Termodinámica

Paradigma de la máquina de vapor 

¿Cuáles son los paradigmas que explican funcionamiento de la máquina de vapor? 

Auspiciado por Joseph Black, ocupado en las investigaciones que le conducirían al descubrimiento del calor latente, James Watt se propuso mejorar la máquina de Newcomen, descubriendo en el curso de sus experimentos que el vapor era una reserva de calor mucho más vasta que el agua y comprendiendo que era necesario limitar todas las pérdidas de calor que se producían en la artesanal máquina de Newcomen para disminuir el consumo de combustible, principal inconveniente de estas máquinas. Analizando el problema identificó las pérdidas debidas al propio cilindro, a la práctica de enfriar el vapor para lograr el vacío necesario para mover la máquina y a la presión residual del vapor. En sus experimentos posteriores, verdaderos trabajos científicos, llegó a la conclusión de que el cilindro debía mantenerse a la misma temperatura. 

  Diferencia erencia entre calor y temperatura

R=El calor se puede asimilar a la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, ni del número o del tipo.

Capacidad calorífica

Capacidad de calor o capacidad térmica es una cantidad física medible igual a la relación del calor añadido al (o retirado de) un objeto a la resultante temperatura cambio. El SI unidad de capacidad de calor es joule por kelvin J/K. El calor específico es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una cierta masa 1 grado Celsius.

Dilatación térmica

Es el aumento de las dimensiones de un cuerpo debido al aumento de la temperatura

las partículas al aumentar la temperatura aumentan su velocidad y por lo tanto su distancia y volumen. 

¿Quién fue Sadi Carnot y qué estudios realizó sobre la máquina de vapor?

Nicolás Leonard Sadi Carnot (1796 - 1832)Nicolás Leonard Sadi Carnot, conocido como Sadi Carnot, nació en París el 1 de Julio de 1796 y murió el 24 de Agosto de 1832. Fue un físico francés pionero en el estudio de la termodinámica.

Se le reconoce en la actualidad como el fundador de la termodinámica, y escribió su trabajo cumbre a los 23 años. Este escrito estuvo desconocido durante 25 años hasta que el físico Lord Kelvin redescubrió su importancia. Carnot murió a los 36 años, víctima de una epidemia de cólera, sin que se le reconocieran los méritos a sus contribuciones a la ciencia.El segundo principio de la termodinámica (también conocido como segunda ley de la termodinámica expresa que:

La cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse en el tiempo. Este principio establece la irreversibilidad de los fenómenos físicos, especialmente durante el intercambio de calor. Es un principio de la evolución que fue enunciado por primera vez por Sadi Carnot en 1824.

EXPERIMENTO ¿Esta frío o caliente?

Materiales

Vasos de plástico

Agua caliente y fría

Preparación

Prepara dos termos con agua caliente y agua fría y un balde/cubeta para juntar el material después del experimento.

 PROCEDIMIENTO :

Llena tres vasos con agua: uno con agua bien caliente, otro a temperatura ambiente y el tercero con agua fría. Sumerge durante dos minutos un dedo índice en el agua fría y el otro en el agua caliente. Luego introduce ambos dedos en el vaso con agua a temperatura ambiente.

CONCLUSIÓN :

Sistemas Termodinámicos

Sistema aislado, cerrado, abierto.

Un sistema termodinámico puede ser una célula, una persona, el vapor de una máquina de vapor, la mezcla de gasolina y aire en un motor térmico, la atmósfera terrestre, etc.

Tipos de sistemas termodinámicos:

• Sistema Aislado.- no hay intercambio de materia ni de energía con el exterior.
• Sistema Cerrado.- No hay intercambio de materia pero sí de energía.
• Sistema abierto.- El intercambio con el exterior es de materia y de energía
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INTERACCIONES TERMODINÁMICAS

En termodinamica una pared adiabatica es una pared que no permite la transferencia de calor de un lado a otro. Una pared adiabática no deja salir ni entrar calor. Las paredes adiabáticas són conceptos teóricos ya que en caso de existir, seria un perfecto aislante termico.

