UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO
TERMODINÁMICA DEMOSTRACIÓN DE LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA 1. OBJETIVO El obje objetiv tivo o prin princi cipa pall del del trab trabaj ajo o es alca alcanz nzar ar a compr compren ende derr las las leyes leyes de la termodinámica cualitativamente mediante el desarrollo, la construcción y la prueba de un experimento simple que permita estudiarlo y entenderlo.
2. INTR INTROD ODU UCCIÓN En el presente experimento se desarrollará y explicaran las cuatro principales leyes de la termod termodinám inámica, ica, median mediante te una serie serie de demost demostrac racion iones es y experim experimento entoss senc sencil illo loss
real realiz izad ados os en el labo labora rato tori rio o
util utiliz izan ando do elem elemen ento toss
acce accesi sibl bles es y
procedimientos simples. Las leyes de la termodinámica que se desarrollarán serán: -
Ley cero cero de la termo termodin dinámi ámica ca o princ principi ipio o del equil equilibr ibrio io termo termodin dinám ámico ico
-
Primera Primera ley de la termo termodin dinámi ámica ca o princi principio pio de de la conser conservac vación ión de de la ener ener!a !a
-
"eu "eund ndaa ley ley de la term termod odin inám ámic icaa
-
#ercer rceraa ley ley de de la term termod odin inám ámic icaa Para poder entender y realizar el experimento se debe $acer una introducción a las leyes de la termodinámica. La termo termodin dinámi ámica ca estudi estudiaa la ener ener!a !a y su trans% trans%orm ormació ación n entre entre sus distin distintas tas mani%estaciones como el calor y su capacidad para producir un trabajo.
La ley cero de la er!od"#$!"ca establece que si dos sistemas & y ' están en equilibrio termodinámico y ' está a su vez en equilibrio termodinámico con un tercer sistema (, entonces entonces & y ( se encuentran encuentran en equilibrio equilibrio termodinámico termodinámico.. Este principio %undamental se enuncio %ormalmente lueo de $aberse enunciado las otras tres leyes de la termodinámica, por eso se la llamó )ley cero*. tambi+ i+n n cono conoci cida da como como ley ley de la La %r"! %r"!er eraa ley ley de la er! er!od od"# "#$! $!"c "ca& a& tamb conservación de la ener!a enuncia que la ener!a es indestructible, siempre que desa desapa pare rece ce una una clas clasee de ener ener !a apar aparec ecee otra otra ul uliu iuss on /ay /ayer0. er0. /ás /ás espec!%icamente, la primera ley de la termodinámica establece que al variar la ener!a intema en un sistema cerrado se produce calor y trabajo. )La ener!a no se pierde, sino que se trans%orma*. dirección en que se llevan a cabo La 'e()#da ley de la er!od"#$!"ca& indica la dirección las trans%ormaciones ener+ticas. Ej %lujo espontáneo de calor siempre es unid unidir irec ecci cion onal al,, desd desdee los los cuer cuerpo poss de temp temper erat atur uraa más más alta alta a aque aquello lloss de temperatura más baja. En esta ley aparece el concepto de entrop!a, la cual se de%ine
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UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO como la manitud %!sica que mide la parte de la ener!a que no puede utilizarse para producir un trabajo. Esto es más %ácil de entender con el ejemplo de una máquina t+rmica1 donde una %uente de calor es usada para calentar una sustancia de trabajo vapor de aua0, provocando la expansión de la misma colocada dentro de un pistón a trav+s de una válvula La expansión mueve el pistón y por un mecanismo de acoplamiento adecuado, se obtiene trabajo mecánico. El trabajo se da por la di%erencia entre el calor %inal y el inicial. Es imposible la existencia de una máquina t+rmica que extraia calor de una %uente y lo convierta totalmente en trabajo, sin enviar nada a la %uente %r!a. La entrop!a de un sistema es tambi+n el rado de desorden del mismo. La seunda ley establece que en los procesos espontáneos la entrop!a a la lara tiende a aumentar. Los sistemas ordenados se desordenan espontáneamente, si se quiere restituir el orden oriinal $ay que realizar un trabajo sobre el sistema.
La ercera ley de la er!od"#$!"ca a%irma que es imposible alcanzar una temperatura iual al cero absoluto mediante un n2mero %inito de procesos %!sicos ya que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entrop!a tiende a un valor constante espec!%ico. & medida que el sistema se acerca al cero absoluto el intercambio calórico es cada vez menor $asta llear a ser casi nulo. 3a que el %lujo espontáneo de calor es unidireccional desde los cuerpos de temperatura más alta a los de temperatura más baja seunda le y0, ser!a necesario un cuerpo con menor temperatura que el cero absoluto y esto es imposible.
