equivalente Electrico

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA AREA DE FISICA

LABORATORIO DE FISICA 102 EXPERIMENTO Nº 8 EQUIVALENTE ELECTRICO

UNIVERSITARIO: Aliaga

Sillo Alvaro

CARRERA:

Ingeniería Mecánica

DOCENTE:

Ing. René Vásquez Tambo

GRUPO:

“G”

AUXILIAR: Agramont

Morales Isabel

FECHA DE REALIZACION: 21

FECHA DE ENTREGA:

de abril de 2010

28 de abril de 2010

ABRIL DEL 2010

FAC. DE INGENIERIA – UMSA

LABORATORIO DE FISICA 102

CONTENIDO

EQUIVALENTE ELECTRICO

Pg.

1. OBJETIVOS DE LA PRACTICA

5

2. JUSTIFICACION

5

3. HIPOTESIS

5

4. VARIABLES

5

5. LIMITES Y ALCANCES

5

6. MARCO TEORICO

5

7. EQUIPOS Y MATERIALES

9

8. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

9

9. ANALISIS Y TRATAMIENTO DE DATOS

9

10. GRAFICAS

10

11. CUESTIONARIO

11

12. CONCLUSIONES

11

13. BIBLIOGRAFIA

12

14. ANEXOS

12

2 UNIV. ALVARO ALIAGA SILLO


Tenemos como objetivos   

 



RESUMEN EJECUTIVO

Encontrar el equivalente eléctrico J. Empleo del método de mezclas para determinar la capacidad calorífica del calorímetro. Empleo de la Ley de enfriamiento de Newton para determinar la temperatura final T¡ de la condición ideal. Validar al proceso de calentamiento como lineal. Validar al proceso de enfriamiento como exponencial.

JUSTIFICACION: Para poder verificar la el valor de calorías a joules, de manera que se logre conseguir el factor de conversión de calor a energía, también se determinara la capacidad calorífica del calorímetro, a través del método de las mezclas. MARCO TEORICO En la figura 1 se muestra el experimento original empleado por Joule en el intervalo de 1843 a 1878, para demostrar que cada vez que una cantidad dada de energía mecánica se transformaba en calor se obtenía siempre la misma cantidad de éste, quedando establecida la equivalencia del calor y el trabajo como dos formas de energía. Aunque esto puede parecer bastante obvio hoy en día, en ese entonces, la disciplina que estudiaba el calor, estaba totalmente distanciada de aquella que estudiaba la física de Newton, entonces el mérito de este experimento radica en la fusión o integración de dos sistemas de conocimiento. Debido a la dificultad en el aspecto constructivo y de operación en el empleo de una réplica del equipo original usado por Joule, en el presente experimento se comprobará, la equivalencia de energía calorífica con energía eléctrica. Para la determinación de la capacidad calorífica del calorímetro, se hará uso del método de las mezclas, y a fin de corregir las pérdidas de calor se empleará la Ley de enfriamiento de Newton. Aunque el Sistema Internacional (SI), reconoce al Joule [1] como única unidad de la energía, es común todavía el uso de otras unidades como la [cal], el [Btu] entre otros para cuantificar la cantidad de calor. Así pues: 1[cal] = 4,186[J]. Al dividir la magnitud energía entre el tiempo se obtiene la potencia según: 

P =  del SI, para la determinación de la energía eléctrica.   ̇ =  empleada en calorimetría y determinación de energía calorífica.

ENERGÍA ELÉCTRICA" E"





La potencia disipada por una resistencia eléctrica R que es alimentada por una fuente de voltaje V, está dada por: p=

 

(1) ó

 

E=

  

(2),

donde:

V: voltaje medido por un voltímetro en [V] (voltios) R: resistencia medida con un multímetro en [Q] (ohmios) E: energía disipada en [1] por R en el tiempo t Una resistencia de calefactor convierte toda la potencia en calor, si se usara un foco en cambio, parte de ella se convierte en radiación del espectro visible.

