2. TEMA:
LEYES DE LA TERMODINAMICA
1 Objetivos
Objetivo General: Entender las leyes de la termodinámica
Objetivos Específicos: 1. Demostrar de manera experimental la Ley Cero, la
primera y la segunda ley de la termodinámica.
2 Materiales & Equipos
1. Vaso de precipitado (1 L).
2. Termómetro que alcance una temperatura mayor a los 100ºC
3. Soporte para termómetro
4. Agua fría (7ºC-10ºC)
5. Agua tibia (28ºC-30ºC)
6. Agua caliente (100ºC)
7. Colorante (se pueden utilizar colorantes artificiales o tinta)
8. Cubeta (para hacer hielo)
9. Reloj o cronómetro.
3 Marco teórico
La termodinámica (del griego termo, que significa «calor» [1] y dínamis, que significa
«fuerza»)[2] es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel
macroscópico.[3] Constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos,
que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un método experimental.[4] Los estados de
equilibrio se estudian y definen por medio de magnitudes extensivas tales como la energía
interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema,[5] o por medio de
magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el
potencial químico; otras magnitudes, tales como la imanación, la fuerza electromotriz y las
asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también pueden tratarse por
medio de la termodinámica.[6] La termodinámica ofrece un aparato formal aplicable
3. únicamente a estados de equilibrio,[7] definidos como aquel estado hacia «el que todo sistema
tiende a evolucionar y caracterizado porque en el mismo todas las propiedades del sistema
quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente
aplicadas».[5] Tales estados terminales de equilibrio son, por definición, independientes del
tiempo, y todo el aparato formal de la termodinámica –todas las leyes y variables
termodinámicas–, se definen de tal modo que podría decirse que un sistema está en equilibrio
si sus propiedades pueden describirse consistentemente empleando la teoría termodinámica.[5]
Los estados de equilibrio son necesariamente coherentes con los contornos del sistema y las
restricciones a las que esté sometido.
Por medio de los cambios producidos en estas restricciones (esto es, al retirar limitaciones tales
como impedir la expansión del volumen del sistema, impedir el flujo de calor, etc.), el sistema
tenderá a evolucionar de un estado de equilibrio a otro;[8] comparando ambos estados de
equilibrio, la termodinámica permite estudiar los procesos de intercambio de masa y energía
térmica entre sistemas térmicos diferentes.
La termodinámica no se ocupa de ofrecer una interpretación física de sus magnitudes. La
primera de ellas, la energía interna, se acepta como una manifestación macroscópica de las leyes
de conservación de la energía a nivel microscópico, que permite caracterizar el estado
energético del sistema macroscópico. [9] El punto de partida para la mayor parte de las
consideraciones termodinámicas son los que postulan que la energía puede ser intercambiada
entre sistemas en forma de calor o trabajo, y que sólo puede hacerse de una determinada manera.
También se introduce una magnitud llamada entropía,[10] que se define como aquella función
extensiva de la energía interna, el volumen y la composición molar que toma valores máximos
en equilibrio: el principio de maximización de la entropía define el sentido en el que el sistema
evoluciona de un estado de equilibrio a otro.[11] Es la mecánica estadística, íntimamente
relacionada con la termodinámica, la que ofrece una interpretación física de ambas magnitudes:
la energía interna se identifica con la suma de las energías individuales de los átomos y
moléculas del sistema, y la entropía mide el grado de orden y el estado dinámico de los sistemas,
y tiene una conexión muy fuerte con la teoría de información.[12] En la termodinámica se
estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas, lo que lleva a definir conceptos
como sistema termodinámico y su contorno. Un sistema termodinámico se caracteriza por sus
propiedades, relacionadas entre sí mediante las ecuaciones de estado. Éstas se pueden combinar
para expresar la energía interna y los potenciales termodinámicos, útiles para determinar las
condiciones de equilibrio entre sistemas y los procesos espontáneos.
4. Con estas herramientas, la termodinámica describe cómo los sistemas responden a los cambios
en su entorno. Esto se puede aplicar a una amplia variedad de ramas de la ciencia y de la
ingeniería, tales como motores, cambios de fase, reacciones químicas, fenómenos de transporte,
e incluso agujeros negros.
