UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS, GEOLOGÍA Y METALURGIA INGENIERÍA DE MINAS
INFORME DE LABORATORIO Nº 03 “DEMOSTRACION “DEMOSTRACION DE LAS L AS LEYES DE LA TERMODINAMICA”
I.
OBJETIVOS
Como objetivo principal tenemos el alcanzar a comprender las leyes de la termodinámica cualitativamente mediante el desarrollo, construcción y prueba de un experimento simple que nos permita estudiarlo y comprenderlo.
II.
FUNDAMENTO TEÓRICO En el presente experimento se desarrollará y explicaran las cuatro principales leyes de la termodinámica, mediante una serie de demostraciones y experimentos sencillos realizados en el laboratorio utilizando elementos accesibles y procedimientos simples. Las leyes de la termodinámica que se desarrollarán serán:
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Ley cero de la termodinámica o principio del equilibrio termodinámico
-
Primera ley de la termodinámica o principio de la conservación conservación de la energía
-
Segunda ley de la termodinámica
-
Tercera ley de la termodinámica
Para poder entender y realizar el experimento se debe hacer una introducción a las leyes de la termodinámica. La termodinámica termodinámica estudia estudia la energía y su
transformación entre sus
distintas manifestaciones como el calor y su capacidad para producir un trabajo.
La ley cero de la termodinámica establece que si dos sistemas A y B están en equilibrio termodinámico termodinámico y B esta a
su vez vez en equilibrio
termodinámico con un tercer sistema C, entonces A y C se encuentran en equilibrio termodinámico. Este principio fundamental se enuncio formalmente luego
de haberse enunciado las otras tres leyes de la
termodinámica, por eso se la lamo “ley cero”.
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La primera ley de la termodinámica, también conocida como la ley de la conservación de la energía enuncia que la energía es indestructible, siempre que desaparece una clase de energía aparece otra (JULIUS VON MAYER). Más específicamente, la primera ley de la termodinámica establece que al variar la energía interna en un sistema cerrado se produce calor y trabajo. “la energía no se pierde, sino que se transforma”.
La segunda ley de la termodinámica indica la dirección en que s e llevan a cabo las transformaciones energéticas. El flujo espontaneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de temperatura más alta a aquellos de temperatura más baja. En esta ley aparece el concepto de entropía, la cual s e define como la magnitud física que mi de la arte de la energía que no puede utilizarse para producir un trabajo. Esto es más fácil de entender con un ejemplo de una maquina térmica; donde una fuente de calor es usada para calentar una sustancia de trabajo (vapor de agua), provocando la expansión de la misma colocada dentro de un pistón y por un mecanismo a través 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 diferencia entre el calor final y el inicial. Es imposible la existencia de una maquina térmica que extraiga calor de una fuente y lo convierta totalmente en trabajo, sin enviar nada a la fuente fría. La entropía de un sistema es también el grado de desorden del mismo. La segunda ley establece que en los procesos espontáneos la entropía a la larga tiende a aumentar. Los sistemas ordenados se desordenan espontáneamente, si se quiere restituir el orden original hay que realizar un trabajo sobre el sistema
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III.
MATERIALES
Y
REACTIVOS
- vaso de precipitado de 1L.
- Agua fría y caliente.
- Termómetro de -10°C a110°C.
- Hielo.
- Cronometro.
- Colorante artificial o tinta
- Termostato o equipo de baño maría.
- Hielo coloreado.
- Congelador o refrigerador.
IV.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 4.1.-Experimento con agua fría a 10º C Previamente a realizar los
pasos, tuvimos listos los cubos de hielo con
un colorante o tinta.
Preparar un vaso de precipitado con agua fría a 10°C (agua helada) para la primera parte del experimento. Tomar la temperatura para compararla luego con la temperatura final introduciendo el termómetro en el agua.
Preparar el cronometro e introducir el primer cubo de hielo colorado en el agua. A los pocos segundos se pueden ver los primeros rasgos de colorante poro al minuto y medio se observa líneas de colorante en forma de flujo laminar descendiendo por un costado del vaso y el agua comienza a tomar color. 3
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Medir el tiempo que tarda el hielo coloreado a disolverse y observe el colorante en el agua, medir la temperatura final del experimento y la temperatura ambiente.
