EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR OBJETIVO: Determinar la energía (en Joules) equivalente a 1 caloría INTRODUCCION:

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1 EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR OBJETIVO: Determinar la energía (en Joules) equivalente a 1 caloría INTRODUCCION: El valor promedio del trabajo externo o energía intercambiada entre un sistema y sus alrededores, debido a los intercambios internos de energía que se producen como resultado de colisiones entre las moléculas del sistema y las moléculas de los alrededores se denomina calor. No se debe considerar el calor como una forma nueva de energía o una forma diferente de energía. Calor es sólo un nombre dado a una forma especial de trabajo o de intercambio de energía entre las partículas de dos sistemas. El calor Q se considera positivo cuando corresponde a un trabajo externo neto efectuado sobre el sistema y es negativo si es equivalente a un trabajo externo neto ejercido por el sistema. En el primer caso se dice que el sistema absorbió calor y en el segundo caso, que el sistema liberó calor. La caloría se introdujo en un principio como unidad para medir el calor cuando la naturaleza de éste era desconocida. Pero la caloría es simplemente otra unidad que mide trabajo y energía y no calor exclusivamente. Así pues, como calor es energía, se puede medir también en Joules. Encontrar la equivalencia entre Joules y calorías es el propósito de esta práctica; fue determinada primero por Joule en una serie de experimentos iniciados en 1843 y con frecuencia se le ha llamado "equivalente Joule". Es usual denominarlo equivalente mecánico del calor y, el valor que se usa es de 1 caloría = J. El calentador de inmersión que se usará en esta práctica trabaja como una resistencia conectada a una batería que, por un fenómeno denominado "efecto Joule", libera calor. Cuestionario de pre-laboratorio: 1._) El calor es trabajo o es energía?. Explique 2._) En qué unidades se mide el calor?

2 3._) Qué es un calentador de inmersión? 4._) Elabore el diseño del experimento (material y procedimiento). MATERIAL: PROCEDIMIENTO Calentador de inmersión 500 ml de agua a temperatura ambiente termómetro cronómetro 1) Vierta el agua en el recipiente calentador de agua que contiene el calentador de inmersión, ciérrelo bien y mida la temperatura inicial con el termómetro que está ubicado en la tapa del recipiente. 2) Encienda el calentador y el cronómetro. 3) Espere a que la temperatura haya subido unos 5 ºC y tome nota de la temperatura final, el tiempo transcurrido entre ambas lecturas y la potencia (J/s) del calentador. 4) Repita esta operación con cada posición de la perilla del calentador de inmersión. Las equivalencias, en watts, de las posiciones son las siguientes: 2 = 250 w; 3 = 500 w; 4 = 750 w; 5 = 1000 w; y así sucesivamente, se sugiere que se comience en la posición 2. 5) Para cada cambio, calcule la cantidad de calor transferida al agua (Q = mc T, usando el calor específico del agua en unidades de cal/gºc). 6) Para cada cambio, calcule la cantidad de calor transferida al agua, sabiendo el tiempo transcurrido y la potencia del calentador. 7) Elabore una gráfica de la cantidad de calor en calorías vs la cantidad de calor en Joules. Realice una aproximación por mínimos cuadrados y obtenga la pendiente. A partir de estos datos obtenga el equivalente mecánico del calor, es decir, la cantidad de Joules que son equivalentes a 1 caloría de energía calorífica. Cuestionario:

3 1.-) Compare su resultado para el equivalente mecánico del calor con el valor aceptado de joules/caloría. Calcule el error relativo de su valor. 2.-) Discuta las razones por las cuales el valor obtenido por Ud. difiere del valor aceptado, fue menor o mayor?, podría explicar por qué resultó de uno u otro modo?. 3.-) Cuántas calorías de calor se llevarían 200 ml de agua a 20ºC para calentarla hasta 80ºC?. Cuánto tiempo tomaría calentar el agua si se usa un calentador de 50 watts de potencia?. Muestre sus cálculos. Referencias: SOKOLOFF,D.,LAWS,P & THORNTON,R. "Real Time Physics: Heat and Thermodynamics",1997. ALONSO & FINN. "Fundamental University Physics: Mechanics and Thermodynamics (Vol I)", Addison-Wesley, 2º ed., PRÁCTICA Nº 1: CAMBIOS DE FASE OBJETIVO: Estudiar el fenómeno de trasferencia de calor en los procesos de fundido y evaporación del agua. Calcular el calor latente de vaporización del agua. INTRODUCCIÓN: Los procesos en los que una sustancia cambia de estado (tales como fusión, evaporación, condensación, etc...), se llaman cambios o transiciones de fase. Cada estado de la materia está determinado por su propio conjunto de características de presión y temperatura y requiere de adición o sustracción de calor para habilitarlo a pasar de un estado a otro. La figura 1 muestra una relación de los términos usados para describir los diferentes cambios de fase. Por ejemplo, para fundir un sólido, primero debemos suministrar suficiente calor para incrementar la agitación térmica de los átomos que forman la red cristalina, y así elevar la temperatura hasta llegar al punto de fusión. Luego debemos seguir suministrando calor para romper la red cristalina y así fundir el sólido. La primera parte del calor sirve para incrementar la energía cinética de los átomos y la segunda se necesita para romper las fuerzas de enlace que mantienen a los átomos unidos, darles un grado de libertad mayor y así incrementar su energía potencial. La

