INTRODUCCIÒN La primera ley de la termodinámica o también conocida como principio de conservación de energía que establece que "La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma"; cuando se realiza un trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con otro, la energía interna cambiara !n esta primera ley se epresa que el calor, suministrado por el medio ambiente #la vela $ a un sistema #el agua contenida en el recipiente$ es igual al cambio de la energía interna en el interior del líquido #agua en este caso$ sumada al trabajo que el agua realiza cuando al %ervir mueve la tapa contra el medio ambiente &or lo tanto; el calor cedido por el medio al sistema será igual a la variación de la energía interna en el interior del sistema #agua$ más el trabajo realizado por el sistema sobre el medio La primera ley de la termodinámica termodinámica nos dice que la variación de la energía interna del sistema es igual al calor ad%erido a este menos el trabajo realizado por el mismo !s decir; esta ley se emplea con el eperimento del globo de plástico al estar lleno de agua no eplota debido a que el agua absorbe muc%a energía, que es necesario para el cambio de estado, produciendo que no suba la temperatura, manteniendo así al globo refrigerado 'eniendo en cuenta que un globo inflado con agua no eplota al acercarlo al fuego gracias a la capacidad calorífica del agua La termodinámica termodinámica es la rama de la física, que inició su su camino camino estudiando el calor y la obtención de trabajo que podía obtenerse a partir del mismo !n este sentido cabe se(alar que el globo no eplota por dos motivos) !l calor que se le comunica se transforma en aumentar la temperatura del agua, pero ésta tiene una gran capacidad calo calorí rífi fica ca y nece necesi sita ta muc% muc%aa ener energí gíaa para para aument aumentar ar su temp temper erat atur ura a * el calor calor transferido por la llama se transmite por conducción a través de la membrana del glob globo, o, que se elev elevar aráá unos unos grado gradoss dura durant ntee los los + ó +- segun segundo doss que que dura dura el eperimento, pero no lo bastante como para provocar que el globo se queme
Historia de la Termodinámica Termodinámica .na de las diferencias básicas entre la evolución del %ombre y la de los demás animales es que el %ombre transforma su medio ambiente tratando de adaptarlo a sus
necesidades, mientras que los animales se adaptan a la /aturaleza, todo ello mediante el tanteo de nuevas soluciones y la selección natural de las buenas, es decir, mediante el aprendizaje !l %ombre también empezó a transformar su entorno mediante tanteos, pero con el tiempo aprendió a generalizar la eperiencia de los sucesos favorables y comunicarlos a otros %ombres, surgiendo así el mecanismo de la %erencia científica, que %ace innecesaria la repetición de los tanteos, y que se diferencia de la simple eperiencia en que lo que se comunica no son %ec%os sino teorías &ara transformar el mundo que le rodea, el %ombre necesita conocimiento y energía !l %ombre primitivo estaba supeditado a la satisfacción de sus necesidades diarias para la supervivencia, pero con el tiempo aprendió que muc%os de los fenómenos de su interés seguían ciertas regularidades en el espacio y el tiempo #algunas difíciles de delimitar, como la duración del a(o solar$, que le podían permitir planificar su aprovec%amiento Las grandes desviaciones ocasionales de estas regularidades #tales como derrumbamientos, inundaciones, vendavales e incendios$ debieron ser atribuidas a perturbaciones en las fuerzas controladoras) la tierra, el agua, el aire y el fuego !ste modelo de los cuatro elementos constitutivos de la /aturaleza fue defendido por 0eráclito #1- ac$, !mpédocles #23 ac$ y 4ristóteles
#25 ac$ La falta