Desarrollo
Antes de comenzar el experimento, se deben preparar los cubos de hielo con el colorante o la
tinta. Hay que dejarlos en el refrigerador alrededor de tres horas para que queden sólidos en el
centro (el colorante se puede llegar a concentrar en el centro, pero esto no afecta al
experimento).
1. Se prepara el vaso de precipitado con agua fría a 10ºC (agua de la heladera), para la
primer parte del experimento. Se toma la temperatura del agua para compararla luego con la
temperatura final, introduciendo el termómetro en el agua y sosteniéndolo con el soporte para
termómetro. Preparar el reloj e introducir el primer hielo en el agua.
Tomar el tiempo que el agua comienza a tomar color, y el tiempo que tarda en derretirse el
hielo. Anotar los datos, la temperatura final del agua, temperatura ambiente, tiempo final, y una
descripción de lo que sucede.
2. La segunda parte del experimento se debe realizar con agua tibia, a 28ºC. Se realizaran
los mismos procedimientos que en el paso anterior, y se debe tomar nuevamente el tiempo que
el agua comienza a tomar color, y el tiempo que tarda en derretirse el hielo. Anotar los datos,
la temperatura final del agua, temperatura ambiente, tiempo final, y una descripción de lo que
sucede.
3. Finalmente la última etapa del experimento se la debe realizar con agua llevado a punto
de hervor (100ºC), pero hay que tener en cuenta que al trasvasar el contenido y mientras se está
realizando el experimento, el agua pierde más calor que en paso 1 o en el 2. Seguir los mismos
pasos del numeral 1 y 2.
5. 4 Análisis e Interpretación de Resultados
Antes de comenzar el experimento, se deben preparar los cubos de hielo con el colorante
o la tinta. Hay que dejarlos un buen tiempo para que queden sólidos en el centro (el
colorante se puede llegar a concentrar en el centro, pero esto no afecta al experimento).
Se prepara el vaso de precipitado con agua fría a º6Cpara la primer parte del experimento.
Se toma la temperatura del agua para compararla luego con la temperatura final,
introduciendo el termómetro en el agua y sosteniéndolo con el soporte para termómetro.
Preparamos el reloj e introdujimos el primer hielo en el agua. A los pocos segundos se
pudieron ver los primeros rastros de colorante, pero recién al minuto y medio se observan
líneas de colorante en forma de flujo laminar descendiendo por un costado del vaso y el
agua comienza a tomar color.
Temperatura
Inicial
Temperatura
Final
Temperatura del
Ambiente
Tiempo en
segundos
6 ºC 17 ºC 22ºC 1200 seg
Aquí ya se puede establecer una relación con la ley cero de la termodinámica: 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 un tercer sistema, el aire (sistema C), por lo que en algún momento los tres sistemas
alcanzarán este equilibrio. Aquí también aparece la segunda ley de la termodinámica: el agua
6. le transfiere calor al hielo, haciendo que la temperatura de este aumente y provocando el
cambio de estado.
Luego de cinco minutos se vio bastante colorante en el fondo del vaso y el agua un poco más
verde; pero al finalizar esta primera etapa, a los veinte minutos, se vio que el agua había
cambiado de color y que la mayor parte del colorante se encontraba en el fondo.
La segunda parte del experimento se realizó con agua tibia, a 30ºC. Se realizaron los
mismos procedimientos que en el paso anterior. Al introducir el hielo, el colorante empezó
a bajar casi instantáneamente, pero esta vez en forma de flujo turbulento. Llegó hasta el
fondo del vaso y comenzó a difundirse por los laterales. Al minuto de iniciado este paso,
todo el vaso ya estaba verde, y se pudo ver el colorante bajando velozmente por la
diferencia de temperaturas.
Temperatura
Inicial
Temperatura
Final
Temperatura del
Ambiente
Tiempo en
segundos
32 ºC 29 ºC 22ºC 85.2 seg
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. El agua se había llevado a punto de hervor (100ºC),
pero hay que tener en cuenta que al trasvasar el contenido y mientras se está realizando el
experimento, el agua pierde más calor que en paso 1 o en el 2. Por esto la diferencia de
temperatura es mayor entre la temperatura inicial y la final.
