Practica 3 Ley Cero de La Termodinamica

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES PLANTEL ARAGON. INGENIERÍA MECÁNICA. LABORATORIO DE TERMODINAMICA. PROFESOR: ING. ALEJANDRO RODRIGUEZ LORENZANA ALUMNOS: ZARATE SANTIAGO ENRIQUE Y GARCÍA SALTOS LUIS OSCAR GRUPO: JUEVES DE 5:30 A 7:00 No Y NOMBRE DE LA PRÁCTICA: 3._ LEY CERO DE LA TERMODINAMICA FECHA DE REALIZACION: 22 DE SEPTIEMBRE DEL 2011. FECHA DE ENTREGA: 29 DE SEPTIEMBRE DEL 2011. 1

[LEY CERO DE LA TERMODINAMICA] TERMODINAMICA]

27 de septiembre de 2011

OBJETIVO:

3

ACTIVIDADES:

MATERIAL Y/O EQUIPO:

3

SUSTANCIAS:

4

ASPECTOS TEÓRICOS:

DESARROLLO DE LA PRÁCTICA:

5

TABLA DE LECTURAS:

10

MEMORIA DE CALCULOS:

11

TABLA DE RESULTADOS:

15

BIBLIOGRAFÍA:

15

CUESTIONARIO:

16

-EL HOMBRE QUE HA PERDIDO LA FACULTAD DE MARAVILLARSE ES COMO UN HOMBRE MUERTO

2



No DE PRÁCTICA: 2 NOMBRE DE LA PRÁCTICA: “

OBJETIVO: Demostrar la ley cero de la termodinámica. Cuantificar la cantidad de 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 eq uilibrio a). Teóricamente b). Experimentalmente Experimentalmente 4. determinar la validez del modelo matemático.

MATERIAL Y/O EQUIPO: 

1 vaso de precipitado de 2000 ml.  1 probeta de 500 ml.  1 matraz de 250 ml.  1 tapón bihoradado para el matraz (con dos perforaciones). perforaciones).  2 termómetros de 100 ℃.  1 parrilla eléctrica.  1 calorímetro. -EL HOMBRE QUE HA PERDIDO LA FACULTAD DE MARAVILLARSE ES COMO UN HOMBRE MUERTO

3

[LEY CERO DE LA TERMODINAMICA] TERMODINAMICA]     


1 cronometro. 1 Balanza granataría. 1 guantes de asbesto. 1 pesa de 1000gr. 1 pinzas de sujeción.

SUSTANCIAS: Agua.

ASPECTOS TERORICOS: EQUILIBRIO TERMODINAMICO: Cuando en 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, termodinámico, es decir ambos sistemas tendrán la misma temperatura. Si los sistemas están formados por diferentes sustancias o diferentes porciones de ellas, no contendrá la misma cantidad de energía aunque estas alcancen el equilibrio térmico.

LEY CERO DE TERMODINAMICA: Esta ley nos explica que cuándo un sistema se pone en contacto con otro al transcurrir el tiempo la temperatura será la misma, porque se encontrara en equilibrio térmico. Otra forma de expresar esta ley es la siguiente.

“La temperatura es una propiedad que posee cualquier sistema termodinámico y existirá en equilibrio térmico entre dos sistemas cualesquiera, si su temperatura es la misma”


4



DESARROLLO: ACTIVIDAD I: DEMOSTRACION DE LA LEY CERO DE LA TERMODINAMICA Demostración de la ley cero de la termodinámica. 1. Calibrar la balanza. 2. Medir la masa del matraz. Anotar su valor en la tabla 3.1A 3. Con la probeta medir 250 ml. de agua y verterlo en el matraz, medir su masa. Anotar su valor en la tabla 3.1A. 4. Colocar el tapón bihoradado con el termómetro en la boca del matraz. 5. Medir la masa del calorímetro. Anotarla en la tabla 3.1A. 6. 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 la temperatura alcance los 60 ℃, esta se considera como temperatura inicial del agua caliente ( T1 ). 9. Verter con la probeta 250 ml. de agua en el calorímetro. 10.Medir 10. Medir la masa del agua contenida en el calorímetro. Anotarla en la tabla 3.1A. 11.Medir 11. Medir la masa, colocar el calorímetro dentro del vaso de precipitado de 2000 ml. 12.Colocar 12.Colocar uno de los termómetros dentro del calorímetro para medir su temperatura inicial del agua fría ( T1 f ). Anotar su valor en la tabla 3.1.1A. 13.Desconectar 13. Desconectar la parrilla del subministro eléctrico. 14.Con 14. Con ayuda de las pinzas y con el guante de asbesto puesto, introducir el matraz dentro del calorímetro, en este momento, registrar la primera lectura en los termómetros. Anotar su valor en la tabla 3.1.1A. 15.Con 15. Con el cronometro, tomar las lecturas cada minuto de las temperaturas registradas en los termómetros. Anotar las lecturas en la tabla 3.1.1A. 16.Efectuar 16. Efectuar las lecturas de los termómetros hasta que estos registren la misma temperatura. Mientras el agua se calienta, procede de la siguiente manera.


