Download Interpretación microscópica del equilibrio térmico

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DE LAS FUERZAS ARMADAS.
SEDE CHUAO
Profesor: Ing. Francisco Javier Seijas
Integrantes:
Agüero Bárbara
C.I: Nº. 11.027.609
Griffith María
C.I: Nº 10.935.561
Montilla Octaly
C.I: Nº 19.224.810
Montilla Eduardo C.I: Nº 19.334.529
Nadales Cristhian C.I: Nº 17.725.211
Rivas Dewis
C.I: Nº 15.758.818
Práctica Nº 3
Térmica
Se denomina energía térmica a la energía liberada en forma de calor. Puede ser obtenida de la
naturaleza o del sol a partir de la energía térmica, mediante una reacción exotérmica, como la
combustión de algún combustible; por una reacción nuclear de fisión o de fusión; mediante
energía eléctrica por efecto Joule o por efecto termoeléctrico; o por rozamiento, como residuo
de otros procesos mecánicos o químicos. Asimismo, es posible aprovechar energía de la naturaleza
que se encuentra en forma de energía térmica, como la energía geotérmica o la energía solar
fotovoltaica. La energía térmica se puede transformar utilizando un motor térmico, ya sea en
energía eléctrica, en una central termoeléctrica; o en trabajo mecánico, como en un motor de
automóvil, avión o barco.
Si consideramos dos cuerpos en contacto térmico. Entre dichos cuerpos no existe flujo de calor
entonces se dice que ambos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico. El parámetro
termodinámico que caracteriza el equilibrio térmico es la temperatura. Cuando dos cuerpos se
encuentran en equilibrio térmico, entonces estos cuerpos tienen la misma temperatura. Para poder
dar una definición más precisa del concepto de equilibrio térmico desde un punto de vista
termodinámico es necesario definir algunos conceptos.
Dos sistemas que están en contacto mecánico directo
o separados mediante una superficie que permite la
transferencia de calor lo que se conoce como superficie
diatérmica, se dice que están en contacto térmico. El
concepto de equilibrio térmico puede extenderse para
hablar de un sistema o cuerpo en equilibrio térmico.
Cuando dos porciones cualesquiera de un sistema se
encuentran en equilibrio térmico se dice que el sistema
mismo está en equilibrio térmico o que es térmicamente
homogéneo.
Interpretación microscópica del equilibrio térmico:
La Termodinámica proporciona una descripción macroscópica de los sistemas que estudia, sin
hacer hipótesis acerca de la estructura microscópica de esos sistemas. Sin embargo, existen otras
disciplinas, como la Mecánica Estadística, que estudian los mismos fenómenos de la
Termodinámica, pero desde un enfoque microscópico.
En particular, el concepto de equilibrio térmico está ligado al concepto de temperatura al decir
que dos sistemas en equilibrio térmico tienen la misma temperatura. Desde un punto de vista
microscópico, la temperatura esta asociada a la energía cinética promedio que tienen las partículas
que constituyen el sistema, a saber, átomos, moléculas y/o la estructura electrónica de la sustancia
que constituye el sistema. Microscópicamente, esta energía cinética promedio de las partículas de un
sistema es lo que en la Termodinámica se llama energía interna, que es una energía que depende
casi exclusivamente de la temperatura del sistema. A mayor energía cinética promedio de las
partículas que constituyen un sistema, mayor energía interna y, en general, mayor temperatura del
sistema.
La situación de dos sistemas en contacto térmico se interpreta microscópica mente como que
las partículas de la superficie de interfase de ambos sistemas son capaces de interactuar entre sí.
Básicamente se puede ver que, microscópicamente, las partículas del sistema de mayor temperatura
(que tienen mayor energía cinética) van a transferir parte de su energía a las partículas del otro
sistema. Se encuentra que esta interacción entre los dos sistemas da lugar a que las partículas de los
dos sistemas alcancen la misma energía cinética promedio y, por lo tanto, la misma temperatura. Es
decir, desde un punto de vista microscópico, se entiende como equilibrio térmico entre dos sistemas
que las partículas de los dos sistemas tengan la misma energía cinética promedio.
Desde un punto de vista macroscópico, se dice que los sistemas un estado de equilibrio, bajo
las condiciones indicadas en la sección definición termodinámica del equilibrio térmico. En
cambio, desde un punto de vista microscópico, el estado de equilibrio se refiere al promedio, ya que
los dos sistemas continúan intercambiando energía incluso una vez alcanzado el equilibrio térmico.
Sin embargo, la energía cinética individual de una partícula no es estacionaria, sino que es el
promedio de la distribución de energías de todas las partículas del sistema lo que no cambia en el
tiempo.De igual manera que para el caso macroscópico, se puede extender el concepto de equilibrio
térmico a un único sistema donde, en esa situación de equilibrio, las partículas de dos partes
cualesquiera del sistema tienen la misma energía cinética promedio.
CALOR vs. TEMPERATURA
CALOR: Energía (Joule ó Calorías)
Termómetro: Dispositivo capaz de medir su propia temperatura. Su
aplicación está basada en el concepto de equilibrio térmico.
Para saber la temperatura de una sustancia o cuerpo, se utiliza un
dispositivo que permite determinar su propia temperatura. Tal dispositivo
se denomina termómetro. Para determinar la temperatura de un cuerpo,
se pone un termómetro en contacto térmico con él hasta que ambos
alcanzan el equilibrio térmico. Sabemos que en el equilibrio térmico tanto
el cuerpo como el termómetro se encuentra a la misma temperatura. Por tanto, la temperatura que
indique el termómetro será también la temperatura del cuerpo en cuestión. Se recalca que, lo que un
termómetro indica es su propia temperatura, por esto es importante conocer el concepto de equilibrio
térmico.
En esta práctica demostraremos, a través de experiencias sencillas la transferencia de calor
entre cuerpos de diferentes temperaturas, que sometidos a un exceso de calor experimentan
cambios, en su longitud y condiciones presentación.
Primera Demostración
Transferencia de Calor (Cualitativo)
Explicación Transferencia de Calor: Imaginémonos las superficies de los cuerpos en contacto y
pensemos que las partículas o átomos de una superficie están interactuando con los átomos de la
otra, transfiriéndose así el movimiento producido por las fuerzas que actúan sobre ambos materiales.
En estos casos la energía interna de ambos cuerpos aumenta porque aumentó su temperatura, es
decir aumentó la energía de sus partículas.
Materiales: Barra de Bronce, Barra de Hierro, Mechero, Termómetro Digital (Capacidad 700ºC).
Procedimiento: Previamente hemos cortado las Barras de Bronce, Barra de Hierro , y señalado en
diferentes longitudes, las marcas correspondientes para la medición de la temperatura, tal y como se
refleja en la Tabla Nº 1. Consideramos para este caso, y en vista de que los materiales tienen
características físicas similares, que la Temperatura Inicial (To) de los materiales sea un estándar
fijado en 22ºC.
Una vez seleccionadas las Barras, estas serán sometidas al calor del Mechero por un lapso de
_______, medimos la temperatura en la Long 1 y Long 2 de las barras. Anotamos los valores en dicha
tabla. Este experimento es sólo para que nos demos cuenta qué materiales transfieren más calor en
menos cantidad de tiempo. Podremos medir la conducción del calor en dichas barras a través de la
siguiente Fórmula:
Tabla Nº 1:
Material
Long
Total
Tiempo
(t)
Long 1
Temp. 1
Long 2
Coeficiente
Temp. 2 Conducción de
Calor
Barra de Bronce
Barra de Hierro
Preguntas:




Tomar los datos y colocarlos en la tabla anterior.
Durante el proceso de calor al que fueron sometidas las Barras, qué pudo observar?
En qué se diferencian Calor y Temperatura?
Supongamos que la Barra de Hierro tiene una medida tres veces mayor que la actual medida,
y realizamos el estudio en el mismo lapso del tiempo: El Coeficiente de Conducción de Calor
aumenta ó disminuye? Explique
Segunda Demostración
Coeficiente de Dilatación
Coeficiente de Dilatación: En esta experiencia trataremos de demostrar, el cambio relativo de la
longitud o volumen que se produce cuando un cuerpo sólido, en este caso una Barra de Cobre,
experimenta un cambio de temperatura a través de una dilatación térmica. Esto lo lograremos a
través de la fórmula:
∆T)
Lf= Lo (1+
Materiales: Barra de cobre, Mechero, Termómetro Digital
Procedimiento: Sometemos al calor del mechero la Barra de Cobre de Longitud 5cm, por un lapso
de ______, al concluir tomaremos las medidas de longitud y temperatura de dicha barra, anotamos en
la tabla los resultados.
Tabla Nº 2:
Material
Temp.
Inicial (To)
Temp.
Final (Tf)
Longitud
Variación de la
Longitud
Barra de cobre
Preguntas:



Tiene que ver la masa, la longitud y el tiempo al momento de hacer el experimento?
De acuerdo a su apreciación, podría decir si el hierro se dilata de igual manera?
Qué objeto contiene más calor, ¿un recipiente de agua hirviendo o un iceberg gigante?
Explique
Tercera Demostración
Transferencia de Calor.
Materiales: Un Recipiente Con Capacidad para 0,5Lt de agua (a temperatura ambiente), Barra de
hierro
Procedimiento: Previamente hemos tomado las medidas de temperatura y longitud de una Barra de
Hierro, y la hemos sometido a calor constante durante ____ de tiempo, tomamos la Barra de Hierro y
la llevamos al interior del recipiente que contiene 0,5 Lt de agua a temperatura inicial de _____ºC.
Esperamos _______ de tiempo y medimos la temperatura del agua y la temperatura de la Barra de
Hierro, anotamos los resultados en la tabla. Calculamos el calor mediante la fórmula.
Q=m.c.AT
donde -Qh=Qa
Tabla Nº 3:
Material
Masa
Barra de Hierro
400gr.
Agua
0,5Lt
Temp. Inicial (To) Temp. Final (Tf)
C
Preguntas:

Que observaron al colocar el hierro dentro del recipiente con agua?. Se cambió el estado del
agua? Porque? Explique.

¿Porqué Hierve el Agua?

La temperatura de ebullición del agua, ¿depende de la presión? Explique