4 temperatura aumenta a razón constante durante el transcurso del suministro de la primera parte de calor y la temperatura permanece constante mientras el sólido se funde. Se revierte el proceso de fundición cuando permitimos que un líquido a temperatura ambiente se enfríe hasta llegar a su punto de congelamiento y se solidifica. El líquido libera energía al medio ambiente, parte de ésta debido a la reducción en la energía cinética y el resto al decremento en la energía potencial. En este cambio de fase también se observa que la temperatura permanece constante. Condiciones similares se aplican a la evaporación de un líquido y al proceso inverso. La cantidad de calor requerida para evaporar (o vaporizar) un gramo de una sustancia se llama el calor latente de vaporización de dicha sustancia. Cuestionario de pre-laboratorio: 1.-) Qué es un cambio de fase? 2.-) Investigue los puntos de fundición y evaporación del agua. 3.-) Investigue las razones por las cuales los puntos de ebullición y fundición pueden variar. 4.-) A qué se le denomina equilibrio de fase? 5.-) Qué es calor latente? 6._) Investigue el valor del calor latente del agua. 7.-) Elabore el diseño experimental de la práctica ( material, dibujo o esquema, procedimiento) Material: un vaso con suficiente hielo picado en trocitos fuente de calor termómetro agua contenedor para el agua vaso de metal balanza de precisión cilindro graduado Procedimiento: Parte I: 1) Añade una cantidad conocida de agua a temperatura ambiente al contenedor. 2) La cantidad de hielo debe ser aproximadamente igual a dos o tres veces el volumen de la cantidad de agua, séquelo con una toalla de modo de eliminar cualquier gota de agua líquida presente y añádalo inmediatamente al contenedor con el agua. 3) Mueva vigorosamente la mezcla con el termómetro y continúe haciéndolo durante todo el experimento. 4) Mida la temperatura inicial de la mezcla de hielo y agua y observe qué sucede con la temperatura. 5) Cuando la temperatura permanezca constante, vacíe inmediatamente el agua en un cilindro graduado, el agua líquida solamente, el hielo no. 6) Determine cuánto hielo se derritió. 7) Repita los pasos anteriores para 2 cantidades distintas de agua a temperatura ambiente. Cuestionario: 1) Para cada experimento calcule el calor perdido por el agua a temperatura ambiente y el calor ganado por el hielo. 2) Trace una gráfica del calor ganado por el hielo versus la masa de hielo derretida. Realice una aproximación por mínimos cuadrados. Qué interpretación se le da a la pendiente?

5 Parte II: 1) Determine la masa del vaso del metal y su capacidad calorífica. Añada una cantidad conocida de agua a temperatura ambiente. 2) Mida la temperatura inicial del agua. 3) Caliente el vaso con agua por 5 minutos aproximadamente (si usa una parrilla eléctrica o un calentador de inmersión, déjelo encendido, dentro de otro vaso con agua en el caso del calentador de inmersión, por varios minutos). Grafique la temperatura versus el tiempo, tomando la temperatura cada 20 segundos. Anote la temperatura de ebullición del agua. 4) Vierta el contenido del vaso en un cilindro graduado y determine la masa de agua que se vaporizó. Cuestionario: 1) Calcule la cantidad de calor proporcionado al sistema vaso-agua. 2) Calcule la cantidad de calor empleada para elevar la temperatura del agua hasta su punto de ebullición. Explique. 3) Calcule la cantidad de calor utilizado para vaporizar el agua. Explique 4) De acuerdo a su experimento, cuánta cantidad de calor se requiere para vaporizar un gramo de agua?. Explique. Referencias: SOKOLOFF,D.,LAWS,P & THORNTON,R. "Real Time Physics: Heat and Thermodynamics",1997. McDermott,Lillian. "Physics by inquiry". Vol I. John Wiley &sons, N.Y.,1996. APUNTES TERMODINÁMICA._ Es una ciencia experimental basada en un pequeño número de principios que son generalizaciones tomadas de la experiencia. Se refiere sólo a propiedades macroscópicas de la materia. Nos proporciona relaciones entre las propiedades físicas de cualquier sistema una vez que se realizan ciertas mediciones. La teoría cinética y la termodinámica estadística nos permiten calcular las magnitudes de estas propiedades en aquellos sistemas cuyos estados energéticos se pueden determinar. La teoría cinética aplica las leyes de la mecánica a las moléculas individuales de un sistema y nos permite, por ejemplo, calcular el valor numérico del calor específico de un gas y comprender las propiedades de los gases en función de la ley de fuerzas entre las moléculas individuales. La termodinámica estadística valora consideraciones estadísticas para determinar la distribución de grandes conjuntos de moléculas que constituyen una porción macroscópica de la materia. Un sistema termodinámico es cierta porción del universo incluída dentro de una superficie cerrada llamada límite del sistema. Este límite puede ser real (como la superficie interior de un tanque que contiene gas) o imaginario (como el límite de cierta masa del líquido que circula a lo largo de una tubería cuyo progreso se sigue mentalmente). Existen distintos tipos de sistemas: a) Sistema aislado: Si no se produce intercambio alguno de energía con el entorno. b) Sistema cerrado: Si la materia no cruza los límites. c) Sistema abierto: Si se produce intercambio de materia entre el sistema y el medio ambiente.

