Experiencias sobre la propiedad temperatura

Por Rodolfo Acevedo Chávez y María Eugenia Costas Basín

La propiedad de estado temperatura forma parte del edificio de la Termodinámica. Es también una de las propiedades fundamentales de la materia, en sus diferentes formas asociativas y organizativas. La caracterización anterior justifica el estudio de su medición elemental.

La colección de experimentos que conforma el dossier presente, pretende contribuir a dicho estudio. Los experimentos fueron diseñados, articulados y ejecutados en un laboratorio convencional. Aunque cada uno de los experimentos es independiente, la secuencia en que se presentan aspira a seguir un orden ascendente de integración conceptual y operacional.

De esta forma, la meta es que un ejecutante interesado pueda adquirir las herramientas conceptuales y operacionales, no sólo en la medición de dicha propiedad, sino incluso en la construcción y verificación de un instrumento de medición, como lo es un sistema termométrico.

• Idioma: Español
• Editorial: UNAM, Facultad de Química
• Fecha de lanzamiento: 22 may 2024
• ISBN: 9786073089579

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PRESENTACIÓN

La propiedad de estado temperatura forma parte del edificio de la Termodinámica. Es también una de las propiedades fundamentales de la materia, en sus diferentes formas asociativas y organizativas. La caracterización anterior justifica el estudio de su medición elemental.

La colección de experimentos que conforma el dossier presente, pretende contribuir a dicho estudio. Los experimentos fueron diseñados, articulados y ejecutados en un laboratorio convencional. Aunque cada uno de los experimentos es independiente, la secuencia en que se presentan aspira a seguir un orden ascendente de integración conceptual y operacional.

De esta forma, la meta es que un ejecutante interesado pueda adquirir las herramientas conceptuales y operacionales, no sólo en la medición de dicha propiedad, sino incluso en la construcción y verificación de un instrumento de medición, como lo es un sistema termométrico.

Los autores

diciembre del 2004

EXPERIMENTO 1

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA (I)

ANTECEDENTES

La ley cero postula la existencia de una propiedad de estado, la temperatura empírica. El valor de ésta permite establecer si dos o más sistemas termodinámicos (cualesquiera que sean sus coordenadas espacio-temporales) se encuentran o no en equilibrio térmico, sin que necesariamente se presente el contacto térmico correspondiente.

Desde el punto de vista histórico, el problema del esclarecimiento del concepto temperatura empírica fue abordado a través de la fenomenología del contacto térmico entre sistemas, así como del estudio de la conducta de sus propiedades ante éste, y su constancia respectiva en un estado denominado de equilibrio térmico. Tal vez no se cometa una sobresimplificación al afirmar que entre la diversidad de sistemas termodinámicos que se pueden definir hoy día, los fluidos gaseosos son excelentes en este tema, debido a la sensibilidad notable (valores de sus coeficientes de respuesta mecánica) de sus propiedades (por ejemplo, volumen o presión) ante los cambios de temperatura.

Simplemente pensemos en dos o más fluidos gaseosos cualesquiera (de idéntica naturaleza química o no). Las masas confinadas presentarán valores correspondientes de V y P, a una temperatura empírica dada, común o no. Si ambas masas confinadas respectivamente a su V0 = constante son llevadas al contacto térmico (y aisladas térmicamente del resto del universo), y si los valores respectivos de P muestran modificaciones con dicho contacto, se puede afirmar (en ausencia de cualquier otro tipo de interacciones con el resto del universo) que su temperatura empírica inicial no es la misma. Cuando el conjunto evoluciona hasta un estado tal en que no existen modificaciones en los valores respectivos de P, se ha alcanzado el equilibrio térmico, y la temperatura empírica de ambos fluidos es la misma. Si dichas masas en equilibrio térmico, son puestas ahora en contacto térmico respectivo con dos sistemas adicionales, son aislados térmicamente los conjuntos respectivos gas i – sistema adicional i, y es cancelado cualquier otro tipo de interacción con el resto del universo, existen tres posibilidades:

a) que las propiedades (P) de ambos gases no cambien, lo cual quiere decir que el equilibrio térmico inicial entre ambos gases es extensible a cada conjunto gas i – sistema adicional i. Las temperaturas empíricas de cada gas y cada sistema adicional son las mismas, e iguales a su vez entre los dos conjuntos nuevos.