de entendimiento de estos fenómenos y la necesidad de adaptarse a las circunstancias, dio origen a muc%as de las teogoníías pre%istóricas, en un desesperado intento de procurarse el favor de tan etraordinarias fuerzas #dioses$ &oco a poco fue aprendiendo a utilizar en su beneficio de forma regular los "cuatro elementos" antes mencionados, desarrollando el conocimiento de las fuerzas "naturales" para provec%o propio, empezando por dise(ar %erramientas sólidas que permitiesen un uso más efectivo de su fuerza física, construyendo embarcaciones, utilizando la fuerza de los animales de tiro, la energía del viento, y descubriendo métodos de %acer fuego y procedimientos para su mantenimiento y control Las primeras aplicaciones del fuego fueron para calefacción doméstica, defensa y
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tratamiento de materiales, además de los alimentos #ya se fundía cobre, esta(o y %ierro %acia el a(o 5- a6$ !l momento culminante de las civilizaciones antiguas tuvo lugar en la 7recia del 8iglo 9 ac, donde se trató de generalizar el conocimiento a través de la especulación filosófica &ese a la divergencia que ocasionó entre la teoría y la práctica "científica", el paso dado en el desarrollo del pensamiento %umano fue de tal envergadura que esta filosofía perduró por más de dos milenios, %asta el :enacimiento en el 8iglo 9 4unque al %ablar del origen %istórico de la conversión de la energía térmica de un combustible en energía mecánica, suele pensarse en los motores térmicos dise(ados a partir del 8iglo 9<<, ya desde el 8iglo << en cual se trajo la pólvora desde 6%ina se utilizaba su combustión para producir el movimiento de los proyectiles
La termodinámica !s la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico y constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un método eperimental
Leyes de la Termodinámica Primera Ley de la Termodinamica !sta ley se epresa como) !int 2 = 1 > 6ambio en la energía interna en el sistema 2 6alor agregado #=$ 1 'rabajo efectuado por el sistema #>$ /otar que el signo menos en el lado derec%o de la ecuación se debe justamente a que > se define como el trabajo efectuado por el sistema &ara entender esta ley, es ?til imaginar un gas encerrado en un cilindro, una de cuyas tapas es un émbolo móvil y que mediante un mec%ero podemos agregarle calor !l cambio en la energía interna del gas estará dado por la diferencia entre el calor agregado y el trabajo que el gas %ace al levantar el émbolo contra la presión 3
atmosférica !l &rimer &rincipio de la 'ermodinámica determina cómo afectan los intercambios de calor, =, y trabajo, >, a la energía global de un sistema !s por este motivo que la transferencia de energía en forma de calor y la transferencia de energía en forma de trabajo las %emos tratado en dos apartados previos de teoría
Segunda Ley de la Termodinámica La primera ley nos dice que la energía se conserva 8in embargo, podemos imaginar muc%os procesos en que se conserve la energía, pero que realmente no ocurren en la naturaleza 8i se acerca un objeto caliente a uno frío, el calor pasa del caliente al frío y nunca al revés 8i pensamos que puede ser al revés, se seguiría conservando la energía y se cumpliría la primera le y !n la naturaleza %ay procesos que suceden, pero cuyos procesos inversos no &ara eplicar esta falta de reversibilidad se formuló la segunda ley de la termodinámica, que tiene dos enunciados equivalentes)
Enunciado de el!in " Planc# $ !s imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo
Enunciado de Clausius$ !s imposible construir una máquina cíclica cuyo ?nico efecto sea la transferencia continua de energía de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo
Tercera Ley de la Termodinámica y Ley Cero 8i dos objetos 4 y @ están por separado en equilibrio térmico con un tercer objeto 6, entonces los objetos 4 y @ están en equilibrio térmico entre sí
6omo
consecuencia de esta ley se puede afirmar que dos objetos en equilibrio térmico entre sí están a la misma temperatura y que si tienen temperaturas diferentes, no se encuentran en equilibrio térmico entre sí
La tercera ley tiene !arios enunciados e%ui!alentes$ 4