CONCLUSIONES Se llego a la conclusión de que el equivalente eléctrico es muy verídico, este se calculo de manera muy exitosa a través del cálculo de la capacidad calorífica del calorímetro por medio del método de las mezclas. Se valido el proceso de calentamiento lineal y enfriamiento exponencial, con porcentaje de error muy bajo. T = 28.8 +0.0112t

45

40

35

30

25

20

X 15 50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600





DETERMINACION DE GAMMA DEL AIRE 1. OBJETIVOS   

 

Encontrar el equivalente eléctrico J. Empleo del método de mezclas para determinar la capacidad calorífica del calorímetro. Empleo de la Ley de enfriamiento de Newton para determinar la temperatura final T¡ de la condición ideal. Validar al proceso de calentamiento como lineal. Validar al proceso de enfriamiento como exponencial.

2. JUSTIFICACION: Para poder verificar la el valor de calorías a joules, de manera que se logre conseguir el factor de conversión de calor a energía, también se determinara la capacidad calorífica del calorímetro, a través del método de las mezclas. 3. HIPOTESIS: VALIDACION DE LA ECUACION DE CALENTAMIENTO T = TI + b·t, como T i y b son arbitraios, se realizara prueba de linealidad “r” (coeficiente de correlacion) Hipótesis nula HO : Hipótesis alternativa H1 :

r = O (No hay correlación lineal) r ≠O Bilateral o de dos colas

V ALIDACIÓN DE LA LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON Lineal izando la ecuación (13): ln(T - Ta) = ln(Tr - Ta)- K . t (también puede usarse un papel semilog) Podemos escribir: Y = A - K . t haciendo: Y = In(T - Ta), A = In(Tf - Ta), K es la pendiente. Nuevamente A y K son arbitrarios, luego se realizará prueba de linealidad "r" (coeficiente de correlación).

4. VARIABLES: Las variables a tomar son: V : voltaje medido (V) R: resistencia (Ω)

E: Energia disipada (J) Cc; capacidad calorífica m» : masa de agua a calentarse en el calorímetro CA : calor específico del agua 5 UNIV. ALVARO ALIAGA SILLO




Ti : temperatura al inicio del experimento t = O Tf : temperatura final (al desconectar la resistencia eléctrica).

5. LIMITES Y ALCANCES La limitación fue que el proceso de las mezclas demoraba demasiado, por ende el de enfriamiento lo propio, también que la cantidad de voltaje que se le suministraba era muy pequeño lo cual produjo la demora. 6. MARCO TEORICO En la figura 1 se muestra el experimento original empleado por Joule en el intervalo de 1843 a 1878, para demostrar que cada vez que una cantidad dada de energía mecánica se transformaba en calor se obtenía siempre la misma cantidad de éste, quedando establecida la equivalencia del calor y el trabajo como dos formas de energía. Aunque esto puede parecer bastante obvio hoy en día, en ese entonces, la disciplina que estudiaba el calor, estaba totalmente distanciada de aquella que estudiaba la física de Newton, entonces el mérito de este experimento radica en la fusión o integración de dos sistemas de conocimiento. Debido a la dificultad en el aspecto constructivo y de operación en el empleo de una réplica del equipo original usado por Joule, en el presente experimento se comprobará, la equivalencia de energía calorífica con energía eléctrica. Para la determinación de la capacidad calorífica del calorímetro, se hará uso del método de las mezclas, y a fin de corregir las pérdidas de calor se empleará la Ley de enfriamiento de Newton. Aunque el Sistema Internacional (SI), reconoce al Joule [1] como única unidad de la energía, es común todavía el uso de otras unidades como la [cal], el [Btu] entre otros para cuantificar la cantidad de calor. Así pues: 1[cal] = 4,186[J]. Al dividir la magnitud energía entre el tiempo se obtiene la potencia según:  

P = del SI, para la determinación de la energía eléctrica.   ̇ =  empleada en calorimetria y determinación de energía calorífica.

