UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES

PLANTEL ARAGÓN

INGENIERÍA MECÁNICA

LABORATORIO DE TERMODINÁMICA

Practica #3

“LA LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA”

NOMBRE DEL ALUMNO:

Paniagua campos José Daniel

Cartujano Vergara Jair Armando

NOMBRE DEL PROFESOR: ING. ALEJANDRO RODRÍGUEZ LORENZANA

GRUPO: JUEVES 17:30 – 19:00

Fecha de realización: Jueves 22 del mes de Septiembre

Fecha de entrega: Jueves 29 del mes de Septiembre

Objetivo:

Demostrar la ley cero de la termodinámica. Cuantificar la cantidad d energía que un cuerpo cede o recibe de

una sustancia de trabajo. Determinar la temperatura de equilibrio de las sustancias de

trabajo. Analizar el grado de error al determinar la temperatura de

equilibrio.

Actividades:

1. Demostrar la Ley Cero de la Termodinámica, poniendo en contacto dos cuerpos a diferentes temperaturas.

2. Determinar la cantidad de energía ganada y cedida de los cuerpos.3. Determinar la temperatura de equilibrio.

o Teóricamenteo Experimentalmente.

Material:

1 Vaso de precipitado de 2000 ml. 1 Probeta de 500 ml. 1 Matraz de 250 ml. 1 Tapón bihoradado para el matraz (con perforaciones) 2 Termómetros de 100 °C 1 Parrilla eléctrica. 1 Calorímetro. 1 Cronometro 1 Balanza granataria. 1 Guantes de asbesto. 1 Pesa de 1000 gr. 1 Pinza de sujeción.

Sustancias:

AGUA

Aspectos Teóricos:

Equilibrio Termodinámico.- Cuando un sistema de baja temperatura se pone en contacto por medio de una pared diatérmica con otro sistema de mayor temperatura, la temperatura del sistema frio aumenta mientras la temperatura del sistema caliente disminuye. Si se mantiene este contacto mediante un periodo largo, se establecerá el equilibrio termodinámico, es decir ambos sistemas tendrán la misma temperatura.

Si los sistemas están formados por diferentes sustancias o diferentes porciones de ellas, no contendrán la misma cantidad de energía aunque estas alcancen el equilibrio térmico.

Ley Cero de la Termodinámica.- Esta ley nos explica que cuando un sistema se pone en contacto con otro al transcurrir el tiempo, la temperatura será la misma, por que se encontraran es equilibrio térmico. Otra forma de expresar esta ley es la siguiente.

”La temperatura es una propiedad que posee cualquier sistema termodinámico y existita equilibrio térmico entre dos sistemas cualesquiera” sis su temperatura es la misma.

Desarrollo:

Actividad l:

Demostración de la ley cero de la termodinámica.

1. Calibrar la Balanza.2. Medir la masa del matraz. Anotar su valor en la tabla 3.1A3. Con la probeta medir 250 ml. De agua y verterlo en el matraz,

medir su masa. Anotar el valor en la tabla 3.1ª

4. Colocar un tapón bihoradado con el termómetro en la boca del matraz.

5. Medir la masa del calorímetro. Anotar en la tabla 3.1A6. Colocar el matraz en la parrilla. (Tener cuidado de que el

termómetro no toque las paredes del matraz)7. Conectar la parrilla al suministro de energía eléctrica.8. Esperar a que el agua alcance una temperatura de 60°C esta se

considera como la temperatura inicial de agua caliente (T1ac)9. Verter con la probeta, 250 ml de agua en el calorímetro.10. Medir la masa del agua contenida en el calorímetro. Anótala

en la tabla 3.1ª11. Medida la masa, coloca el calorímetro dentro del vasos de

precipitado de 2000 mil.12. Coloca uno de los termómetros dentro del calorímetro para

medir su temperatura, esta se considera como temperatura inicial del agua fría (T1af) Anotar su valor en la tabla 3.1.1ª

