UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTNEZ DE MAYOLO FACULTAD DE INGENIERA DE MINAS, GEOLOGA Y METALURGIA

INGENIERA DE MINAS

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INFORME DE LABORATORIO N 03 DEMOSTRACION DE LAS LEYES DE

LA TERMODINAMICA

I. OBJETIVOS

Como objetivo principal tenemos el alcanzar a comprender las leyes de

la termodinmica cualitativamente mediante el desarrollo, construccin

y prueba de un experimento simple que nos permita estudiarlo y

comprenderlo.

II. FUNDAMENTO TERICO

En el presente experimento se desarrollar y explicaran las cuatro

principales leyes de la termodinmica, mediante una serie de

demostraciones y experimentos sencillos realizados en el laboratorio

utilizando elementos accesibles y procedimientos simples.

Las leyes de la termodinmica que se desarrollarn sern:

- Ley cero de la termodinmica o principio del equilibrio termodinmico

- Primera ley de la termodinmica o principio de la conservacin de la

energa

- Segunda ley de la termodinmica

- Tercera ley de la termodinmica

Para poder entender y realizar el experimento se debe hacer una

introduccin a las leyes de la termodinmica.

La termodinmica estudia la energa y su transformacin entre sus

distintas manifestaciones como el calor y su capacidad para producir un

trabajo.

La ley cero de la termodinmica establece que si dos sistemas A y B

estn en equilibrio termodinmico y B esta a su vez en equilibrio

termodinmico con un tercer sistema C, entonces A y C se encuentran en

equilibrio termodinmico. Este principio fundamental se enuncio

formalmente luego de haberse enunciado las otras tres leyes de la

termodinmica, por eso se la lamo ley cero.

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La primera ley de la termodinmica, tambin conocida como la ley de

la conservacin de la energa enuncia que la energa es indestructible,

siempre que desaparece una clase de energa aparece otra (JULIUS

VON MAYER). Ms especficamente, la primera ley de la termodinmica

establece que al variar la energa interna en un sistema cerrado se

produce calor y trabajo. la energa no se pierde, sino que se transforma.

La segunda ley de la termodinmica indica la direccin en que s e llevan

a cabo las transformaciones energticas. El flujo espontaneo de calor

siempre es unidireccional, desde los cuerpos de temperatura ms alta a

aquellos de temperatura ms baja. En esta ley aparece el concepto de

entropa, la cual s e define como la magnitud fsica que mi de la arte de

la energa que no puede utilizarse para producir un trabajo. Esto es ms

fcil de entender con un ejemplo de una maquina trmica; donde una

fuente de calor es usada para calentar una sustancia de trabajo (vapor

de agua), provocando la expansin de la misma colocada dentro de un

pistn y por un mecanismo a travs de una vlvula. La expansin mueve

el pistn y por un mecanismo de acoplamiento adecuado, se obtiene

trabajo mecnico. El trabajo se da por la diferencia entre el calor final y

el inicial. Es imposible la existencia de una maquina trmica que extraiga

calor de una fuente y lo convierta totalmente en trabajo, sin enviar nada

a la fuente fra.

La entropa de un sistema es tambin el grado de desorden del mismo.

La segunda ley establece que en los procesos espontneos la entropa a

la larga tiende a aumentar. Los sistemas ordenados se desordenan

espontneamente, si se quiere restituir el orden original hay que realizar

un trabajo sobre el sistema

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III. MATERIALES Y REACTIVOS

- vaso de precipitado de 1L. - Agua fra y caliente.

- Termmetro de -10C a110C. - Hielo.

- Cronometro. - Colorante artificial o tinta

- Termostato o equipo de bao mara. - Hielo coloreado.

- Congelador o refrigerador.

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

4.1.-Experimento con agua fra a 10 C

Previamente a realizar los pasos, tuvimos listos los cubos de hielo con

un colorante o tinta.

Preparar un vaso de precipitado con agua fra a 10C (agua helada)

para la primera parte del experimento. Tomar la temperatura para

compararla luego con la temperatura final introduciendo el

termmetro en el agua.

Preparar el cronometro e introducir el primer cubo de hielo colorado

en el agua. A los pocos segundos se pueden ver los primeros

rasgos de colorante poro al minuto y medio se observa lneas de

colorante en forma de flujo laminar descendiendo por un costado del

vaso y el agua comienza a tomar color.

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Medir el tiempo que tarda el hielo coloreado a disolverse y observe

el colorante en el agua, medir la temperatura final del experimento y

la temperatura ambiente.