/o se puede llegar al cero absoluto mediante una serie finita de procesos !s el calor que entra desde el "mundo eterior" lo que impide que en los eperimentos se alcancen temperaturas más bajas !l cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible y se caracteriza por la total ausencia de calor !s la temperatura a la cual cesa el movimiento de las partículas !l cero absoluto # A$ corresponde aproimadamente a la temperatura de 1 BC5,+DE6 /unca se %a alcanzado tal temperatura y la termodinámica asegura que es inalcanzable La entropía de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinámico tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero La primera y la segunda ley de la termodinámica se pueden aplicar %asta el límite del cero absoluto, siempre y cuando en este límite las variaciones de entropía sean nulas para todo proceso reversible
&lo'o Fbjeto de goma o de otro material fleible, generalmente de forma redonda, que se llena de aire o de un gas menos pesado que el aire, cuando lo epones al fuego las moléculas del aire se epanden y tienden a salir epulsadas es por eso que cuando epones un globo al fuego se revienta
La !ela !s una fuente de calor y a(ade energía térmica a cualquier objeto que toca !n este caso al ad%erir el fuego %acia el cauc%o, este no puede resistir la temperatura lo que permite que el globo estalle La temperatura de una vela Grojizo varía entre los +C y los +H A Aelvin #anteriormente llamado grado Aelvin$ o escala absoluta, simbolizado como A !s la unidad de 'emperatura de la escala científica creada por >illiam '%omson, más conocido por Lord Aelvin, en el a(o +I3I, es decir, el intervalo de un grado de la escala Aelvin es el mismo que el de la escala centígrada, de modo que para pasar una temperatura en grados centígrados a la escala absoluta basta con sumar BC5
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La capacidad calorífica de una sustancia es la energía necesaria para que se eleve la temperatura de la unidad de masa de dic%a sustancia en un grado !l agua líquida posee una alta capacidad calorífica #3+I JKgA$, lo que se pondrá de manifiesto en esta eperiencia La curiosidad del ser %umano por el saber de los acontecimientos científicos que los rodea es infinita, ya que es una conducta innata por el saber * en este caso tratar un tema que %a causado muc%a curiosidad en los jóvenes al ver que un globo con un poco de agua no eplota al acercarlo al fuego en este caso la vela, claro está con su precaución respectiva para realizar dic%o eperimento en la cual se
aprenderá a
realizarlo con materiales netamente reciclables y de uso casero !s por ello que se decidió tomar este tema para que los estudiantes del 5er 4(o M6N del Liceo @olivariano M:afael Oaría .rrec%eagaN de &án Pemostrar
Q=ué ocurren al
realizar el eperimento de la primera ley de la termodinámica con el globo que no eplotaR como también aclarar la inquietud sobre Qporque no eplota el globo cuando está lleno de aguaR
O()ETI*OS DE L+ IN*ESTI&+CION O()ETI*O &ENER+L
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Pemostrar de manera practica la primera ley de la termodinámica con el globo que no eplota, es decir; inflado un globo con agua, al acercarlo al fuego no eplota
O()ETI*OS ESPECI,ICOS$ -
Pemostrar mediante un eperimento en que consiste la &rimera Ley de la
-
'ermodinámica Fbservar que ocurre cuando acercamos un globo lleno de aire y otro lleno de agua al
-
fuego de una vela 6onocer el por qué un globo de plástico lleno de aire eplota al acercarlo al fuego y otro lleno de agua no
)USTI,IC+CIÒN DE L+ IN*ESTI&+CIÒN La elección de este eperimento parte de la incertidumbre que genera el observar este principio físico químico en acción, dado que se piensa que no es posible que suceda lo planteado !s por ello que las alumnas de 5ero M6N quien demostrarle a la comunidad estudiantil, docente y personal que labora en la institución Liceo @olivariano M:afael Oaría .rrec%eagaN de &án en el estado 'rujillo; que el globo no eplota porque el calor suministrado por la vela se emplea en aumentar la temperatura del agua, que se elevará unos grados durante los + ó +- segundos que dura el eperimento, cuando está lleno de aire, esa presión reduce el volumen de aire del interior porque el aire es comprensible, y en consecuencia, al romperse se produce una eplosión porque el aire comprimido se descomprime y aumenta su volumen rápidamente provocando una violenta onda de sonido #el sonido no es más que una onda de presión de aire$ &ero cuando está lleno de agua la situación es diferente, el agua no es comprensible, y por tanto aunque el agua del interior está a presión su volumen no disminuye, y en consecuencia cuando el globo se rompe no aumenta su volumen y por tanto el agua se derrama de golpe, el inconveniente no provoca ninguna onda de presión en el aire que la rodea porque no se epande y por tanto no provoca sonido eplosivo 7