ENERGÍA ELÉCTRICA" E" La potencia disipada por una resistencia eléctrica R que es alimentada por una fuente de voltaje V, está dada por: 

p= 

(1) ó



E =    

(2),

donde:





V : voltaje medido por un voltímetro en [V] (voltios) R: resistencia medida con un multímetro en [Q] (ohmios) E: energía disipada en [1] por R en el tiempo t Una resistencia de calefactor convierte toda la potencia en calor, si se usara un foco en cambio, parte de ella se convierte en radiación del espectro visible. Q = Qc + QA

(3), donde:

Q es el calor disipado por la resistencia eléctrica, Qc es el calor que gana el calorímetro en su conjunto y QA calor que gana el agua contenida en el calorímetro. Por calorirnetria se tiene: Qc = Cc·(Tf -Yi) (4) y QA= mA·cA·(Tf -Yi)

(5),

al reemplazar (4) Y (5) en (3) se obtiene: Q=(Cc +», .cJ.(Tl-Y¡)

(6) donde:

Cc : capacidad calorífica del calorímetro (incluido el termómetro, la resistencia eléctrica y el agitador) m» : masa de agua a calentarse en el calorímetro CA : calor específico del agua Ti: temperatura al inicio del experimento t = O TF: temperatura final (al desconectar la resistencia eléctrica). EL EQUIVALENTE ELÉCTRICO "J"  

Si llamamos J al equivalente tenemos: J = (7), al reemplazar (2) y (6) en (7), queda:

En la ecuación (8), el V se mide con voltímetro (como se ve en la figura 2), la R con multímetro, m,1 indirectamente con una balanza, el CA se puede adoptar de tablas, lo el tiempo cronometrado para elevar la temperatura de Ti a Tf a registrarse con un termómetro u otro instrumento de medida de temperatura. Entonces falta la determinación del valor de Cc, y finalmente corregir el valor de T/debido a las pérdidas de calor. DETERMINACIÓN DE Cc





Se empleará el método de las mezclas para determinar la capacidad calorífica "Cc" del calorímetro en su conjunto. El mismo consiste en verter agua a temperatura T 2 al calorímetro conteniendo también cierta cantidad de agua, pero a TI, tal que T2 > TI. Consecuentemente: Calor ganado por el calorímetro y el agua contenida en él: Q 1 = (Cc + m 1 . CA)· (Teq – T1)

(9)

Calor cedido por el agua a mayor temperatura Q 2 = m2 • C A . (T eq – T2 )

(lO)

La temperatura de equilibrio" Teq " se consigue luego que las dos porciones de agua se mezclan bien e intercambian calor hasta llegar al equilibrio térmico Q 1= -Q 2 (11) Q 1 con signo positivo porque ese sistema gana calor. Q 2 con signo negativo porque ese sistema pierde calor. Al reemplazar (9) y (10) en (11) queda:

 

               

LAS PÉRDIDAS DE CALOR Aunque el calorímetro a emplearse en laboratorio está aislado térmicamente, el mismo presentará pérdida de calor debido a que su temperatura es mayor que la del ambiente "To". Este proceso involucra radiación, conducción y convección. La estimación de este flujo calorífico es bastante difícil por el número de variables que intervienen y sobre todo, porque la temperatura del calorímetro es variable en el proceso que se calienta con la resistencia eléctrica. La figura 5 muestra la evolución de los procesos: Ideal: Sin pérdidas de calor Experimental: Con pérdidas de calor Entonces la temperatura máxima obtenida en el experimento "Tmax" no es la misma que la que se obtendría idealmente "Tf '" que es el valor que se emplea en los cálculos. DESCRIPCIÓN DE LOS PROCESOS DEL EXPERIMENTO (figura 5) Transición 1: Al enchufar la resistencia eléctrica a la fuente, la temperatura de ésta no subirá inmediatamente, le tomará algún tiempo antes de que ésta sea capaz de generar calor. Este proceso NO será considerado en la toma de datos, por ello, el cero del cronómetro se sincronizará