Una pared diatérmica es aquella que permite la transferencia de energía térmica (calor) pero, sin que haya transferencia de masa. El opuesto es una pared adiabática que es la que impide la transferencia de energía en forma de calor.

Interacción Mecánica :Es sistema intercambia con el exterior energía en forma de trabajo como consecuencia de la variación de sus fronteras.

Interacción Térmica. Aquel sistema que transmite energía a través de sus fronteras en forma de calor.

Interacciones químicas. Dada la naturaleza eléctrica de las partículas químicas, es decir, dado que están constituidas por núcleos positivos y electrones negativos, las interacciones químicas son simplemente la consecuencia o el resultado de la interacción eléctrica entre sus partes.

Estados de equilibrio termodinámico

A qué se refiere con los estados de equilibrio termodinámico

El equilibrio térmico es aquel estado en el cual se igualan las temperaturas de dos cuerpos, las cuales, en sus condiciones iniciales presentaban diferentes temperaturas, una vez que las temperaturas se equiparan se suspende el flujo de calor, llegando ambos cuerpos al mencionado equilibrio térmico.

Equilibrio térmico: se establece sobre la base de los contactos térmicos e implica que en el sistema no haya diferentes temperaturas. Equilibrio mecánico: establece que sobre el sistema no actúen fuerzas sin compensar. Equilibrio mecánico: establece que sobre el sistema no actúen fuerzas sin compensar.

La temperatura termodinámica es una magnitud referida a la noción de calor medible mediante un termómetro. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica.

Ley Cero

El principio cero de la termodinámica es una ley fenomenológica para sistemas que se encuentran en equilibrio térmico. En palabras simples, el principio dice que si se pone un objeto con cierta temperatura en contacto con otro a una temperatura distinta, ambos intercambian calor hasta que sus temperaturas se igualan. El principio establece que para todo sistema existe una propiedad denominada temperatura empírica θ, que es común para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.

La capacidad calorífica de una sustancia es el calor necesario para elevar, en una unidad termométrica, latemperatura de una unidad de masa de dicha sustancia. Experimentalmente se ha observado que, al suministrar lamisma cantidad de calor a dos materiales diferentes, el aumento de temperatura no es el mismo en cada uno deellos. Por consiguiente, para conocer el aumento de temperatura que tiene un material cuando recibe calor,emplearemos su capacidad calorífica, la cual se define como el cociente entre la cantidad de calor.

CALOR ESPECIFICO: De manera general, el valor de la capacidad térmica varia de un cuerpo a otro .independientemente de que este hechos del mismo material, 2 cuerpos puede en tener distintas capacidades térmicas, pues sus masas puedes ser diferentes

Como el calor esecifico es caracteristico de cada material,su valor para cada sustancia se determina con todo cuidado en los laboratorios y los resultados se tabulan

El calor especifico del agua es mucho mayor que los calores especificos de casi todas las sustancias

Se sabe queel calor especifico de una material puede presentar variaciones en determinadas circunstancias

A continuacion los calores específicos mas utilizados en la física:

Agua: 1,00 cal/g C

Hielo: 0,55 cal/g C

Aluminio : 0,22 cal/g C

Mercurio: 0,033 cal/g C

Plata : 0,056 cal/g C

Hierro: 0,11 cal/g C

Calor latente de un cuerpo: Se denomina fase de una sustancia a su estado, que puede ser sólido, líquido o gaseoso. Los cambios de fase en sustancias puras tienen lugar a temperaturas y presiones definidas. El paso de sólido a gas se denomina sublimación; de solido

 a líquido – fusión,y de líquido a vapor – vaporización

Si la presión es constante, estos procesos tienen lugar a una temperatura constante. La cantidad de calor necesaria para producir un cambio de fase se llama calor latente (llamado también calor oculto o escondido), y se define como la cantidad de calor necesaria para cambiar de fase una masa m de una sustancia pura, es decir, calor entre unidad de masa.

El calor latente tiene de unidades: J/kg en el SI, pero también, cal/g y kcal/kg.Existen calores latentes de sublimación. 

Experimento :

Materiales:

Vela o un mechero

Soporte metálico o cualquier otro material donde se pueda sujetar el globo.