5



ACTIVIDAD II: CANTIDAD DE ENERGIA GANADA Y CEDIDA  = m (2 − 1 )

Si Donde:

 = calor (cal) m = masa (gr)

 = calor especifico (cal/gr ℃) 1 = temperatura inicial ( ℃) 2 = temperatura final ( ℃) Entonces:

 =    (2 − 1 )  =   (2 − 1 )

Donde:

 = calor absorbido por el agua fría (cal)  = calor cedido por el agua cliente (cal)  = masa del agua fría (gr)  = masa dela gua caliente (gr)   = calor especifico del agua fría (cal/gr ℃)  = calor especifico del agua caliente (cal/gr ℃) 2 = temperatura final del agua fría ( ℃) 2 = temperatura final del agua caliente ( ℃) 1 = temperatura inicial del agua fría ( ℃) 1 = temperatura inicial del agua caliente ( ℃) -EL HOMBRE QUE HA PERDIDO LA FACULTAD DE MARAVILLARSE ES COMO UN HOMBRE MUERTO

6



Anota los resultados en la tabla 3.2B.

ACTIVIDAD III: DETERMINARLA TEMPERATURA DE EQUILIBRIO TEORICAMENTE. La energía que cederá el agua caliente será la misma que resivira el agua fría, por lo tanto, la suma de las energías se mantiene constante es decir, la suma de las energias en transición es igual a cero. Es decir: Si:

+ = −

Entonces:

 +  = 0

Por lo tanto.

  (2 − 1 ) +    (2 − 1 ) = 0

Donde:

 = masa del agua fría (gr)  = masa del agua caliente (gr)   = calor especifico del agua fría (cal/gr ℃)  = calor especifico del agua caliente (cal/gr ℃) 2 = temperatura final del agua fría ( ℃) 2 = temperatura final del agua caliente ( ℃) 1 = temperatura inicial del agua fría ( ℃) 1 = temperatura inicial del agua caliente ( ℃) Como:

2 =  = 

Donde:

 = temperatura de equilibrio ( ℃)  = calor especifico para el agua caliente y el agua fria (cal/gr ℃) -EL HOMBRE QUE HA PERDIDO LA FACULTAD DE MARAVILLARSE ES COMO UN HOMBRE MUERTO

7



  ( − 1 ) +    ( − 1 ) = 0

Entonces

  = 

Y como:

 [ ( − 1 ) +  ( − 1 )]= 0

Tenemos:

  −  1 +   −  1 = 0  ( − 1 ) +  ( − 1 ) = 0

Agrupamos términos:

  +   − ( 1 +  1 ) = 0 Factorizando:

 ( +  ) =  1 +  1 Despejamos:

 =

   1



+    1 

  +  

NOTA: CALCULADA LA TEMPERATURA DE DE EQUILIBRIO, EQUILIBRIO, DETERMINAR EL CALOR GANADO DESPUES EL CALOR CEDIDO, TEORICAMENTE. TEORICAMENTE. ANOTAR ANOTAR SU VALOR SU VALOR EN EN LA LA TABLA 3.3B


8



ACTIVIDAD IV: COMPROBACION DE MODELO MATEMATICO Determinar la validez del modelo matemático con:

1 = 2 =

1



–  ´ 1 1



X100%



 2  –  ´ 2   2

X100%

Donde: 1 = Grado de error al inicio del experimento (%) 2 = Grado de error en el cálculo de la temperatura de equilibrio del experimento experimento (%) 1 = Temperatura supuesta del agua fría (en condiciones normales) ( ℃)

 1 = Temperatura inicial del agua medida durante el experimento ( ℃) ′

2 = Temperatura supuesta final del agua calinete (temperatura de equilibrio calculada) (℃)  2 = Temperatura de equilibrio del agua caliente durante el experimento ( ℃) ′

