Termodinamica I

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Para predecir la temperatura de equilibrio en una mezcla, es necesario suponer que todo el calor cedido por el componente de mayor temperatura inicial será absorbido por el otro componente, creando la relación:

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La cantidad de calor se cuantifica como:

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Donde m es la masa del cuerpo, c el calor específico del componente de la mezcla, y Tf-To es la diferencia entre la temperatura final y la temperatura inicial del componente. Como se sabe que la temperatura final será igual para los dos componentes de la mezcla, se obtiene la ecuación:

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Pudiendo despejar de ella la temperatura de equilibrio para la mezcla.

Calor específico:

El calor específico se define como la energía requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia. En general, esta energía depende de cómo se ejecute el proceso.

En termodinámica, el interés se centra en dos clases de calores específicos: Calor especifico a volumen constante Cv y Calor especifico a presión constante Cp.

Calor especifico a volumen constante:

Desde un punto de vista físico, el calor específico a volumen constante Cv se puede considerar como la energía interna requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia cuando el volumen se mantiene constante.

Calor especifico a presión constante:

La energía requerida para hacer lo mismo cuando se mantiene constante la presión es el calor específico a presión constante Cp.

Calor específico del agua:

El calor específico del agua es 1 caloría/gramo °C = 4,186 julios/gramo °C que es más alto que el de cualquier otra sustancia común. Por ello, el agua desempeña un papel muy importante en la regulación de la temperatura. El calor específico por gramo de agua es mucho más alto que el de un metal. En la mayoría de los casos es más significativo comparar los calores específicos molares de las sustancias.

La cantidad de calor Q es proporcional a la masa del cuerpo calentado y la temperatura diferencial:

Q = Ce x m x T3

Calor específico de solidos:

Las medidas de cp para los sólidos revelan que el calor específico a presión constante varía muy poco con la presión, sin embargo, su variación con la temperatura es muy importante.

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Figura #1

Por ejemplo, representando la variación de cp en función a la temperatura para el cobre, se observa que cuando la temperatura aproxima al 0 absoluto, cp tiende a 0, mientras que al aumentar la temperatura, su valor se eleva en forma continua.

Este comportamiento de cp lo cumplen la mayoría de los metales puros y muchos compuestos, pero hay excepciones. Como se dijo antes, el calor específico a volumen constante cv, es casi imposible de medir, en consecuencia su valor se determina a partir del valor de cp y aplicando ecuaciones que relacionen ambos calores.

Al igual que cp, el calor específico a volumen constante varía muy poco con la presión, pero con la temperatura su variación es notable. El diagrama para el cobre muestra que a bajas temperaturas cp y cv son casi iguales, mientras que a temperaturas elevadas se diferencian mucho, tendiendo cv a un valor constante.

Otras características de los calores específicos de los sólidos es que los valores son inferiores a 1 cal / gr ºC, salvo el litio para temperaturas superiores a 100 ºC.

Además los cuerpos de mayor peso atómico poseen los menores calores específicos. En el caso de las aleaciones, la capacidad calorífica de la aleación se puede calcular sumando las capacidades caloríficas de sus componentes. Los sólidos cumplen la Ley de Dulong y Petit, que establece que para todos los cuerpos simples el calor atómico es sensiblemente constante e igual aproximadamente a 6,4 cal / at gr ºC.

Ley de Dulong y Petit

La ley de Dulong y Petit, trata de la similitud de los calores específicos molares de los metales. La similitud se puede explicar mediante la aplicación de la equipartición de la energía, a los átomos de los sólidos.

A partir de sólo los grados de libertad de desplazamiento, se consigue 3kT/2 de energía por átomo. La energía añadida a los sólidos, toma la forma de vibraciones atómicas, y esto contribuye con tres grados adicionales de libertad, y una energía total por átomo de 3kT. El calor específico a volumen constante, debería ser exactamente la proporción de cambio de esa energía con

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Figura #2

DISEÑO EXPERIMENTAL

H13, Flujo de calor – convección.

Para el armado del sistema a utilizar para la elaboración del experimento H13, se utilizó un riel ubicado sobre 2 soportes, en el medio del riel se colocó un deslizador en el cual se introdujo una varilla. Se colocó el tubo de convección sujetándolo a la varilla por medio de un soporte con doble seguro para evitar que se cayera. Luego se llenó de agua completamente y se encendió la fuente de calor, dando así inicio al experimento.

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Figura 3. Sistema armado para experimento H13.

H14, Temperatura de una mezcla.

Para el armado del sistema a utilizar para la elaboración del experimento H14, se utilizó un riel ubicado sobre 2 soportes, en el medio del riel se colocó un deslizador en el cual se introdujo una varilla. Luego se ajustó el anillo de soporte grande a la varilla por medio de un soporte de doble seguro para colocar sobre el la malla de asbesto. En la parte superior de la varilla se colocó el anillo de soporte pequeño por medio de un soporte de doble seguro. Se colocó el vaso de precipitados sobre la malla de asbesto, luego se introdujo 25 ml en el calorímetro y se colocó dentro él termómetro, por último se encendió el mechero dando así inicio al experimento.

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