LAS LEYES DE LA TERMODINAMICA OBJETIVOS:
Alcanzar a comprender las leyes de la termodinámica cualitativamente, mediante el desarrollo, la construcción y la prueba de un experimento simple, que permita estudiarlo y entenderlo. INTRODUCCION:
En el siguiente experimento se desarrollaran las siguientes leyes: -Ley cero de la termodinámica. -rimera ley de la termodinámica. -!egunda ley de la termodinámica. -"ercera -"ercera ley de la termodinámica. Es la rama de la #$sica que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico. macroscópico. %onstitu %onstituye ye una teor$a #enomenológica, #enomenológica , a part partir ir de razonamientos deductivos,, que deductivos que estu estudi dia a sist sistem emas as real reales es,, sin sin modelizar modelizar yy sigu sigue e un m&tod &todo o exper experim imen enta tal.l. Los Los esta estado doss de equi equililibr brio io se estu estudi dian an y de#i de#ine nen n por por medio medio de magnitudes magnitudes extensivas extensivas tales tales como la energ$a interna, interna, la entrop$a entrop$a,, el volumen volumen o o la composición molar molar de dell sist sistem ema, a, o por por medi medio o de magn magnititud udes es no-e no-ext xten ensi siva vass derivadas de las anteriores como la temperatura temperatura,, presión y el potencial qu$mico' qu$mico ' otras magnitudes, tales como la imanación imanación,, la #uerza electromotriz y electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en continuos en general tambi&n tambi&n pueden tratarse tratarse por medio de la termodinámica. La termodinámica o#rece un aparato #ormal aplicable (nicamente a estados de equilibrio, de#i de#ini nido doss como como aque aquell esta estado do )aci )acia a *el *el que que todo todo sist sistem ema a tien tiende de a evolucionar y caracterizado porque en el mismo todas las propiedades del sistema quedan quedan determ determina inadas das por #actor #actores es intr$ns intr$nseco ecoss y no por in#lue in#luenci ncias as externa externass previamente aplicadas+."ales estados terminales de equilibrio son, por de#inición, independientes del tiempo, y todo el aparato #ormal de la termodinámica todas las leyes y variables termodinámicas, se de#inen de tal modo que podr$a decirse que que un sist sistem ema a está está en equi equililibr brio io si sus sus prop propie ieda dade dess pued pueden en desc descri ribi birs rse e consistentemente empleando la teor$a termodinámica. 5 Los estados de equilibrio son necesariamente co)erentes con los contornos del sistema y las restricciones a las las que que est est& som sometid etido. o. or or medi medio o de los los cam cambios bios prod produc uciidos dos en est estas restricciones esto es, al retirar limitaciones tales como impedir la expansión del volu volume men n del del sist sistem ema, a, imped impedir ir el #lu #luo o de calo calorr, etc. etc./, /, el sist sistem ema a tend tenderá erá a
evolucionar de un estado de equilibrio a otro' 0 comparando ambos estados de equilibrio, la termodinámica permite estudiar los procesos de intercambio de masa y energ$a t&rmica entre sistemas t&rmicos di#erentes. %omo ciencia #enomenológica, la termodinámica no se ocupa de o#recer una interpretación #$sica de sus magnitudes. La primera de ellas, la energ$a interna, se acepta como una mani#estación macroscópica de las leyes de conservación de la energ$a a nivel microscópico, que permite caracterizar el estado energ&tico del sistema macroscópico. El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinámicas son los que postulan que la energ$a puede ser intercambiada entre sistemas en #orma de calor o trabao, y que sólo puede )acerse de una determinada manera. "ambi&n se introduce una magnitud llamada entrop$a, que se de#ine como aquella #unción extensiva de la energ$a interna, el volumen y la composición molar que toma valores máximos en equilibrio: el principio de maximización de la entrop$a de#ine el sentido en el que el sistema evoluciona de un estado de equilibrio a otro. Es la mecánica estad$stica, $ntimamente relacionada con la termodinámica, la que o#rece una interpretación #$sica de ambas magnitudes: la energ$a interna se identi#ica con la suma de las energ$as individuales de los átomos y mol&culas del sistema, y la entrop$a mide el grado de orden y el estado dinámico de los sistemas, y tiene una conexión muy #uerte con la teor$a de in#ormación. En la termodinámica se estudian y clasi#ican las interacciones entre diversos sistemas, lo que lleva a de#inir conceptos como sistema termodinámico y su contorno. 1n sistema termodinámico se caracteriza por sus propiedades, relacionadas entre s$ mediante las ecuaciones de estado. 2stas se pueden combinar para expresar la energ$a interna y los potenciales termodinámicos, (tiles para determinar las condiciones de equilibrio entre sistemas y los procesos espontáneos. %on estas )erramientas, la termodinámica describe cómo los sistemas responden a los cambios en su entorno. Esto se puede aplicar a una amplia variedad de ramas de la ciencia y de la ingenier$a, tales como motores, cambios de #ase,reacciones qu$micas, #enómenos de transporte, e incluso agueros negros.
Principio cero de la termodinámica
Este principio o ley cero, establece que existe una determinada propiedad denominada temperatura emp$rica 3, que es com(n para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.