ANOTAR RESULTADOS EN LA TABLA 3.4B

TABLA DE LECTURAS. TABLA 3.1A. CONCEPTO

MASA (gr) 123.1 144.2 268.2 588.1 245.1 443.9

Matraz Calorímetro Matraz de agua Calorímetro con agua Masa del agua en el matraz Masa de agua en el calorímetro

TABLA 3.1.1.A. CONCEPTO Agua fría en el calorímetro Agua caliente en el matraz

TEMPERATURA INICIAL(℃) 23 62

TEMPERATURA FINAL (℃) 35 35


9



TABLA 3.1.2A CONCEPTO

TEMPERATURA INICIAL(℃) Tiempo (min) Agua en el matraz 0 62 1 53 2 47 3 43 4 40 5 39 6 38 7 37 8 36 9 36 10 36 11 35 12 35 13 35 14 35 15 35 Grafica de la temperatura temperatura respecto al tiempo. tiempo.

TEMPERATURA FINAL (℃) Agua en el calorímetro calorímetro 23 25 26 29 30 31 32 33 33 34 34 34 34 34 34 34

70 60 50 40 Agua en el matraz 30

Agua en el calorímetro

20 10 0 0

5

10

15


10



MEMORIA DE CALCULOS Determinar la temperatura de equilibrio:

 =  =  =  =

   1



+    1 

  +   [(443.9)(23)+(245.1)(62)]

443.9+245.1 10209.7+15196.2 689 25405.9 689

 =

[( )(℃)]+( )(℃)]

 =

 +  ℃+ ℃

 =

  ℃ 

 = 36.87358491  = ℃  = 36.87358491 ℃ Convertir a o.K  = 36.87358491 ℃ o.K = ℃ + 273 o.K = 36.87358491 + 273  = 309.87358491 o.K Convertir a ℉  = 36.87358491 ℃ 9

℉ = (℃ + 32) 5 9

℉ = (36.87358491+32) 5

 = 123.9724528 ℉ Convertir a o.R  = 123.9724528 ℉ o.R = ℉ + 460 o.R = 123.9724528 + 460  = 583. 9724528 o.R Convertir a o.K la temperatura experimental de equilibrio  = 35 ℃ o.K = ℃ + 273 o.K = 35 + 273  = 308 o.K


11



Convertir a ℉  = 35 ℃ 9

℉ = (℃ + 32) 5 9

℉ = (35+32) 5

 = 120.6 ℉ Convertir a o.R  = 12º.6 ℉ o.R = ℉ + 460 o.R = 120.6 + 460  = 580.6 o.R Convertir las masas del calorímetro a Kg:  = 443.9 gr

 = 443.9 gr x

1  1000 

443.9 

=

1000

 = 0.4439 Kg Convertir a Lb:  = 0.4439 Kg

 = 0.4439 Kg x

1  0.4535924 

=

0.4439  0.4535924

 = 0.9786319171 Lb Convertir a la masa del matraz a Kg:  = 245.1 gr

 = 245.1 gr x

1 

1000 

=

245.1  1000

 = 0.2451 Kg Convertir a Lb:  = 0.2451 Kg

 = 0.2451 Kg x

1  0.4535924 

=

0.2451  0.4535924

 = 0.5403529689 Lb


12



Energía ganada  :

 =    (2 − 1 )

 = gr

 = (443.9) (1) (36.87358491 (36.87358491 −23)

 =

 = 6158.484342  = 6158.484342 Cal Convertir a KJ la energía ganada  :  = 6158.484342 Cal  = 6158.484342 Cal x



℃

 ℃   ℃  ℃

 = Cal

1J 0.2389029576 0.2389029576 Cal

=

6158.484342 J 0.2389029576

 = 25778.18376 J  = 25778.18376 J x

1 KJ 1000 1000 J

=

25778.18376 KJ 1000

 = 25.77818376 KJ Convertir a BTU la energía ganada  :  = 25778.18376 J  = 25778.18376 J x

1 BTU 1054 1054 J

=

25778.18376 BTU 1054

 = 24.45747985 BTU Convertir la KJ la energía perdida  :  =   (2 − 1 )

 = gr

 = (245.1) (1) (36.87358491 −62)

 =

 = −6158.484339  = −6158.484339 Cal Convertir a KJ la energía perdida  :  = −6158.484339 Cal  = −6158.484339 Cal x