6 Se llama universo al conjunto del sistema más el entorno (también llamdo medio ambiente o medio exterior). Un estado queda determinado por los valores de ciertas magnitudes medibles experimentalmente llamadas propiedades o variables de estado. ejemplo de propiedades son temperatura, presión, volumen, polarización de un dieléctrico, área superficial de un líquido, imanación de un cuerpo magnético. Las propiedades se pueden clasificar en extensivas e intensivas: 1) Propiedades extensivas: Son proporcionales a la masa del sistema. Ejemplos: volumen total, energía total. 2) Propiedades intensivas: Son independientes de la masa. Ejemplos: temperatura, presión, densidad. Ejercicio: Determine si las siguientes son propiedades extensivas o intensivas. a) Momento magnético de un gas. b) Longitud de un alambre c) Tensión superficial de una película de aceite. Respuestas._ (a) Extensiva, (b) Extensiva, (c) Intensiva. Valor específico: El valor específico de una propiedad extensiva se define como el cociente del valor de la propiedad por la masa del sistema, es decir, su valor por unidad de masa. La convención es usar letras mayúsculas para las propiedades extensivas y letras minúsculas para los valores específicos correspondientes. Por ejemplo, sea V el volumen total, definimos v=v/m como el volumen específico. Todo valor específico correspondiente a una propiedad extensiva es una propiedad intensiva puesto que es independiente de la masa. Valor molar específico: Es la razón de una propiedad extensiva al número de moles de un sistema. Por ejemplo, el volumen molar específico se define como v = V/n, donde n es el número de moles. No hay posibilidad de confusión entre los dos valores específicos puesto que la ecuación donde se maneje así lo especificará y, si no lo hace, significa que se cumple (la ecuación) igual para ambos valores específicos. La Bomba de Calor: La bomba de calor es el sistema diseñado para proveer de una útil calefacción o su inverso que es la refrigeración. Su funcionamiento es el mismo funcionamiento para ambos procesos. La bomba de calor transfiere calor de un lugar a baja temperatura a un lugar de alta temperatura que es al cual se le quiere calentar. En temporadas de calor, un líquido refrigerante, como el Freón es bombeado dentro de una espiral que se encuentra fuera del área que quiere ser calentada. El refrigerante se encuentra frío, así que absorbe calor del aire exterior, la tierra, u otro medio. Después fluye a un compresor, el cual eleva su temperatura y su presión volviéndolo vapor antes fluye aun serpentín interior. Ahí el calor es radiado hacia el cuarto o cualquier espacio que quiere ser calentado. El refrigerante una vez que cedió gran parte de su calor, pasa por una válvula donde su presión y temperatura son equilibradas (baja) y nuevamente es bombeada al serpentín exterior para continuar el ciclo.