b) que la P de un gas cambie, y la del otro no. La modificación de la primera es indicativa de la inexistencia inicial de un equilibrio térmico en dicho conjunto gas i – sistema adicional i. La P de dicho gas evolucionará hasta un valor nuevo, constante, diferente del inicial, indicativo de un equilibrio térmico nuevo, diferente también en su temperatura empírica. Ésta será diferente a la del gas cuya P no cambió ante el contacto térmico adicional respectivo.

c) que la P de cada gas cambie. Cada conjunto gas i – sistema adicional i evolucionará a un estado de equilibrio térmico nuevo. Ambos equilibrios térmicos estarán caracterizados por temperaturas empíricas diferentes a la del par de gases en equilibrio térmico inicial.

De esta forma, un par de gases confinados y en equilibrio térmico inicial, pueden servir a su vez como sondas térmicas primitivas al entrar en contacto térmico con otros sistemas, de los cuales se desconoce la existencia de un equilibrio térmico mutuo.

En el experimento que se desarrolla aquí, se empleará un par de gases confinados para esclarecer si dos sistemas adicionales se encuentran o no en equilibrio térmico mutuo, esto es, si tienen la misma temperatura empírica.

TÉCNICA

1. Ensamblar el dispositivo mostrado esquemáticamente en la figura siguiente.

2. A las condiciones iniciales, las válvulas a están abiertas totalmente, y los niveles de Hg (l) (nivel i 0 ) son iguales. A dichas condiciones, las presiones totales en los puntos (a) y (b) del nivel i 0 en el manómetro U son iguales, e igual a su vez a la presión atmosférica.

3. Cerrar las válvulas a, y favorecer el equilibrio térmico entre cada ampolla con gas y el ambiente del laboratorio. Para ello, es requisito estabilizar la temperatura del mismo. Constatar el cumplimiento de dicho requisito con ayuda de un sistema de referencia, como puede ser un termómetro ambiental.

4. Dos baños térmicos con agua circulante serán llevados a grados de calentamiento arbitrarios, sin conocer su temperatura respectiva. Sumergir las ampollas, como se ilustra a continuación:

5. Mantener el contacto térmico entre cada ampolla y el agua circundante respectiva. Observar la conducta de la presión dentro de cada una de ellas, a través de la posición del menisco respectivo de Hg en el manómetro en U.

6. Tomar lectura de las posiciones finales de los meniscos de Hg, referidas a las posiciones iniciales (nivel i 0 ).

DETERMINACIÓN Y CÁLCULOS

En un experimento realizado, se obtuvieron los datos siguientes:

a) Descenso del menisco de Hg en el ramal de la ampolla A = 3.15 cm.

b) Ascenso del menisco de Hg en el ramal de la ampolla B = 3.15 cm.

Las variaciones tienen como referencia el nivel i0. Dicha conducta se ilustra a continuación:

De los resultados obtenidos, se puede concluir que cuando menos, uno de los baños térmicos se encontraba a una temperatura inicial diferente respecto a la de las ampollas, al establecimiento del contacto térmico. La prudencia de esta conclusión obedece al diseño del dispositivo, en donde el manómetro en U está acoplado a ambas ampollas. De esta forma, en el desarrollo experimental, pudiera haberse dado el caso de que por ejemplo, el baño de la derecha estuviera a la misma temperatura que la de la ampolla B al inicio del contacto térmico. No obstante, si la dilatación térmica del gas en A provocaría la compresión del gas en la ampolla B, produciendo un resultado como el mostrado en la figura última. El mismo esquema físico podría ser arrojado también si: En este caso, el enfriamiento del gas en la ampolla B producirá su contracción volumétrica, y la expansión del gas en la ampolla A.