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*. MATERIALES INSTRUMENTOS Y REACTIVOS -
vaso de
- &ua %r!a y caliente -8ielo - (olorante arti%icial o tinta0 - 8ielo coloreado
precipitado de 4L de capacidad -
#ermómetro de -456( a 4456(
-
#ermostato o equipo de ba7o mar!a
-
(onelador o re%rierador
+ Cro#,!ero -. ROCEDIMIENTO -.* E/%er"!e#o co# a()a 0ra a 13C -
Preparar los cubos de $ielo con un colorante o tinta. 8ay que dejarlos en el %reezer alrededor de tres $oras para que queden sólidos.
-
Preparar un vaso de precipitado con aua %r!a a 456( aua $elada0 para la primera parte del experimento. #omar la temperatura del aua para compararla lueo con la temperatura %inal introduciendo el termómetro en el aua.
-
Preparar el cronómetro e introducir el primer cubo de $ielo coloreado en el aua. & los pocos seundos se pueden ver los primeros rasos de colorante pero al minuto y medio se observan l!neas de colorante en %orma de %lujo laminar descendiendo por un costado del vaso y el aua comienza a tomar color.
-
/edir el tiempo que tarda el $ielo coloreado en disolverse y observe el colorante en el aua, medir la temperatura %inal del experimento y la temperatura ambiente. ♣
° (:
Experimento a 45
T agua=T inicial=10 ℃ T mezcla =T final=9 ℃ T aguaambiente =19 ℃ Tiempo de disoluciondelagua
=
27 m 03 s
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9bservaciones:
&parece la seunda ley, el aua le trans%iere calor al $ielo, $aciendo que la temperatura de este aumente provocando el cambio de estado. El $ielo se disuelve en %orma espiral. La disolución del colorante $ielo0 se da de la parte in%erior del $ielo, a medida que va avanzando $acia la parte superior.
-.1.E/%er"!e#o co# a()a "4"a a 253C - ealizar el mismo procedimiento que el paso anterior. &l introducir el $ielo el colorante empieza a bajar casi instantáneamente, pero esta vez en %orma de %lujo turbulento, lleará $asta el %ondo del vaso y comenzará a di%undirse por los laterales. &l minuto de iniciado el experimento todo el vaso estará coloreado y se puede ver el colorante bajando velozmente por la di%erencia de temperaturas. -
/edir la temperatura %inal del experimento y el tiempo %inal que tarda en disolverse el $ielo coloreado y el color en todo el aua.
♣
Experimento a ;5 ° ( : T agua=T inicial=28 ℃ T mezcla =T final= 21 ℃ T aguaambiente =19 ℃ Tiempode disolucion delagua= 4 m 11 s
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•
•
•
"e pudo
9bservaciones: comprobar que el
colorante
empieza a bajar
casi
instantáneamente,
pero esta vez
en %orma de %lujo
turbulento. La disolución
se desplaza al
%ondo en
%orma de
rami%icaciones lleada la
disolución al
%ondo del vaso se
pudo observar
que el color se va
di%undiendo por los costados del vaso.
4.3. Experimento con agua en u punto !e e"u##ici$n ealizar el mismo procedimiento que el primer experimento. &l introducir el $ielo coloreado en el aua $ervida, el intercambio de calor es más brusco, el colorante descenderá en %orma de %lujo turbulento por el costado del vaso y se di%undirá más rápidamente. En este experimento el aua pierde más calor que en el experimento 4 o =, por esto, la di%erencia de temperatura es mayor entre la temperatura inicial y la %inal -
/edir la temperatura %inal del experimento y el tiempo en que el $ielo coloreado se disuelve y ver el colorante di%undido uni%ormemente en todo el vaso.
♣
Experimento a T ebullicion=89
T agua=T inicial=89 ℃ T mezcla =T final= 80 ℃ T aguaambiente =19 ℃ Tiempode disolucion delagua=52 s
° (0 :
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• • • •
9bservaciones:
El intercambio de calor es más intenso. El colorante se di%unde rápidamente. El colorante se mezcla $omo+neamente en todo el contenido del recipiente. "e pudo comprobar que le aua pierde más calor que en los experimentos anteriores.
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6. CONCLUSIONES
"e pudo observar en el experimento a
10 ℃
la temperatura del aua
aumento un poco debido a la temperatura del aire.
&l poner el $ielo en el aua, el aua cedió calor al $ielo para alcanzar el equilibrio termodinámico, por lo tanto, la temperatura del aua bajo1 pero la cantidad de calor no cambio, sino que se distribuyó.
"i tomamos la entrop!a como rado de desorden podemos decir que : en el experimento a
10 ℃
el colorante no se diluyo rápidamente, en el
experimento a
30 ℃
el colorante se diluyo, pero no de %orma inmediata1
pero en el experimento a
89 ℃
, el colorante %ormo una mezcla $omo+nea
de %orma inmediata.
La entrop!a mayor desarrollada %ue en el experimento a part!culas alcanzaron el rado máximo de desorden.
89 ℃
, ya sus