.+TERI+LES/ .ETODOS 0 PROCEDI.IENTOS 6omo realizar el eperimento de manera sencilla siguiendo los siguientes materiales y procedimiento siempre teniendo en cuenta la seguridad para prevenir accidentes, como también se detalla el tipo de metodología a utilizar como lo es la 8
eperimental ya que se realizara el eperimento para comprobar que los objetivos fuesen alcanzados
.ETODO Ti1o de In!estigaci2n La investigación eperimental consiste en la manipulación de una #o más$ variable eperimental no comprobada, en condiciones rigurosamente controladas, con el fin de describir de qué modo o por qué causa se produce una situación o acontecimiento particular !l eperimento provocado por el investigador, le permite introducir determinadas variables de estudio manipuladas por él, para controlar el aumento o disminución de esas variables y su efecto en las conductas observadas 8eg?n el autor #Sidias 7 4rias #B+B$$, define) La investigación eperimental es un proceso que consiste en someter a un objeto
o grupo de individuos, a
determinadas condiciones, estímulos o tratamiento #variable independiente$, para observar los efectos o reacciones que se producen #variable dependiente$
Dise3o de la in!estigaci2n La investigación eperimental consiste en la manipulación de una variable eperimental no comprobada, en condiciones rigurosamente controladas, con el fin de describir de qué modo o por qué causa se produce una situación o acontecimiento en particular 8e trata de un eperimento porque precisamente el investigador provoca una situación para introducir determinadas variables de estudio manipuladas por él, para controlar el aumento o disminución de esa variable, y su efecto en las conductas observadas !n este caso la muestra utilizada está conformada por los alumnos del 5er 4(o 8ección M6N del Liceo @olivariano M:afael Oaría .rrec%eagaN de la parroquia &án del municipio &án !sta muestra se utilizó para demostrar a los
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estudiantes como se realiza el eperimento y los resultados que se obtienen realizándolo
.+TERI+LES B 9ejigas o 7lobos, .na caja de cerilla de Sósforos o yesquero, .na 9ela, .n plato de vidrio para sostener la vela, - ml de 4gua
PROCEDI.IENTO +$ &rimeramente encendemos la vela con el encendedor B$ 8eguidamente colocamos en el plato de vidrio la vela encendida 5$ !n seguida inflamos una de las vejigas #o globo$ con aire, luego se procede a ubicarlo sobre la llama de la vela, como resultado este se eplota por el aumento de temperatura 3$ 6ontinuamente se procede a Llenar el otro globo con agua aproimadamente a la mitad del volumen, con el globo sellado simulamos un sistema cerrado con volumen y presión constante, -$ &osteriormente le suministramos calor por medio de la vela colocando el globo encima de la misma a una altura de + a +- cms D$ Luego se observa que el globo llega a calentarse sin que se reviente, ya que las paredes del globo lo %acen de igual forma al tener el agua con propiedades que permiten que esta absorba una gran cantidad de energía en forma de calor, permitiendo que las paredes del globo con agua formen un equilibrio térmico, de a%í que esta superficie no se epanda y se rompa
RESULT+DOS Luego de %aber concluido el eperimento y %aber observado la diferencia entre ambas eperiencias; 6uando el globo no eplota se produce un cambio de temperatura en el agua, demostrando su capacidad calorífica al absorber el calor, y mantener el globo intacto !l mismo, funciona como conductor el agua recibe toda la energía calorífica sin llegar a la ignición, es decir, el punto de combustión; el cual es una reacción química de oidación en la que se desprende una gran cantidad de energía en forma de calor, manifestándose visualmente gracias al fuego !sto provoca que el agua tome la cantidad de calor necesario para que el globo no se caliente y eplote !sto demuestra la ley primera de la termodinámica porque el 10