7 El proceso se muestra en el siguiente Diagrama: Qc = Mc (Tsc -tes) Valvula de Expansion Qei= Ke Se Te Qee= M C (te - ts) W Compresor W+Q=H2-H1 W = H2-H1 Evaporador Para que sea un aire acondicionado se cuentan con unas válvulas que invierten el proceso (flujo), así que el refrigerante toma el calor de adentro de la habitación y lo descarga en el exterior. Al igual que los hornos, la mayoría de las bombas de calor son controladas por medio de termostatos. Ya que la mayoría de las bombas de calor utilizan aire del ambiente como fuente de calor, y a veces este es muy bajo como las temperaturas invernales de regiones del norte donde frecuentemente son bajo cero, esto hace difícil elevar la temperatura y la presión del refrigerante. Los sistemas de bomba de calor son usados a gran escala, no solamente en residencias, sino también en edificios comerciales y escuelas. MÁQUINA TERMOELECTRICA OBJETIVOS: 1) Estudiar la Segunda Ley de la Termodinámica. 2) Comprender el concepto de entropía. INTRODUCCIÓN: Para convertir calor en energía mecánica nuevamente se necesita alguna forma de máquina de calor, como la turbina de vapor, por ejemplo. Otros ejemplos de máquinas de calor son: El motor de gasolina, la máquina de propulsión e incluso el cuerpo humano, en el sentido de que usamos la energía obtenida del alimento y con ella efectuamos trabajo. Pero no todo el calor puede convertirse en energía mecánica, hay muchas pérdidas, principalmente en fricción. Ninguna máquina puede convertir calor en energía mecánica con una eficiencia del 100%. La locomotora de vapor, por ejemplo, tiene un aeficiencia de, a lo sumo, 12 % y una turbina de vapor 35%. La imposibilidad de alcanzar una conversión perfecta de energía es lo que se conoce como la seguna ley de la termodinámica.

8 Enunciemos esta forma práctica de la segunda ley como sigue: "La energía calorífica no puede transformarse completamente en trabajo mecánico (y a la inversa) en un proceso cíclico. Un proceso cíclico significa que una máquina pasa por un ciclo de procesos que la reintegran a su estado original, de modo que un ciclo de repetición pueda mantener una producción constante de trabajo. Cuestionario de pre-laboratorio: 1._) Enuncie y explique la segunda ley de la termodinámica 2._) Explique el concepto de entropía. 3.-) En qué consiste el efecto Seebeck? 4.-) En qué consiste el efecto Peltier? Material: convertidor termoeléctrico 2 contenedores, uno con agua caliente y otro con agua fría fuente de poder DC con capacidad para 5V y 3A cables correspondientes hielo hielo seco Procedimiento: El convertidor termoeléctrico posee un interruptor en la parte superior izquierda, si se encuentra en la posición A, se generará energía mecánica a partir de una diferencia de temperaturas y si está en B, se generará una diferencia de temperaturas a partir del movimiento del ventilador, generado éste a través de la fuente de poder. PRECAUCION: Los brazos de la máquina termoeléctrica nunca deben de exceder los 135 ºC, porque este es el punto de fusión de la soldadura que mantiene unidos los elementos de los brazos de la máquina. ACTIVIDAD 1: 1.-) Con el interruptor en la posición A, coloque un brazo del convertidor termoeléctrico en agua caliente (unos 80ºC) y el otro en agua fría (unos 30ºC). Observe qué sucede con el ventilador. A este fenómeno se le denomina efecto Seebeck. 2.-) Mezcle el agua contenida en ambos contenedores y repita la operación. Observe qué sucede con el ventilador. 3.-) En un contenedor coloque agua a temperatura ambiente y en el otro, hielo seco, repita la operación. Observe qué sucede con el ventilador. 4.-) Repita la operación con diferentes temperaturas, varíe la diferencia de temperaturas y observe la velocidad de giro del ventilador. ACTIVIDAD 2: 1.-) Con el interruptor en la posición B, pase una corriente de 3A a 5V a través del convertidor termoeléctrico. Sumerja cada brazo de la máquina termoeléctrica en vasos con agua a la misma temperatura (ambiente). Observe qué sucede con los brazos del convertidor. PRECAUCIONES: NO EXCEDA DE 8V NO PASE ENERGÍA POR MÁS DE DOS MINUTOS A TRAVÉS DEL CONVERTIDOR.

9 2.-) Monitoree las temperaturas en cada vaso (cada 30 segundos) y realiza las gráficas de Temperatura contra tiempo. 3.-) Al terminar el monitoreo, coloque el interruptor en la posición A y observe qué sucede con el ventilador. Cuestionario: 1.-) A partir de qué diferencia de temperaturas entre el agua de los contenedores gira el ventilador? 2.-) En la actividad 1, cuál es el cambio en entropía del agua caliente?, cuál el del agua fría? (no olvide especificar el signo), cómo son, entre sí, estas dos entropías?, cuál es mayor?. 3.-) En base a lo contestado en la pregunta (3), cuál es la relación entre el calor cedido por el agua caliente y el absorbido por el agua fría?, cuando el agua se mezcla, ambas temperaturas son iguales, si el ventilador se moviera, violaría ésto la segunda ley de la termodinámica?. 4.-) Cómo se le llama al fenómeno observado en la actividad 2? Descríbalo ampliamente. 5.-) Describa ampliamente el efecto Seebeck, observado en la actividad 1.