13. Desconectar la parrilla del suministro eléctrico.14. Con ayuda de las pinzas y con el guante de asbesto puesto,

introducir el matraz dentro del calorímetro, en ese momento, registra la primera lectura de los termómetros. Anotar su valor en la tabla 3.1.1A

15. Con el cronometro, tomar las lecturas cada un minuto de las temperaturas registradas en los termómetros. Anotar las lecturas en la tabla 3.1.2ª

16. Efectuar las lecturas de los termómetros, hasta que estos registren la misma temperatura.

Mientras el Agua se calienta, Procede de la siguiente manera:

Actividad ll. Cantidad de energía ganada y cedida.

Si

Q=mCe (t2 –t1)

Donde:

Q= Calor (cal)

M= Masa (gr)

Ce = Calor especifico (cal/gr°C)

t2 = temperatura final (°C)

t1 = temperatura inicial (°C)

Entonces:

Qaf = maf Ceaf (t2af –t1af)

Qac = mac Ceac (t2ac – t1ac)

Donde:

Qaf = calor absorbido por el agua fría (cal)

Qac = calor cedido por el agua caliente (cal)

maf = masa del agua fría (gr)

mac = masa del agua caliente (gr)

Ceaf = calor especifico del agua fría (cal/gr°C)

Ceac calor especifico del agua caliente (cal/gr°C)

t2af = tiempo final del agua fría (°C)

t2ac= tiempo final del agua caliente (°C)

t1af= tiempo inicial del agua fría (°C)

t1ac= tiempo inicial del agua caliente (°C)

Anota los resultados en la tabla 3.2B

Actividad lll:

Determinar la temperatura del equilibrio Teóricamente.

La energía que cederá el agua caliente será la misma que recibirá el agua fría, por lo tanto, la suma de las energías se mantiene constante, es decir, la suma de las energías en transición es igual a cero. Es decir:

Si: +Qaf = -Qac

Entonces: Qaf + Qac = 0

Por lo tanto: maf Ceaf (t2af –t1af) + mac Ceac (t2ac – t1ac) = 0

Donde:

Ceaf = calor especifico del agua fría (cal/gr°C)

Ceac calor especifico del agua caliente (cal/gr°C)

maf = masa del agua fría (gr)

t2af = tiempo final (o equilibrio) del agua fría (°C)

t1af= tiempo inicial del agua fría (°C)

mac = masa del agua caliente (gr)

t2ac= tiempo final del agua caliente (°C)

t1ac= tiempo inicial del agua caliente (°C)

Como: t2af = tac = teq

Donde:

teq = Temperatura del equilibrio (°C)

Ce = Calor especifico para el agua caliente y fría.

Entonces: maf Ceaf (t2af –t1af) + mac Ceac (t2ac – t1ac) = 0

Y como: Ceaf = Ceac

Tenemos: Ce [maf (teq - t1af) + mac Ceac (teq - t1ac)] = 0

maf teq - maf t1af + mac teq - mac t1ac = 0

maf (t2af –t1af) + mac (teq - t1ac) = 0

Agrupando términos.

maf teq + mac teq - (maf t1af + mac t1ac ) = 0

CONCEPTO MASA(gr)Matraz 122Calorímetro 90Matraz con agua 362.5Calorímetro con agua 536Masa del agua en el matraz 240.5Masa del agua en el calorímetro 446

TABLAS DE LECTURAS

CONCEPTO TEMPERATURA INICIAL(°C) TEMPERATURA FINAL(°C)Agua fría(en el calorímetro) 25 36Agua caliente(en el matraz) 62 37