4.2.- Experimento con agua tibia a 30 C

Realizar el mismo procedimiento que el paso anterior. Al introducir

el hielo coloreado empieza a bajar casi instantneamente, pero esta

vez en forma de flujo turbulento, llegara hasta el fondo del vaso y

comenzar a difundirse por los laterales. Al minuto de iniciado el

experimento todo el vaso estar coloreado y se puede ver el

colorante bajando velozmente por la diferencia de temperaturas.

Medir la temperatura final del experimento y el tiempo final que tarda

en disolverse el hielo coloreado y el color en toda el agua.

4.3.- Experimento con agua en su punto de ebullicin

Realizar el mismo procedimiento que el primero. Al introducir el hielo

coloreado en el agua hervida, el intercambio de calor es ms brusco,

el colorante descender en forma de flujo turbulento por el costado

del vaso y se difundir ms rpidamente. En este experimento el

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agua pierde ms calor que en el experimento 1 o 2, por esto, la

diferencia de temperatura en mayor entre la temperatura inicial y

final.

Medir la temperatura final del experimento y el tiempo en que el

hielo coloreado se disuelve y ver el colorante difundido

uniformemente en todo el vaso.

Comparacin de las tres temperaturas

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V. CONCLUSIONES

Del experimento realizado se puede concluir:

Ley cero de la termodinmica: se pudo ver que al ingresar el hielo en

el agua ambos sistemas intentaban llegar a un equilibrio

termodinmico, no solo entre ellos, sino tambin con un tercer

sistema que era el aire. Eventualmente los tres sistemas alcanzaran

el equilibrio termodinmico. El mejor ejemplo se ve en el primer paso,

en el cual la temperatura del agua aumento un poco debido a la

temperatura del aire, cuando debera haber disminuido al brindarle

calor al hielo.

Primera ley de la termodinmica: al poner l hielo en el agua, este

cedi calor al hielo para poder alcanzar el equilibrio termodinmico,

por lo tanto, la temperatura del agua bajo pero la cantidad de calor no

cambio, sino que se distribuy.

Segunda ley de la termodinmica: se puede ver claramente que el

hielo recibe el calor del agua, aumente su temperatura y cambia al

estado lquido. Aqu es cuando comienza a liberar colorante. Si

tomamos a la entropa como el grado del desorden de las partculas

de un sistema, podemos ver un claro ejemplo de ella comparando los

tres pasos. En el primer paso el colorante no se distribuye

completamente, en el segundo el colorante se diluyo, pero no de

forma inmediata; pero en el tercero formo una mezcla homognea de

forma casi inmediata. Esto significa que la entropa fue mucho mayor

en el ltimo caso que en los anteriores.

Esta ley se puede aplicar a las maquinas trmicas, las cuales tienen

mayor rendimiento y producen un trabajo mayor si la diferencia entre

la temperatura delo sistema 1 y la del sistema 2 es superior. Para esto

las maquinas trmicas utilizan radiadores, que bajan la temperatura

del sistema 2, para que as, el intercambio de calor sea mayor. Estos

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radiadores son necesarios, sino la entropa aumenta tanto, que el

intercambio calorfico no es efectivo.

Tercera ley de la termodinmica: para poder alcanzar una

temperatura igual al coro absoluto, se necesita un sistema que tuviera

una temperatura menor a esta (segunda ley de la termodinmica) lo

cual es imposible. Segn lo visto en el experimento, con las muestras

obtenidas de temperatura, se necesita mucha diferencia de

temperatura para lograr reducirla notablemente en un sistema y debe

estar aislado del entorno (sistema adiabtico). En este caso, la masa

inicial de agua tiene menor entropa que le masa final del agua,

demostrando esta tercera ley de la termodinmica.

VI. RECOMENDACIONES

Se recomienda calibrar la balanza analtica antes de usar.

Por otra la mezcla de agua fra y agua hervida se deber rpida para

as poder evitar la prdida de calor.

Tenga los materiales, equipos y el rea de trabajo siempre limpios.

Para la correcta medicin de los valores calculados,(para ser ms

precisos) debemos tomar en cuenta las correcciones de cada material

usado, se debe usar su correccin especificado en dicho instrumento.

VII. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

Gaston Pons Musso FISICOQUIMICA 2008.

Frederick Lohgo QUIMICA GENERAL

Harry B. Gray PRINCIPIOS BASICOS DE LA QUIMICA.

Castellan G. Fisicoqumica 2da. Edicin. Ed. Fondo Educativo

Interamericano, EEUU, 1987, pg: 106, 144. 312-313;324,337

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VIII. ANEXOS