℃

 ℃   ℃  ℃

 = Cal

1J 0.2389029576 0.2389029576 Cal

=

−6158.484339 J

0.2389029576

 = −25778.18375 J  = −25778.18375 J x

1 KJ 1000 1000 J

=

−25778.18375 KJ

1000

 = −25.77818375 KJ Convertir a BTU la energía ganada  :  = −25778.18376 J  = −25778.18375 J x

1 BTU 1054 1054 J

=

−25778.18375 BTU

1054

= −24.45747984 BTU


13



TABLA DE RESULTADOS

TABLA 3.1B CONCEPTO Kg 0.4439 0.2451

Colorímetro Matraz

MASA DEL AGUA Gr Lb 443.9 0.9786319171 245.1 0.5403529689

TABLA 3.2B CONCEPTO Energía ganada  Energía cedida 

EXPERIMENTAL Cal KJ BTU 6158 25 24 -6158

-25

-24

Cal 6158.484342

TEORICO KJ 25.77818376

BTU 24.45747985

−6158.484339 −25.77818375 −24.45747984

TABLA 3.3B CONCEPTO

Temperatura de equilibrio

EXPERIMENTAL o ℃ o.K ℉ .R 35

308

120.6

580

℃ 36.87358 491

TEORICO o ℉ .K 309.8735 8491

123.97245 28

o .R

583. 9724528


14



CONCLUSION: Del experimento anteriormente anteriormente realizado se puede concluir lo siguiente, respecto a cada Una de las leyes explicadas y su demostración: Ley cero de la l a termodinámica: se pudo ver que al ingresar el matraz con agua caliente dentro del calorímetro, ambos Sistemas intentaban llegar a un equilibrio termodinámico, termodinámico, no sólo entre ellos, sino que también con un tercer sistema que era el aire. Eventualmente los tres sistemas alcanzarían el equilibrio termodinámico. El mejor ejemplo se ve en el primer paso, en el cual la temperatura del agua aumentó un poco debido a la temperatura del aire, cuando debería haber disminuido al brindarle calor al agua del calorímetro. Primera Primera ley de la termodinámica: Al poner el matraz dentro del calorímetro, el agua caliente cedió calor al agua fria para poder alcanzar el equilibrio termodinámico, termodinámico, por lo tanto la temperatura del agua bajó; pero la cantidad de calor no cambió, sino que se distribuyó. Segunda ley de la termodinámica: termodinámica: Se puede ver claramente que el agua del calorimetro recibe calor del agua del matraz, aumenta su temperatura. Si tomamos a la entropía como el grado de desorden de las partículas de un sistema, podemos ver un claro ejemplo de ella. Aquí la entropía no alcanzó su valor máximo. Esta ley se puede aplicar a las máquinas térmicas, las cuales tienen mayor rendimiento y producen un trabajo mayor si la diferencia entre la temperatura del sistema 1 y la del sistema 2 es superior. s uperior. Para esto las máquinas térmicas utilizan radiadores, que bajan la temperatura del sistema 2, para que así el intercambio de Calor sea mayor. Estos radiadores son necesarios, sino la entropía aumenta tanto que el intercambio calórico no es efectivo.


15



BIBLIOGRAFIA: http://www.nhlbi.nih.gov/heal http://www.nhlbi.nih.gov/health-spanish/health-topic th-spanish/health-topics/temas/hbp/ s/temas/hbp/ http://ractually.blogspot.com/200 http://ractually.blogspot.com/2006/06/que-nos-muestra6/06/que-nos-muestra-un-iceberg.htm un-iceberg.htmll 100 problemas de termodinámica termodinámica 1ª edición Autores: José Antonio Manzanares Andreu y Julio Pellicer García Apuntes de termodinámica elemental http://www.biopsychology.org/a http://www.biopsychology.org/apuntes/term puntes/termodin/termodin.htm odin/termodin.htm 4.ACERCA DE LA TEMPERATURA. http://www.unidata.ucar.edu/staff http://www.unidata.ucar.edu/staff/blynds/acerca.htm /blynds/acerca.htmll 5.Ciclo de Carnot. Applets http://www.phy.ntnu.edu.tw/java http://www.phy.ntnu.edu.tw/java/carnot/carnot. /carnot/carnot.html html

SERIE: 1. Si 0.08Kg de aluminio a 100 ℃ se colocan en 0.1 kg de agua a 15 ℃ ¿Cuál es la temperatura final de la mescla? Sol. 27.3℃ 2. Una barra caliente de cobre cuya masa es de 1.5kg se introduce en 4kg de agua, elevando su temperatura de 18 a 28 ℃ ¿Qué temperatura tiene la barra de cobre? Sol. 314.7℃ 3. Un recipiente de aluminio de 150gr contiene 200gr de agua a 10 ℃. Determine la temperatura final del recipiente y del agua si se introduce en este un trozo de cobre de 60 gr a una temperatura de 300℃. Sol. 16.78℃


16



CUESTIONARIO: 1. ¿Qué es equilibrio térmico? Cuando en 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 s e establecerá el equilibrio termodinámico, es decir ambos sistemas tendrán la misma temperatura.

