valores del cambio de temperatura en los dos
recipientes con ayuda de dos sensores de calor (termocuplas) los cuales nos iban
mostrando los valores de esa temperatura a medida que transcurría el tiempo,
tuvimos un lapso de tiempo de 8:00 minutos donde el programa del cassy lab nos
arrojaba resultados cada 15 segundos.
La grafica nos muestra los valores de las temperaturas del agua (caliente y fría) y
como a medida del tiempo estas van alcanzando su equilibrio térmico.
CUESTIONARIO
1. Como interpretarías tú la siguiente frase: el calor no se tiene se transfiere.
De acuerdo al principio de la conservación de energía que nos dice que la
energía no se crea ni se destruye solo se transforma, podemos decir que el
calor no se tiene, se transfiere porque los cuerpos no tienen calor, sino energía
interna que pueden ceder o recibir en forma de calor cuando los ponemos en
contacto con otros cuerpos a distinta temperatura.
2. Dé la definición de los siguientes conceptos
a) Energía interna b) energía térmica c) calor
Energía interna
La energía interna de un cuerpo es la suma de la energía de todas las partículas
que componen un cuerpo. Entre otras energías, las partículas que componen los
cuerpos tienen masa y velocidad, por lo tanto tienen energía cinética interna.
También tienen fuerzas de atracción entre ellas, por lo que tienen energía
potencial interna.
La energía interna es muy difícil de calcular ya que son muchas las partículas que
componen un cuerpo y tienen muchos tipos diferentes de energía. Lo que se suele
hacer es calcular la variación de energía interna.
La energía interna es la suma de las energías de todas las partículas de un
cuerpo.
Energía Térmica
La Energía térmica se debe al movimiento de las partículas que constituyen la
materia. Un cuerpo a baja temperatura tendrá menos energía térmica que otro que
esté a mayor temperatura.
La transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro debido a una diferencia de
temperatura se denomina calor.
Calor:
Calor es la energía que se traspasa de un sistema a otro o de un cuerpo a otro,
una transferencia vinculada al movimiento de moléculas, átomos y otras
partículas.
En este sentido, el calor puede generarse a partir de una reacción química (como
la combustión), una reacción nuclear (como aquellas que se desarrollan dentro del
Sol) o una disipación (ya sea mecánica, fricción, o electromagnética, microondas).
Es importante tener en cuenta que los cuerpos no tienen calor, sino energía
interna. Cuando una parte de esta energía se transfiere de un sistema o cuerpo
hacia otro que se halla a distinta temperatura, se habla de calor. El traspaso de
calor se producirá hasta que los dos sistemas se sitúen a idéntica temperatura y
se alcance el denominado equilibrio térmico.
3. ¿Qué se puede decir cuando se afirma que un termómetro puede medir
su propia temperatura? Explica tu respuesta
Cuando utilizamos el termómetro, debemos ponerlo en contacto con el ambiente o
la zona a la cual queremos medir su temperatura.
Hay que dar un tiempo prudencial para que el termómetro reaccione al proceso de
transferencia de calor, al final del cual la temperatura del termómetro se pone en
equilibrio térmico con la zona mencionada. Esto quiere decir que el termómetro se
pone al mismo nivel de temperatura.
En ese momento hacemos la medición directa de la temperatura a la cual se
encuentra el termómetro, la cual representa, por acción de equilibrio térmico la
misma temperatura de la zona que queremos medir.
Por lo anterior es que podemos afirmar, con toda libertad, que un termómetro mide
su propia temperatura.
4. ¿Qué propiedades físicas deben tenerse en cuenta para la construcción
de un termómetro? Explique su respuesta
La construcción de un termómetro se basa en la dilatación del mercurio (este
metal líquido se utiliza por tener un valor bajo de dilatación al aplicarse calor) y
en el Principio Cero de la Termodinámica que dice: "Si un sistema A que está
en equilibrio térmico con un sistema B, está en equilibrio térmico también con
un sistema C, entonces los tres sistemas A, B y C están en equilibrio térmico
entre sí".
5. ¿Qué diferencia hay entre evaporación y ebullición?
La diferencia que hay es que la ebullición ocurre en toda la masa, todas las
moléculas del líquido tienen la suficiente temperatura como para pasar al
estado vapor; en cambio, la evaporación tiene lugar a cualquier temperatura y
solo en algunas moléculas en la superficie del líquido.
6. ¿Qué diferencia hay entre contacto térmico y equilibrio térmico?
La diferencia es que el contacto térmico se da cuando se ponen en contacto
dos cuerpos con diferentes temperaturas y el equilibrio térmico solo se logra
hasta que ambos cuerpos hayan obtenido la misma temperatura.
CONCLUSION
Podemos inferir lo siguiente:
El equilibrio térmico se da cuando los sistemas o cuerpos se hallan a la
misma temperatura.
El calor se transfiere en forma de energía.
El calor se transfiere de un cuerpo de mayor temperatura a uno de menor
temperatura.
La temperatura es la medida de la energía interna de un sistema.
La temperatura se puede medir con los termómetros y no con sensaciones
térmicas.