4.2.- Experimento con agua tibia a 30º C
Realizar el mismo procedimiento que el paso anterior. Al introducir el hielo coloreado empieza a bajar casi instantáneamente, pero esta vez en forma de flujo turbulento, llegara hasta el fondo del vaso y comenzará a difundirse por los laterales. Al minuto de iniciado el experimento todo el vaso estará coloreado y se puede ver el colorante bajando velozmente por la diferencia de temperaturas.
Medir la temperatura final del experimento y el tiempo final que tarda en disolverse el hielo coloreado y el color en toda el agua.
4.3.- Experimento con agua en su punto de ebullición
Realizar el mismo procedimiento que el primero. Al introducir el hielo coloreado en el agua hervida, el intercambio de calor es más brusco, el colorante descenderá en forma de flujo turbulento por el costado del vaso y se difundirá más rápidamente. En este experimento el 4
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agua pierde más calor que en el experimento 1 o 2, por esto, la diferencia de temperatura en mayor entre la temperatura inicial y final.
Medir la temperatura final del experimento y el tiempo en que el hielo coloreado se disuelve y ver el colorante difundido uniformemente en todo el vaso.
Comparación de las tres temperaturas
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V.
CONCLUSIONES Del experimento realizado se puede concluir:
Ley cero de la termodinámica: se pudo ver que al ingresar el hielo en el agua ambos sistemas intentaban llegar a un equilibrio termodinámico, no solo entre ellos, sino 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 aumento un poco debido a la temperatura del aire, cuando debería haber disminuido al brindarle calor al hielo.
Primera ley de la termodinámica: al poner l hielo en el agua, este cedió calor al hielo para poder alcanzar el equilibrio termodinámico, por lo tanto, la temperatura del agua bajo pero la cantidad de calor no cambio, sino que se distribuyó.
Segunda ley de la termodinámica: se puede ver claramente que el hielo recibe el calor del agua, aumente su temperatura y cambia al estado líquido. Aquí es cuando comienza a liberar colorante. Si tomamos a la entropía como el grado del desorden de las partículas de un sistema, podemos ver un claro ejemplo de ella comparando los tres pasos. En el primer paso el colorante no se distribuye completamente, en el segundo el colorante se diluyo, pero no de forma inmediata; pero en el tercero formo una mezcla homogénea de forma casi inmediata. Esto significa que la entropía fue mucho mayor en el último caso que en los anteriores.
Esta ley se puede aplicar a las maquinas térmicas, las cuales tienen mayor rendimiento y producen un trabajo mayor si l a diferencia entre la temperatura delo sistema 1 y la del sistema 2 es superior. Para esto las maquinas térmicas utilizan radiadores, que bajan la temperatura del sistema 2, para que así, el intercambio de calor sea mayor. Estos 6
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radiadores son necesarios, sino la entropía aumenta tanto, que el intercambio calorífico no es efectivo.
Tercera ley de la termodinámica: para poder alcanzar una temperatura igual al coro absoluto, se necesita un sistema que tuviera una temperatura menor a esta (segunda ley de la termodinámica) lo cual es imposible. Según lo visto en el experimento, con las muestras obtenidas de temperatura, se necesita mucha diferencia de temperatura para lograr reducirla notablemente en un sistema y debe estar aislado del entorno (sistema adiabático). En este caso, la masa inicial de agua tiene menor entropía que le masa final del agua, demostrando esta tercera ley de la termodinámica.
VI.
RECOMENDACIONES
Se recomienda calibrar la balanza analítica antes de usar.
Por otra la mezcla de agua fría y agua hervida se deber rápida para así poder evitar la pérdida de calor.
Tenga los materiales, equipos y el área de trabajo siempre limpios.
Para la correcta medición de los valores calculados,(para ser más precisos) debemos tomar en cuenta las correcciones de cada material usado, se debe usar su corrección especificado en dicho instrumento.
VII.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Gaston Pons Musso – FISICOQUIMICA 2008.
Frederick Lohgo – QUIMICA GENERAL
Harry B. Gray – PRINCIPIOS BASICOS DE LA QUIMICA.
Castellan G. “Fisicoquímica” 2da. Edición. Ed. Fondo Educativo Interamericano, EEUU, 1987, pág: 106, 144. 312-313;324,337
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VIII.
ANEXOS
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