2. ¿A que temperatura alcanza el agua la máxima densidad? Sin embargo el agua pura es una excepción a todo esto ya que alcanza su mayor densidad cuando se encuentra a 4ºC. 3. Cuando se calculo la cantidad de calor teórico y experimental cual es la que se acerca más a la realidad Pues se supone que el que más se debe de acercar a la realidad es el teórico por la exactitud pero en nuestro caso quedo 1.3 ℃ abajo del calculado e la teoría 4. ¿La materia contiene calor? Cada persona u objeto que está constituido de diferente matera posee cierta cantidad de calor para poder permanecer en el estado en que se encuentra. 5. ¿Qué es la energía interna? la energía interna (U) de un sistema intenta ser un reflejo de la energía a escala microscópica. Más concretamente, es la suma de: 



la energía cinética interna, es decir, de las sumas de las energías cinéticas de las individualidades individualidades que lo forman respecto al centro de masas del sistema, y de la energía potencial interna, que es la energía potencial asociada a las interacciones 1 entre estas individualidades individualidades..

La energía interna no incluye la energía cinética traslacional o rotacional del sistema como un todo. Tampoco incluye la energía potencial que el cuerpo pueda tener por su localización en un campo gravitacional o electrostático externo.


17



6. ¿Existe relación entre la temperatura t emperatura centígrada y la kelvin? Explica. Me imagino que si ya que la única diferencia es que la kelvin tiene cono rango de cero 273 que es 273 grados más que la centígrada algo así como que madamas se recorre 7. ¿A que se le conoce como calor especifico? Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. En el Sistema Internacional de unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramo y kelvin; en ocasiones también se expresa en calorías por gramo y grado centígrado. El calor específico del agua es una caloría por gramo y grado centígrado, es decir, hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado. De acuerdo con la ley formulada por los químicos franceses Pierre Louis Dulong y Alexis Thérèse Petit, para la mayoría de los elementos sólidos, el producto de su calor específico por su masa atómica es una cantidad aproximadamente constante. Si se expande un gas mientras se le suministra calor, hacen falta más calorías para aumentar su temperatura en un grado, porque parte de la energía suministrada se consume en el trabajo de expansión. Por eso, el calor específico a presión constante es mayor que el calor específico a volumen constante.

8. ¿Cuáles son las unidades de energía y trabajo? ¿Qué relación existe entre ellas? Sistema Internacional de Unidades Artículo principal: Sistema Internacional de Unidades Julio o joule, unidad de trabajo en el SI Kilojulio: 1 kJ = 103 J Sistema Técnico de Unidades Artículo principal: Sistema Técnico de Unidades kilográmetro o kilopondímetro (kgm) = 1 kilogramo-fuerza x 1 metro = 9,80665 J Sistema Cegesimal de Unidades Artículo principal: Sistema Cegesimal de Unidades Ergio: 1 erg = 10-7 J Sistema anglosajón de unidades Artículo principal: Sistema anglosajón de unidades Termia inglesa (th), 105 BTU BTU, unidad básica de trabajo de este sistema -EL HOMBRE QUE HA PERDIDO LA FACULTAD DE MARAVILLARSE ES COMO UN HOMBRE MUERTO

18



9. ¿Cómo es la capacidad calorífica especifica del agua en comparación con otras sustancias comunes? Su capacidad calorífica es superior a la de cualquier otro líquido o sólido, siendo su calor específico de 1 cal/g, esto significa que una masa de agua puede absorber o desprender grandes cantidades de calor, sin experimentar apenas cambios de temperatura, lo que tiene gran influencia en el clima (las grandes masas de agua de los océanos tardan más tiempo en calentarse y enfriarse que el suelo terrestre). Sus calores latentes de vaporización y de fusión (540 y 80 cal/g, respectivamente) son también excepcionalmente excepcionalmente elevados.


19

Practica 3 Ley Cero de La Termodinamica

Recommend Documents