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Laboratorio # 6 Primera ley de Termodinámica

Informe: 1. Objetivo General Determinar la energía del sistema realizado en el Laboratorio. 2. Objetivos Específicos  Entender como funciona la Primera ley de Termodinámica  Comprobar la ley mediante los experimentos hechos en el laboratorio  Hallar la potencia del calentador al llevarse a cabo el experimento 3. Fundamento Teórico 3.1 Marco teorico La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea, ni se destruye, sino que se conserva. Entonces esta ley expresa que, cuando un sistema es sometido a un ciclo termodinámico, el calor cedido por el sistema será igual al trabajo recibido por el mismo, y viceversa. Es decir Q = W, en que Q es el calor suministrado por el sistema al medio ambiente y W el trabajo realizado por el medio ambiente al sistema durante el ciclo. Un ejemplo sencillo seria: Al remover con un taladro el agua contenida en un recipiente, le estamos aplicando trabajo, que es igual al calor que este emite al medio ambiente al calentarse. En este caso, el sistema puede ser el agua, el medio sería el taladro, el aire circundante y todo lo que está fuera del sistema que no sea agua (pues lo que está afuera recibirá calor del sistema). La energia interna Cuando el agua está hirviendo, hace que la tapa del recipiente realice el trabajo. Pero esto lo hace a costa del movimiento molecular, lo que significa que no todo el calor suministrado va a transformarse en trabajo, sino que parte se convierte en incremento de la energía interna, la cual obedece a la energía cinética de traslación, vibración y potencial molecular. Por lo que la fórmula anterior que mencionamos también tendría que incluir a la energía interna. Formulación de la primera ley para un sistema La primera ley expresa que el calor, suministrado por el medio ambiente (el quemador de la cocina) a un sistema (el agua contenida en el recipiente) es igual

al cambio de la energía interna en el interior del liquido (agua en este caso) sumada al trabajo que el agua realiza cuando al hervir mueve la tapa contra el medio ambiente. Por lo tanto: el calor cedido por el medio al sistema será igual a la variación de la energía interna en el interior del sistema (agua) más el trabajo realizado por el sistema sobre el medio. Signos del calor y el trabajo Si el medio suministra calor sobre el sistema, el calor será positivo y si recibe calor del sistema será negativo. Si el medio realiza trabajo sobre el sistema, el trabjo será negativo y si recibe trabajo de parte del sistema, el trabajo será positivo. Ley de conservación La primera ley de la termodinámica es entonces la ley de conservación de la energía, que asegura que la energía no se crea, ni se destruye, sino que se conserva. Esta ley ha sido confirmada en numerosos e interminables experimentos y hasta hoy no ha habido uno solo que la contradiga. Por esto cuando una persona como Stephen Hawking busca explicar un fenómeno físico, debe asegurarse de que sus conclusiones no violen la primera ley de la termodinámica. La primera ley de la termodinámica es una generalización de la conservación de la energía en los procesos térmicos. Se basa en la conclusión de Joule de que el calor y la energía son equivalentes. Pero para llegar a ella hay que sortear algunas trampas en el camino. A partir de la conclusión de Joule podríamos caer en la tentación de llamar al calor energía “interna” asociada con la temperatura. Podríamos entonces agregar calor a las energías potencial y cinética de un sistema, y llamar a esta suma la energía total, que es lo que conservaría. De hecho, esta solución funciona bien para una gran variedad de fenómenos, incluyendo los experimentos de Joule. Los problemas surgen con la idea de “contenido” de calor de un sistema. Por ejemplo, cuando se calienta un sólido hasta su punto de fusión, una “entrada de calor” adicional provoca la fusión pero sin aumentar la temperatura. Con este sencillo experimento vemos que considerar simplemente la energía térmica medida solo por un aumento de temperatura como parte de la energía total de un sistema no dará una ley general completa. En lugar de “calor”, podemos usar el concepto de energía interna, esto es, una energía en el sistema que puede tomar formas no directamente relacionadas con