Temperatura
Inicial
Temperatura
Final
Temperatura del
Ambiente
Tiempo en
segundos
100ºC 78 ºC 22ºC 24 seg
5 Conclusiones y recomendaciones
Del experimento anteriormente realizado se puede concluir lo siguiente, respecto a cada una de
las leyes explicadas y su demostración:
-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 sólo entre ellos, sino que también
con un tercer sistema que era el aire. Eventualmente los tres sistemas alcanzarían el
7. 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 hielo.
-Primera ley de la termodinámica: Al poner el hielo en el agua, el agua cedió calor al hielo para
poder alcanzar el equilibrio 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: Se puede ver claramente que el hielo recibe calor del agua,
aumenta su temperatura y cambia a estado líquido. Aquí es cuando comienza a liberar
colorante. Si tomamos a la entropía como el grado de desorden de las partículas de un sistema,
podemos ver un claro ejemplo de ella comparando los tres pasos. En el primer caso, el
colorante no se diluyó completamente; en el segundo, el colorante se diluyó, pero no de
forma inmediata; pero en el tercero, el colorante formó una mezcla homogénea de forma casi
inmediata. Esto significa que la entropía fue mucho mayor en el último caso que en los
anteriores, ya que las partículas de colorante alcanzaron su grado máximo de desorden
al diluirse por completo en el agua. En cambio en el primer paso las partículas
permanecieron relativamente más ordenadas al acumularse en el fondo. 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. 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.
-Tercera ley de la termodinámica: para poder alcanzar una temperatura igual al cero absoluto
se necesitaría un sistema que tuviera una temperatura menor a este (segunda ley de la
termodinámica), lo cual es imposible. Según lo visto en el experimento, con las muestras
obtenidas de la temperatura, se necesita mucha diferencia de temperatura para lograr
reducirla notablemente en un sistema, y debe estar aislado del entorno (sistemas adiabáticos).
En este caso la masa inicial de agua tiene menor entropía que la masa final de agua,
demostrando esta tercera ley de la termodinámica.
9. 7 Bibliografía
[1] «termo-», Diccionario de la lengua española (22.ª edición), Real Academia Española, 2001,
http://lema.rae.es/drae/?val=termo-.
[2] «dinámico», Diccionario de la lengua española (22.ª edición), Real Academia Española, 2001,
http://lema.rae.es/drae/?val=din%C3%A1mico.
[3] Callen, H., Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, 2nd Ed., Rivas, 1986
[4] Ver R.RIVAS, 1986.
[5] Callen, H., Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, 2nd Ed., Wiley, 1985
[6] Asaro, R., Lubarda, V., Mechanics of Solids and Materials, Cambridge University Press (2006)
[7] Reif, F., Fundamentals of Statistical and Thermal Physics, McGraww-Hill, New York, 1985, pag. 3
[8] Cfr.Callen, H., 1985; Reif, F., 1985
[9] Reif, F., Fundamentals of Statistical and Thermal Physics,McGraw-Hill, New York, 1985
[10] La entropía se define en termodinámica clásica para sistemas que se encuentran en equilibrio
termodinámico y fuera de él no tiene sentido.
[11] Cfr. Callen, H., 1985
[12] Cfr. Reif, F, 1985
![TEMA:
LEYES DE LA TERMODINAMICA
1 Objetivos
Objetivo General: Entender las leyes de la termodinámica
Objetivos Específicos: 1. Demostrar de manera experimental la Ley Cero, la
primera y la segunda ley de la termodinámica.
2 Materiales & Equipos
1. Vaso de precipitado (1 L).
2. Termómetro que alcance una temperatura mayor a los 100ºC
3. Soporte para termómetro
4. Agua fría (7ºC-10ºC)
5. Agua tibia (28ºC-30ºC)
6. Agua caliente (100ºC)
7. Colorante (se pueden utilizar colorantes artificiales o tinta)
8. Cubeta (para hacer hielo)
9. Reloj o cronómetro.
3 Marco teórico
La termodinámica (del griego termo, que significa «calor» [1] y dínamis, que significa
«fuerza»)[2] es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel
macroscópico.[3] Constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos,
que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un método experimental.[4] Los estados de
equilibrio se estudian y definen por medio de magnitudes extensivas tales como la energía
interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema,[5] o por medio de
magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el
potencial químico; otras magnitudes, tales como la imanación, la fuerza electromotriz y las
asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también pueden tratarse por
medio de la termodinámica.[6] La termodinámica ofrece un aparato formal aplicable](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)