 

Fósforo

Procedimiento:

Selecciona un globo de látex N° 09

Coloca el globo con la mitad de agua en un soporte, tal como indica la imagen.

Debajo del globo, coloca una vela o un mechero encendido, teniendo la precaución de no quemarse.

Continuar calentando hasta que el agua hierva.

 

Explicación:

El agua tiende a absorber la energía calorífica antes que el globo. Mientras tanto la temperatura del globo no aumenta por encima de la temperatura del agua; esto permite que el agua se caliente primero y empiece a hervir.

El agua es un líquido con una gran capacidad de absorber calor, gracias a la estructura y ordenamiento de sus moléculas. Se sabe que las moléculas de agua en el estado sólido y líquido están unidas por enlaces de puentes hidrógeno y por ello gran cantidad de la energía calórica se gasta en romper dichos enlaces.

Una ecuación de estado es una ecuación que relaciona, para un sistema en equilibrio termodinámico, las variables de estado que lo describen. Tiene la forma general: No existe una única ecuación de estado que describa el comportamiento de todas las sustancias para todas las condiciones de presión. 

En termodinámica, una variable extensiva es una magnitud cuyo valor es proporcional al tamaño del sistema que describe. Por ejemplo la masa y el volumen son variables extensivas. Una variable intensiva es aquella cuyo valor no depende del tamaño ni la cantidad de materia del sistema. 

A qué se refiere con el gas Ideal y su ecuación: Es el resultado de la combinación de las dos leyes para gases muy diluidos la ley de Boyle y la ley de Chales. 

Es el resultado de la interacción de un sistema con otro tras ser eliminada alguna ligadura entre ellos, de forma que finalmente los sistemas se encuentren en equilibrio (mecánico, térmico y/o material) entre sí.

De una manera menos abstracta, un proceso termodinámico puede ser visto como los cambios de un sistema, desde unas condiciones iniciales hasta otras condiciones finales, debido a su desestabilización.

Un proceso cuasiestático se define como una idealización de un proceso real que se lleva a cabo de tal modo que el sistema está en todo momento muy cerca del estado de equilibrio, como un proceso que se realiza en un número muy grande de pasos, o que lleva mucho tiempo.

Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regresa a su estado inicial; es decir, que la variación de las magnitudes termodinámicas propias del sistema se anula.

Se denomina proceso isotérmico o proceso isotermo al cambio reversible en un sistema termodinámico, siendo en dicho cambio la temperatura constante en todo el sistema. 

El proceso isobárico es el proceso de compresión mediante el cual el volumen y la temperatura de un gas varían mientras que la presión se mantiene constante. Para más información puede consultar la definición de Compresión isotérmica.

En termodinámica, se conoce como diagrama p-v​​ al diagrama que refleja la presión en el eje de ordenadas y el volumen en el eje de abscisas. En el diagrama p-v se representa el estado de un sistema termodinámico o un proceso termodinámico del sistema. 

REFERENCIAS :

URL del artículo: https://www.experimentosfaciles.com/experimentohacer-hervir-agua-en-un-globo/

Nota completa: Experimento:hacer hervir agua en un globo

https://solar-energia.net/termodinamica

Maldonado Cervantes, G., Hernández Ortega, J. A., & Pacheco Vila, A. D. (2017). Construcción de un motor a vapor.

Sigaut, L., & Knoblauch, P. (2001). Capacidad calorífica y temperatura de Debye. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires.

García, I. (sin año). Problemas de errores en la medición. Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo. México. Disponible en: https:/www.uaeh.edu.mx/scige/boletin/prepa3/n7/m4.html

Lugo, J. (2009). Propuesta didáctica para propiciar el cambio conceptual sobre la diferencia entre calor y temperatura en estudiantes de segundo grado de educación secundaria. Tesis para obtener el grado de Maestría en Desarrollo Educativo. Universidad Pedagógica Nacional. México.

Muñoz, F. (2013). Enseñanza de los conceptos de calor y temperatura utilizando el experimento como herramienta de cambio conceptual. Trabajo de investigación presentado como requisito parcial para optar al título de: Magister en Enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales. Línea de Investigación: Enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales. Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ciencias. Bogotá, Colombia.