Termodinámica

Temperatura:

El sentido del tacto nos permite determinar dentro de ciertos límites los distintos estados térmicos que pueden tener los cuerpos.  Así decimos en forma imprecisa que algo está frío o caliente.
La temperatura se determina de forma estricta a través del termómetro, este nos indica el estado térmico de un cuerpo, mediante un numero arbitrario i no, que dará cuenta de ese estado .
Los termómetros constan de una sustancia que se dilata ante las variaciones de temperatura, generalmente se utiliza mercurio como sustancia termométrica.  La magnitud de su dilatación nos dará una medida del estado térmico del cuerpo.
El termometro está constituido por un bulbo de vidrio que contiene el mercurio, unido a un capilar también de vidrio, que tiene la escala de grados centígrados graduada.  Al dilatarse el mercurio asciende por el capilar.
Las escalas termométricas son: Celsius, Kelvin, Reamur y Fahrenheit.


LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA

La termodinámica es la rama de la física que estudia la energía y la 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, Ay B, están en equilibrio termodinámico, y B está a su vez en equilibrio termodinámico con un tercer sistema C, entonces A y C se encuentran en equilibrio termodinámico. Este principio fundamental se enunció formalmente luego de haberse enunciado las otras tres leyes de la termodinámica, por eso se la llamó “ley cero”.
La primera ley de la termodinámica, también conocida como 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).
La primera ley de la termodinámica establece que al variar la energía interna en un sistema cerrado, se produce calor y un trabajo. “La energía no se pierde, sino que se transforma”.
La segunda ley de la termodinámica indica la dirección en que se llevan a cabo las transformaciones energéticas. El flujo espontáneo 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 se define como la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir un trabajo.
Esto es más fácil de entender con el ejemplo de una máquina térmica:
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 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 máquina 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 un 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.
La tercera de las leyes de la termodinámica afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos, ya que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. A medida que el sistema se acerca al cero absoluto, el intercambio calórico es cada vez menor hasta llegar a ser casi nulo. Ya que el flujo espontáneo de calor es unidireccional, desde los cuerpos de temperatura más alta a los de temperatura más baja (Segunda ley), sería necesario un cuerpo con menor temperatura que el cero absoluto; y esto es imposible.

Trabajo Práctico a entregar:

En el siguiente informe se desarrollará y se explicarán 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
que se pueden efectuar en cualquier aula.
Las leyes de la termodinámica que se desarrollarán serán:
-  Ley cero de la termodinámica o principio del equilibrio termodinámico.
-  Primera ley de la termodinámica o principio de la conservación de la energía.
-  Segunda ley de la termodinámica.

-  Tercera ley de la termodinámica.

OBJETIVOS
El objetivo principal del trabajo es alcanzar la comprensión de algún tema de física de
los que se enseñan en el secundario (en este caso las leyes de la termodinámica),
mediante el desarrollo, la construcción y la prueba de un experimento simple realizable
en el aula con elementos cotidianos, que permita estudiarlo y entenderlo.

MATERIALES EMPLEADOS
Para la realización de este experimento son necesarios los siguientes elementos:
-  Vaso de precipitado
-  Termómetro que alcance una temperatura mayor a los 100ºC (por lo menos uno).
-  Agua fría (7ºC-10ºC), agua tibia (28ºC-30ºC) y agua caliente (100ºC).
-  Colorante (se pueden utilizar colorantes artificiales o tinta).
-  Cubetera (de las utilizadas para hacer hielo en el freezer o congelador).
-  Reloj o cronómetro.

Preguntas de ayuda:
¿Que ocurrió con el colorante del hielo cuando el agua (sistema A) establece contacto con el hielo (sistema B)?¿Ambos intentan llegar a un equilibrio termodinámico?. A su vez, estos dos sistemas buscan el equilibrio
termodinámico con que otro sistema? ¿Cual es ese sistema? ¿Se alcanza el equilibrio? Justificar.
¿Aparece la segunda ley de termodinámica en este caso?

¿Que ocurrió con el colorante del hielo  cuando se sumergió en el agua,  aumento su T° ( 30°-40°)?

La última parte del experimento fue también la más gráfica, ya que el intercambio de calor fue más brusco, el colorante descendió en forma de flujo turbulento por el costado del vaso y se difundió más rápidamente.