CONCEPTO TEMPERATURAS(°C)Tiempo(min) Agua en el matraz Agua en el calorímetro

O 62 251 57 292 51 32

3 47 334 45 355 43 356 41 367 40 368 39 379 38 37

10 38 3711 37 3612 37 36

TABLAS DE RESULTADOS

TABLA 3.1B

CONCEPTO MASA DEL AGUAKg gr lb

Calorímetro 0.446 446 0.9832matraz 0.2405 240.5 0.5302

1lb=0.4536 Kg

(1lb )(0.446Kg)0.4536Kg

=0.9832 lb

(1lb )(0.2405Kg)0.4536Kg

=0.5302lb

TABLA 3.2B

CONCEPTO EXPERIMENTALCal KJ BTU

Energía ganada Qaf4906 20.5414 19.4705

Energía cedida Qac-6012.5 -25.1743 -23.8612

Q=mc e (t 2−t 1)

1Kcal=4.187 KJ ceh2o=1 calg ° C

1BTU=1.0550KJ=0.252Kcal

(4.906Kcal )(4.187KJ )1Kcal

=20.5414KJ

(1BTU )(20.5414KJ )1.0550KJ

=19.4705BTU

(4.187KJ )(6.0125Kcal )1Kcal

=25.1743KJ

(1BTU )(25.1743KJ )1.0550KJ

=23.8612BTU

TABLA 3.3.1B

CONCEPTO TEÓRICACal KJ BTU

Energía ganada Qaf5780.16 24.202 22.9398

Energía cedida Qac-5781.62 24.208 22.9456

Qac= mac (ceh2o) (Teq-t1ac)

Qaf= maf (ceh2o) (Teq-t1af)

(5.7802Kcal )(4.187KJ )1Kcal

=24.202KJ

(1BTU )(24.202KJ)1.0550KJ

=22.9398 BTU

(4.187KJ )(5.78162cal)1Kcal

=24.208KJ

(1BTU )(24.208KJ )1.0550KJ

=22.9456BTU

TABLA 3.3B

CONCEPTO TEÓRICO°C °K °R °F

Temperatura de equilibrio

37.96 310.96 560.38 100.328

teq=(446 g ) (25 °C )+(240.5g )(62 °C)

446 g+240.5 g=37.96 ° C

1) °K= 37.96°C+273= 310.962) °R= 100.328°F + 460= 560.383) °F= 9/5(37.96) + 32= 100.328

TABLA 3.4B

CONCEPTO GRADO DE ERRORExperimental %

E1 0E2 2.702

A CONTINUACIÓN SE MUESTRA LA GRÁFICA T-t(Temperatura-tiempo):

0 2 4 6 8 10 120

2

4

6

8

10

12

Tiempo(min)Agua en el matrazAgua en el calorímetro

Cuestionario:

1. ¿Qué es el equilibrio térmico?R.- La reacción que tienen dos sustancias al ponerlas en contacto, cada sustancia tine distinta temperatura, la caliente cede calor y la fría recibe. Hasta alcanzar la misma temperatura por ambas sustancias

2. ¿A qué temperatura alcanza el agua su máxima densidad?R.- El agua alcanza su mayor densidad exactamente a 4º centígrados donde su volumen es mínimo

3. Cuándo se calculó la cantidad de calor teórico y experimental, ¿Cuál es el que se acerca mas a la realidad?R.-

4. ¿La materia contiene calor?R.- NO

5. ¿Qué es la energía interna?R.- La energía interna es la energía que tiene una sustancia debido a su temperatura, que es esencialmente a escala microscópica la energía cinética de sus moléculas.

6. ¿Existe relación entre la temperatura Centigrada y la Kelvin? ExplicaR.- Si, La relación entre grados Celsius y grados Kelvin es de 273, es decir, 1ºC son 273K, 2ºC son 274K.

7. ¿A que se le conoce como calor especifico?R.- El calor específico es la energía necesaria para elevar 1   °C la temperatura de un gramo de materia.

8. ¿Cuáles son las unidades de energía y de trabajo? ¿Qué relación existe entre ellas?R.- Trabajo joule (J) y Energía (Cal) son equivalentes.

9. Explica algunos sistemas reales donde se aplica la Ley Cero de la TermodinámicaR.- Un termómetro, hielos enfriando una bebida.

10. ¿Cómo es la capacidad calorífica especifica del agua en comparación con otras sustancias comunes?R.- Mayor.