En palabras llanas: *!i pones en contacto un obeto con menor temperatura con otro con mayor temperatura, ambos evolucionan )asta que sus temperaturas se igualan+. "iene una gran importancia experimental *pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema+ pero no resulta tan importante en el marco teórico de la termodinámica. El equilibrio termodinámico de un sistema se de#ine como la condición del mismo en el cual las variables emp$ricas usadas para de#inir o dar a conocer un estado del sistema presión, volumen, campo el&ctrico, polarización, magnetización, tensión lineal, tensión super#icial, coordenadas en el plano x, y/ no son dependientes del tiempo. El tiempo es un parámetro cin&tico, asociado a nivel microscópico' el cual a su vez está dentro de la #$sico qu$mica y no es parámetro debido a que a la termodinámica solo le interesa trabaar con un tiempo inicial y otro #inal. A dic)as variables emp$ricas experimentales/ de un sistema se las conoce como coordenadas t&rmicas y dinámicas del sistema. Este principio #undamental, a(n siendo ampliamente aceptado, no #ue #ormulado #ormalmente )asta despu&s de )aberse enunciado las otras tres leyes. 4e a)$ que recibiese el nombre de principio cero.
Primera ley de la termodinámica
"ambi&n conocida como principio de conservación de la energ$a para la termodinámica, establece que si se realiza trabao sobre un sistema o bien &ste intercambia calor con otro, la energ$a interna del sistema cambiará. 5isto de otra #orma, esta ley permite de#inir el calor como la energ$a necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las di#erencias entre trabao y energ$a interna. 6ue propuesta por 7icolas L&onard !adi %arnot en 809, en su obra ;e#lexiones sobre la potencia motriz del #uego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de la termodinámica. Esta obra #ue incomprendida por los cient$#icos de su &poca, y más tarde #ue utilizada por ;udol# %lausius y Lord
=ue aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la #orma:
4onde 1 es la energ$a interna del sistema aislado/, = es la cantidad de calor aportado al sistema y > es el trabao realizado por el sistema. Esta (ltima expresión es igual de #recuente encontrarla en la #orma ?1 @ = >. Ambas expresiones, aparentemente contradictorias, son correctas y su di#erencia está en que se aplique el convenio de signos B1A% o el "radicional v&ase criterio de signos termodinámico/. Segunda ley de la termodinámica
Esta ley marca la dirección en la que deben llevarse a cabo losprocesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario por eemplo, que una manc)a de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeCo volumen/. "ambi&n establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energ$a de un tipo en otro sin p&rdidas. 4e esta #orma, la segunda ley impone restricciones para las trans#erencias de energ$a que )ipot&ticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el primer principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud #$sica llamadaentrop$a, de tal manera que, para un sistema aislado que no intercambia materia ni energ$a con su entorno/, la variación de la entrop$a siempre debe ser mayor que cero. 4ebido a esta ley tambi&n se tiene que el #luo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura )acia los de menor temperatura, )asta lograr un equilibrio t&rmico.
Tercera ley de la termodinámica Algunas #uentes se re#ieren incorrectamente al postulado de 7ernst como Dla tercera de las leyes de la termodinámicaD. Es importante reconocer que no es una noción exigida por la termodinámica clásica por lo que resulta inapropiado tratarlo de *ley+, siendo incluso inconsistente con la mecánica estad$stica clásica y necesitando el establecimiento previo de la estad$stica cuántica para ser valorado adecuadamente. La mayor parte de la termodinámica no requiere la utilización de este postulado.8 El postulado de 7ernst, llamado as$ por ser propuesto por >alt)er 7ernst, a#irma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero
absoluto mediante un n(mero #inito de procesos #$sicos. uede #ormularse tambi&n como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entrop$a tiende a un valor constante espec$#ico. La entrop$a de los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bao temperaturas iguales al cero absoluto. Es importante remarcar que los principios o leyes de la termodinámica son válidas siempre para los sistemas macroscópicos, pero inaplicables a nivel microscópico. La idea del demonio de FaxGell ayuda a comprender los l$mites de la segunda ley de la termodinámica ugando con las propiedades microscópicas de las part$culas que componen un gas.
MATERIALES: -H8
vaso de precipitado de 8L.
-H8 temometro. -"ermostato. -H8 congelador. -H8 cubetera para )ielo -H8 %ronometro. -Agua #ria y caliente. -Iielo -%olorante. -Iielo colorado.
PROCEDIMIENTO:
-Preparar los cubos de hielo con un colorante. -Preparan un vaso de precipitado de agua fría a 10°C. Tomar la temperatura del agua para compararla con la temperatura final. -Preparar el cronometro e introducir el primer cubo de hielo colorado en el agua. -Medir el tiempo que tarda el hielo colorado en disolverse. -epetir los pasos para agua a temperatura de !0°C " #$°C.
CONCLUSIONES:
%e puede concluir lo siguiente de cada una de las le"es& 'e" cero de la Termodin(mica& se pudo ver que al ingresar el hielo en el agua) ambos sistemas intentaban llegar a un equilibrio termodin(mico) no solo ente ellos) sino que tambi*n con un tercer sistema que era el aire. Primera le" de la Termodin(mica& +l poner el hielo en el agua) el agua cedi, calor al hielo para poder alcanar el equilibrio termodin(mico) por lo tanto la temperatura del agua bao) pero la cantidad de calor no cambio) sino que se distribu"o. %egunda le" de la Termodin(mica& se puede ver claramente que el hielo recibe calor del agua) aumenta su temperatura " cambia a estado liquido. +quí comiena a liberar colorante. Tercera le" de la Termodin(mica& para poder alcanar una temperatura igual al cero absoluto se necesitaría un sistema que tuviera una temperatura menor a este) lo cual es imposible. Pero en este caso la masa inicial de agua tiene menor entropía que la masa final de agua) demostrando eta tercera le" de la termodin(mica.