Lo que sí se puede concluir claramente, es que al inicio del contacto térmico respectivo entre las ampollas y los baños térmicos, estos últimos no se encontraban en equilibro térmico mutuo.

El dispositivo anterior representa tan sólo un ejemplo en la búsqueda de instrumentos adecuados, no sólo para la comparación, sino para la medición de la propiedad temperatura en los sistemas termodinámicos.

EXPERIMENTO 2

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA (II)

ANTECEDENTES

En el experimento 1, se establecieron las bases que llevaron al diseño y construcción de un dispositivo abocado al esclarecimiento respecto a la existencia o no de un estado de equilibrio térmico entre dos fuentes térmicas, sin existir contacto térmico directo entre ellas.

Como continuación a dicho tema, la intención conceptual es ahora pensar en el diseño de un dispositivo, que sirviendo como referencia, no sólo permita establecer si dos sistemas se encuentran o no en equilibrio térmico (sin existir el contacto térmico entre ellos), sino también establecer semicuantitativamente su grado de calentamiento o grado de enfriamiento relativo.

TÉCNICA

1. Preparar el conjunto mostrado esquemáticamente en la figura siguiente.

2. A las condiciones iniciales, la válvula a está abierta totalmente, y los niveles de Hg (l) en el manómetro en U son iguales (nivel i 0 ). A dichas condiciones, la presión total en el punto (a) es igual a la del punto (b); ambas son iguales a su vez a la presión atmosférica.

3. Llevar dos baños térmicos (fuentes térmicas) a un grado de calentamiento moderado (coloquialmente expresado como tibio), e indistinguible al tacto respectivo con una misma mano. Estabilizar dichos grados de calentamiento relativo en función del tiempo.

4. Cerrar totalmente la válvula a, e introducir totalmente la sonda térmica (ampolla con aire confinado) en el primer baño térmico. Observar los cambios posibles en la presión del gas confinado, a través de las posiciones de los meniscos de Hg (l) en el manómetro en U.

5. Anotar las posiciones nuevas (si es que hubo cambios en ellas), referidas a las del nivel i 0 . Verificar su constancia en un intervalo de aproximadamente 15 minutos.

6. Retirar la ampolla con gas del primer baño térmico, y permitir la recuperación del estado original del gas, a través de la adquisición de los valores de P y V iniciales (nivel i 0 del experimento). Para ello, es conveniente mantener constante la temperatura del laboratorio.

7. Introducir la ampolla en el segundo baño, realizando lo indicado en los puntos 4 y 5.

DETERMINACIÓN Y CÁLCULOS

En un experimento realizado, se obtuvieron los datos siguientes:

Los resultados obtenidos permiten considerar que el dispositivo diseñado como sistema de referencia, es sensible para el esclarecimiento del posible estado de equilibrio térmico entre dos sistemas, los cuales no han presentado contacto térmico entre sí. Los resultados son concordantes con la inexistencia de dicho estado de equilibrio térmico. Si el grado de calentamiento de ambos fuera el mismo (y por tanto su estado de equilibrio térmico), las diferencias de niveles para ambos serían también las mismas. Los resultados obtenidos permiten sugerir que de los dos sistemas (baños térmicos), el número 1 es el que presenta un grado de calentamiento comparativamente mayor. Una primera base a lo anterior es en sí misma las diferencias de niveles obtenidas. Asociadas a éstas, están las presiones manométricas, que son las siguientes:

I) Para el baño 1:

Al nivel if, la presión total en el punto (a) es igual a la presión total en el punto (b):

A su vez:

Por tanto,

II) Para el baño 2:

Al nivel if :

A su vez:

Por tanto,

En relación a dichos valores, es menester hacer un comentario. Para una masa dada de un fluido gaseoso, su presión y su volumen están asociados a su grado de calentamiento (temperatura). En el experimento realizado, se dejó