con el instante en que la temperatura empieza realmente a incrementarse. Para la condición ideal, se supone que el cero coincidirá exactamente con el instante de enchufado. Calentamiento: Se emplea energía eléctrica con el sistema: fuente de voltaje - resistencia eléctrica, para convertir la misma en su EQUIVALENTE calor, que se aprovecha para elevar la temperatura del agua contenida en el calorímetro. Si el calorímetro fuera perfectamente aislado, se seguiría la trayectoria ideal, mas si se presentan pérdidas de calor, entonces la trayectoria será la experimental, como se muestra en la figura 5. Transición 2: Cuando se desconecta la fem o fuente de poder; la resistencia se mantendrá por algún tiempo a una mayor temperatura que la del agua debido a su masa y calor específico, más conocida como masa térmica, por lo tanto seguirá brindando calor al agua subiendo algo más su temperatura. En condiciones ideales no se presenta esta etapa, porque se supone que al apagar la fuente de voltaje, la resistencia dejará instantáneamente de seguir brindando calor. NO se tomaran datos en esta etapa de transición. Enfriamiento: Para una condición ideal, en que el calorímetro está perfectamente aislado, la temperatura final no se modificará en el tiempo. Sin embargo, experimentalmente es más probable encontrar que la temperatura disminuya debido a que el ambiente está a menor temperatura que el calorímetro. El análisis de este proceso es vital para conocer en que medida el calorímetro está adecuadamente aislado. NOT A: En el presente experimento es muy ilustrativo apreciar el efecto de la masa térmica, en este caso de la resistencia eléctrica, pues al ser ésta grande especialmente por su masa, tardará en calentarse una vez que ha sido enchufada a la fuente para proporcionar calor al agua del calorímetro y así elevar su temperatura: transición 1, así como también tardará en enfriarse una vez que ésta ha sido desconectada de la fuente: transición 2. Si la resistencia fuera de hilo delgado (poca masa térmica), los procesos de transición l y 2 sería prácticamente despreciables, pero en contraposición estas resistencias son de corta duración y muy sensibles a sobrecorrientes.





7. EQUIPOS Y MATERIALES.          

Calorímetro con aislamiento térmico. Agitador. Resistencia eléctrica. Termómetro u otro instrumento de medida de temperatura. Agua Fuente de alimentación eléctrica para la resistencia. Milímetro Cronómetro. Conjunto hornilla - recipiente (calentamiento de agua para método de las mezclas). Balanza. Tinta negra para echar al agua en caso de que se emplee un foco como fuente de calentamiento. Así se evita pérdida de calor por radiación, por la luz que sale al exterior del calorímetro.

8. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL PROCEDIMIENTO DEL MÉTODO DE LAS MEZCLAS (Determinación de Cc) 1. Pesar el calorímetro aun sin agua pero incluidos la resistencia, el agitador y el termómetro. 2. Verter agua hasta aproximadamente la mitad de la capacidad del calorímetro. 3. Pesar el calorímetro en esta condición (con el agua agregada), para obtener indirectamente mi. 4. Esperar un momento para asegurar que el sistema está en equilibrio térmico (a una sola temperatura). 5. Medir la temperatura de equilibrio térmico inicial T 1. 6. Calentar agua en el conjunto hornilla - recipiente a una temperatura poco inferior a la temperatura de ebullición. 7. Medir la temperatura de la misma T2 y verter al calorímetro hasta casi llenarlo. 8. Usar el agitador para asegurar buena mezcla que favorezca el equilibrio térmico. 10 UNIV. ALVARO ALIAGA SILLO