la temperatura. Podemos entonces usar la palabra “calor” para referirnos solamente a una transferencia de energía entre un sistema y su entorno. De forma análoga, el término trabajo no lo utilizaremos para describir algo contenido en el sistema, sino que describe una transferencia de energía de un sistema a otro. Calor y trabajo son, pues, dos formas en las que la energía se transfiere, no energías. Estas definiciones no permiten una declaración simplista como “la entrada de calor a un sistema aumenta su energía interna, y el trabajo hecho en un sistema aumenta su energía mecánica”. La entrada de calor a un sistema puede tener efectos distintos al aumento de la energía interna. En un máquina de vapor, por ejemplo, la entrada de calor aumenta la energía mecánica del pistón. Del mismo modo, el trabajo realizado en un sistema puede tener efectos distintos al aumento de la energía mecánica. Al frotarnos las manos en un día frío, por ejemplo, el trabajo que hacemos aumenta la energía interna de la piel de las manos lo que, en este caso, se traduce en un aumento de la temperatura. En resumen, una ley general de conservación de la energía debe incluir la transferencia de energía como trabajo y la transferencia energía como calor. Además, debe incluir el cambio en la energía total del sistema, pero no con una parte “mecánica” y una parte “interna”. En un sistema aislado, esto es, un sistema que no intercambia materia ni energía con su entorno, la energía total debe permanecer constante. Si el sistema intercambia energía con su entorno pero no materia (lo que se llama sistema cerrado), puede hacerlo solo de dos formas: una transferencia de energía bien en forma de trabajo realizado sobre o por el sistema, bien en forma de calor hacia o desde el sistema. En el caso de que exista transferencia de energía, el cambio en la energía del sistema debe ser igual a la energía neta ganada o perdida por el entorno. Formalmente*, llamemos W al trabajo realizado sobre o por el sistema (como el cilindro en una máquina de vapor). Si el trabajo lo realiza el sistema, diremos que W es negativo; si el trabajo se realiza sobre el sistema, diremos que W es positivo. De forma similar, llamemos ΔQ a la transferencia neta de calor hacia o desde el sistema. Si la transferencia neta de calor es hacia el sistema, ΔQ será positiva; si la transferencia neta sale del sistema, ΔQ será negativa. Ya lo tenemos todo para enunciar la primera ley de la termodinámica: La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía total de un sistema cerrado, ΔE, viene dado por la suma del trabajo realizado sobre o por el sistema y la transferencia neta de calor hacia o desde el sistema. Simbólicamente, ΔE = W + ΔQ.

Esta expresión general incluye como casos especiales las versiones preliminares de la ley de conservación de la energía que hemos dado en entregas anteriores de esta serie. Si no hay transferencia de calor en absoluto, entonces ΔQ = 0, y ΔE =W. En este caso, el cambio en la energía de un sistema es igual al trabajo realizado sobre o por él. Por otra parte, si no se realiza trabajo ni sobre ni por el sistema, entonces W = 0 y ΔE = ΔQ. En este caso el cambio en la energía del sistema es igual a la transferencia neta de calor. Esta ecuación tan sencilla es de una utilidad tremenda. Pero, si bien hemos enunciado la primera ley, aún queda un misterio por resolver, que es la estructura de esa energía interna de la que, de momento, solo sabemos que en algunos casos está relacionada con la temperatura y cómo se relaciona con la enería total del sistema. Lo veremos más adelante en esta serie, cuando tengamos la necesidad de introducir el concepto de átomo. Algo que, hasta ahora no nos ha hecho falta. 4. Parte Experimental 4.1 Materiales  Aluminio  Cinta  Algodón  Tijeras 4.2 Sustancias  Agua desoxigenada 4.3 Datos y calculos Experimento 1: 𝐽

Potencia del calentador = 500𝑠𝑒𝑔 Longitud de la manguera = 45,5 cm El agua ebulle a 100°C Ti Tiempo (min ) 0 2 4 6 8 10

Temperatura (°C) 16,4 22,6 37,7 46,6 55,5 61,6

12 14

79,5 89,4

Experimento 2: M. NOH = 4 gr. Volumen H2O = 200 ml. M. vaso = 102,58 gr.

Tiempo 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Temperatura (°C) 16,3 17,6 18,1 19,3 19,6 19,4 20,7 20,4 20,8 20,5 20,2

5. Observaciones  Se necesita mas tiempo para elaborar correctamente el experimento  Tener cuidado con el calentador  Se tiene que envolver muy bien los materiales con el aluminio para que no haya fugas del vapor  Sellar bien la manguera a los vasos para que no salga el vapor  Tener cuidado al alzar el vaso del calentador, ya que este se encontrara demasiado caliente  Estar pendiente del tiempo y la temperatura hasta que caiga la primera gota en el segundo vaso precipitado 6. Conclusiones Se llevo a cabo el experimento completo y se hallar la potencia del calentador mediante fórmulas dadas anteriormente. 7. Referencias bibliográficas

a) La primera ley de la termodinámica https://www.vix.com/es/btg/curiosidades/4383/la-primera-ley-de-la-termodinamica b) La primera ley de la termodinámica - https://culturacientifica.com/2017/07/11/laprimera-ley-la-termodinamica/ 8. Anexos