agua es sometida a un ciclo termodinámico en el cual el calor será equivalente al trabajo físico de la misma
DISCUSION Lo anteriormente mencionado se debe a que el trabajo físico implica que una fuerza, en este caso el calor, act?e en él durante el desplazamiento, lo cual produce movimiento 'rabajo físico es igual a la energía, ya que uno es resultado de otro y ambos se necesitan para funcionar 6uando se aplica energía al agua, se produce un cambio #movimiento$ el cual ocasiona que las moléculas se muevan, provocando que las mismas, al ir subiendo la temperatura, comiencen a separarse !ntonces, el globo con agua si eplota, pero demora más tiempo ya que su capacidad calorífica es de + calKm5 T6, en cambio el aire tiene solamente ,BH calKm5 T6, lo cual deja en claro que el agua puede absorber energía por más tiempo, ya que al encontrarse en estado líquido; tiene la ventaja de que sus moléculas se encuentren más juntas y el cambio en las mismas tomará más tiempo que en las del aire; las cuales se encuentran ya dispersas !l globo con aire eplota porque %a alcanzado el límite de su capacidad calorífica, por lo que el globo con agua eplotara también en el momento en que no pueda absorber más energía y llegue al punto de ebullición, provocando que el calor sea transmitido al globo, %aciéndolo eplotar Q&or qué no se revienta el globoR !l agua tiene una increíble capacidad de absorber el calor !l globo tiene una pared muy delgada, lo que %ace que el calor pase muy rápidamente %acia el agua !l agua que está cerca de la llama comienza a calentarse y sube a la superficie, dejando que agua más fría esté cerca de la llama y absorba su calor
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CONCLUSION !l eperimento es muy interesante ya que nos demuestra y ayuda a entender de una forma sencilla la primera ley de la termodinámica que dice que en un determinado proceso de calor es igual al trabajo mediante la variación de energía, el primer globo con aire eplota porque la densidad es muc%o menor, en cambio la vejiga o globo con agua no se eplota porque el agua que se encuentra almacenada dentro de este le impide que la temperatura del globo suba y eplote, este globo posee una presión constante porque sube la temperatura del globo y también del agua; además la densidad del globo con agua es mayor que la del aire !l agua posee una gran capacidad para absorber calor 8u capacidad calorífica es superior a la de cualquier otro líquido o sólido, esto significa que una masa de agua puede absorber o desprender grandes cantidades de calor, sin eperimentar 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$ 8us calores latentes de vaporización y de fusión #cambios de estado$ son también ecepcionalmente elevados &udo observarse como las leyes de la termodinámica son eplicables de una práctica y sencilla para la comprensión de las personas La ley cero de la termodinámica permitió que el globo no eplotara ya que el agua posee propiedades que permiten que absorba una gran cantidad de energía en forma de calor lo que 12
conlleva por la ley mencionada que la temperatura del láte con agua forme un equilibrio térmico y de a%í que el láte no se epanda
RECO.END+CIONES +$ Oantener en absoluto orden el lugar de trabajo B$ .tilizar implementos de seguridad como guantes y una bata para evitar que alguna sustancias o una rispa de fuego caiga sobre la ropa 5$ &revenir quemadura leve o peque(as en la piel #manos$ 3$ 8er ordenado ya que el desorden trae accidentes -$ 8eguir cuidadosamente todas las indicaciones que sean dadas por para la realización de este eperimento
RE,ERENCI+S (I(LIO&R+,IC+S 4:<48, S #B+B$ !l &royecto de investigación #-a!d$ 6aracas) !pisteme .niversidad &edagógica !perimental Libertador #BC$ Oanual de 'rabajos de 7rado de !specialización y Oaestría y 'esis Poctorales #-U !d$ 6aracas
Documentos Digitales Electronicos4
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