9. Medir permanentemente la temperatura hasta encontrar que ésta se estabiliza y registrar la Teq. 10. Pesar nuevamente el calorímetro con la mezcla de agua, de la resta de este valor con el obtenido en el paso 3, se obtiene m2. PROCESO DE CALE T AMIENTO (Determinación de J). 1. Verter agua a temperatura ambiente en el calorímetro hasta casi llenarlo y acomode adecuadamente los accesorios en su interior (resistencia eléctrica, agitador y termómetro). 2. Pesar el sistema (calorímetro cori. agua) para calcular mA. 3. Medir con el milímetro el valor de la resistencia RI 4. Enchufar la fuente de alimentación y probar con un voltímetro la salida de voltaje y su regulación, luego de familiarizarse con este equipo, consultar al docente el voltaje apropiado a usarse. 5. Apagar momentáneamente el equipo. 6. Conectar la resistencia a la fuente de alimentación. 7. Conectar el voltímetro en paralelo a la resistencia (figura 2), solicitar apoyo del docente. 8. Verificar durante un lapso de tiempo que la temperatura se ha estabilizado en Ti. 9. Encender el equipo para suministrar energía eléctrica a la resistencia R y simultáneamente iniciar el cronómetro en t = O. 10. Medir la temperatura cada 30 segundos durante el tiempo que tome calentar el agua a aproximadamente 55°C. 11. Registrar el voltaje V indicado por el voltímetro y verificar si éste se mantiene constante en el proceso de calentamiento. 12. Cortar el suministro de energía eléctrica cuando está alrededor de los 55°C y registre este valor como Tmax registrar el tiempo acumulado como te, y continuar midiendo la temperatura cada 60 segundos de modo de obtener datos para la curva de enfriamiento. 13. Volver a medir el valor de la resistencia R2, pues R =(R1+R2) /2 .

9. ANÁLISIS Y TRATAMIENTO DE DATOS 1. Aplique la ecuación (12) para la determinación de Cc,

   

               

 = 36.43cal 





2. Realice la gráfica de T vs t correspondientes al "proceso de calentamiento". T = 28.8 +0.0112t

45

40

35

30

25

20

X 15 50

100

150

200

250

Regresión lineal en la forma: y = a + b . x modo que:

300

350

ó

400

450

500

550

600

T = Ti + b·t, con n medidas, de

T = 28.8+0.0112t r = 0.9906

6. Para hallar "K" Graficar la "curva de enfriamiento" en cualquiera de las siguientes formas: a) Escala normal: La curva tendrá la forma: T = Tmáx , K se encuentra con regresión exponencial T = 46.1· k = -2.27 12 UNIV. ALVARO ALIAGA SILLO




7. Determinación de la temperatura final corregida T f 8. Haciendo uso de la ecuación (17): T f = Ta + b . t0 .  , donde: Tf = 21 + 0.0112 . 25 .  = Tmáx Ta :

es la temperatura ambiente o de inicio

b:

es la pendiente de la curva de calentamiento calculada en el paso 4.

to : alimentación K:

tiempo que dura el proceso de calentamiento con la resistencia conectada a la

Constante hallada en el paso 6 .

Si realizó adecuadamente los cálculos, obtendrá que Tf ≥ se puede comprobar que: Tf = máx

max

el calorímetro no presenta pérdidas,

9. Determinación del equivalente con la ecuación (8):  

J =       = 4.56 [J]      VALIDACIÓN DE LA HIPÓTESIS

DE LINEALlDAD (Para procesos de calentamiento y enfriamiento de acuerdo a lo explicado en la formulación) El estadístico de Student: t calc. =

√  √ 

Que tiene distribución l de Student con n-2 grados de libertad, donde n es el tamaño de la muestra y r el coeficiente de correlación muestra, puede utilizarse para probar la hipótesis nula Ho: r = O Con un nivel de significancia ∝/2 = 0,005 para dos colas (∝/2), buscar en tabla t(n - 2, ∝/2) Regla de decisión: Rechazar  si | | ≥  ∝ 

Para el calentamiento tcalc =

√  =35.6 √ 

 ∝=2.797 

| | ≥  ∝ 

Para el enfriamiento tcalc =

√  =36.20 √ 

 ∝=2.060 





| | ≥  ∝ 

10. GRAFICAS

11. CUESTIONARIO 1. ¿Si en la ecuación de enfriamiento: T =        , hacemos K = 1/τ la ecuación queda como: T =        , donde τ se conoce como la constante de tiempo. ¿Qué interpretación da usted a esta constante? Esta constante se convierte en la pendiente de la curva donde esta constante nos da la reciproca de la resistencia. 2. Si se empleara un foco en vez de una resistencia, se recomienda mezclar el agua con tinta negra y usar un recipiente de color blanco, ¿A qué se debe ello? A que el color ayuda a aumentar la conductividad en el recipiente de este manera se llegará a realizar de manera exitosa el cálculo del equivalente eléctrico. 3. El método empleado en este experimento podría servir para encontrar el rendimiento de un foco (relación de energía eléctrica convertida en luz y no en calor), ¿qué cálculos podría





realizar? Por qué cree que la Ley de enfriamiento de Newton, solo tiene validez para diferencias de temperatura pequeñas? Porque al realizar variaciones de temperaturas muy grandes esto amplifica el porcentaje de error y esto produciría demasiado error, lo cual se descarta de manera que los cálculos no sean erróneos. 4. La Ley de enfriamiento de Newton se emplea en la ciencia forense para determinar la hora de la muerte de un cadáver que todavía está en proceso de enfriamiento, explique ¿qué mediciones debe tomar para ello? Estas mediciones serian encontrar la temperatura final la masa el capacidad calorífica del determinado cadáver, esto además de que se debe conseguir otros datos. 5. Explique, ¿en función de qué variables se determina el voltaje de alimentación para la resistencia? El voltaje de de alimentación tiene como funciones a la resistencia y la intensidad. 6. La calidad de regulación de una fuente de alimentación de energía eléctrica se evalúa de acuerdo a su capacidad de mantener la diferencia de potencial entre sus terminales en [V] constante ante variaciones de la carga. Comente estas características de la fuente usada en laboratorio. Diferencia de potencial, también llamada tensión eléctrica, es el trabajo necesario para desplazar una carga positiva unidad de un punto a otro en el interior de un campo eléctrico; en realidad se habla de diferencia de potencial entre ambos puntos (VA - VB). La unidad de diferencia de potencial es el voltio (V). Véase Electricidad. 7. Explique en qué medida influye la magnitud del calor específico y masa de la resistencia eléctrica a emplearse en el experimento? Influye demasiado porque este amplia el tiempo de calentamiento y enfriamiento en vista de que el recipiente solo puede soportar un muy bajo voltaje, asi debemos de tratar de que este no sea muy grande. 8. Calcule en qué tiempo, la temperatura del calorímetro se aproximará a la del ambiente suponiendo que esta última se mantiene constante. ¿Está el calorímetro bien aislado térmicamente? No porque este si desprende un muy bajo porcentaje de calor, porque solo el ideal no tiene desprendimiento de calor. 9. Será el tiempo de respuesta de un termómetro de mercurio adecuado para realizar este experimento? Si no se dispondría de instrumentos rápidos, ¿convendría aplicar bajo voltaje a la resistencia para hacer más lento al proceso?Es demasiado malo utilizar los termómetros ya que estos no muestran de manera muy detallada las variaciones que existen en el sistema. 10.¿Por qué se debe calcular la capacidad calorífica del calorímetro con todos sus accesorios? Sería recomendable retirar la resistencia del calorímetro en lo (final del proceso de calentamiento) para evitar que ésta siga calentando al agua?





Esto nos muestra la cantidad de masa para poder calcular la capacidad calorífica de manera muy exitosa y que no varié al introducir los otros materiales.

12. CONCLUSIONES Se llego a la conclusión de que el equivalente eléctrico es muy verídico, este se calculo de manera muy exitosa a través del cálculo de la capacidad calorífica del calorímetro por medio del método de las mezclas. Se valido el proceso de calentamiento lineal y enfriamiento exponencial, con porcentaje de error muy bajo. 13. BIBLIOGRAFÍA FEBO FLORES MENESES Guía de experimentos de física básica II 3º Edición (2009) ALFREDO ALVAREZ & EDUARDO HUAYTA Medidas y errores 3º Edición (2008) 14. ANEXOS Caloría, antigua unidad que sirve para medir las cantidades de calor. La caloría pequeña, o caloríagramo (cal), suele definirse en ciencia e ingeniería como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua de 14,5 a 15,5 °C. A veces se especifica otro intervalo de temperaturas. La definición más habitual en termoquímica es que 1 caloría es igual a 4,1840 julios (J). En ingeniería se emplea una caloría algo diferente, la caloría internacional, que equivale a 1/860 vatioshora (4,1868 J). Una caloría grande o kilocaloría (Cal), muchas veces denominada también caloría, es igual a 1.000 calorías-gramo, y se emplea en dietética para indicar el valor energético de los alimentos. Termodinámica, campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de la materia de los sistemas macroscópicos, así como sus intercambios energéticos. Los principios de la termodinámica tienen una importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniería. Un concepto esencial de la termodinámica es el de sistema macroscópico, que se define como un conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable. El estado de un sistema macroscópico se puede describir mediante propiedades medibles como la temperatura, la presión o el volumen, que se conocen como variables de estado. Es posible identificar y relacionar entre sí muchas otras variables termodinámicas (como la densidad, el calor específico, la compresibilidad o el coeficiente de dilatación), con lo que se obtiene una descripción más completa de un sistema y de su relación con el entorno. Todas estas 16 UNIV. ALVARO ALIAGA SILLO




variables se pueden clasificar en dos grandes grupos: las variables extensivas, que dependen de la cantidad de materia del sistema, y las variables intensivas, independientes de la cantidad de materia. Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinámico. Las leyes o principios de la termodinámica, descubiertos en el siglo XIX a través de meticulosos experimentos, determinan la naturaleza y los límites de todos los procesos termodinámicos. PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINÁMICA Frecuentemente, el lenguaje de las ciencias empíricas se apropia del vocabulario de la vida diaria. Así, aunque el término “temperatura” parece evidente para el sentido común, su significado adolece de la imprecisión del lenguaje no matemático. El llamado principio cero de la termodinámica, que se explica a continuación, proporciona una definición precisa, aunque empírica, de la temperatura. Cuando dos sistemas están en equilibrio mutuo, comparten una determinada propiedad. Esta propiedad se puede medir, y se le puede asignar un valor numérico definido. Una consecuencia de ese hecho es el principio cero de la termodinámica, que afirma que si dos sistemas distintos están en equilibrio termodinámico con un tercero, también tienen que estar en equilibrio entre sí. Esta propiedad compartida en el equilibrio es la temperatura. Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno infinito que se encuentra a una temperatura determinada, el sistema acabará alcanzando el equilibrio termodinámico con su entorno, es decir, llegará a tener la misma temperatura que éste. (El llamado entorno infinito es una abstracción matemática denominada depósito térmico; en realidad basta con que el entorno sea grande en relación con el sistema estudiado.) La temperatura se mide con dispositivos llamados termómetros. Un termómetro se construye a partir de una sustancia con estados fácilmente identificables y reproducibles, por ejemplo el agua pura y sus puntos de ebullición y congelación en condiciones normales. Si se traza una escala graduada entre dos de estos estados, la temperatura de cualquier sistema se puede determinar poniéndolo en contacto térmico con el termómetro, siempre que el sistema sea grande en relación con el termómetro. Calorimetría, ciencia que mide la cantidad de energía generada en procesos de intercambio de calor. 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, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro (que también puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Cuando la fuente de calor 17 UNIV. ALVARO ALIAGA SILLO




es un objeto caliente de temperatura conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose según se va enfriando el objeto. El calor latente, que no está relacionado con un cambio de temperatura, es la energía térmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa. Cuando la fuente de calor es una reacción química, como sucede al quemar un combustible, las sustancias reactivas se colocan en un envase de acero pesado llamado bomba. Esta bomba se introduce en el calorímetro y la reacción se provoca por ignición, con ayuda de una chispa eléctrica.


equivalente Electrico

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