Informe de Laboratorio - Primera Ley de la Termodinamica

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Primera Ley de la Termodinámica
Termodinámica
BF3053
Alumnos: Córdova Infante, Graciela
Martínez Portugal, Ricardo Nicolas
Márquez Hurtado, Rommel Hernán
Saavedra Imaña, Stephanie Ivonne
Velarde Revollo, Diana Belen
Docente:
PhD. Daniel Felipe Sempertegui Tapia
Fecha:
30 de agosto del 2019
Cochabamba - Bolivia
Informe de Laboratorio
1. Objetivo General y Objetivos Específicos. – 
1.1. Objetivo General. –
Demostrar y entender tanto la Ley Cero como la Primera Ley de la Termodinámica.
1.2. Objetivos Específicos. -
· Comprender el concepto de equilibrio térmico.
· Equiparar los resultados obtenidos con los establecidos en la bibliografía especializada.
· Determinar el material de cada uno de los elementos dados mediante la experimentación es decir cálculos y comparación en tablas.
· Utilizar los conocimientos adquiridos durante la materia para así poder realizar los cálculos correspondientes.
· -Controlar la variación de temperatura de los elementos dados antes de dar inicio al procedimiento, debido a los errores que esta podría causar.
· Calcular, reducir y/o evitar las incertezas durante cada proceso del experimento. 
· Optimizar el uso del calorímetro para evitar errores posteriores debido a grades perdidas de calor.
2. Introducción y Principio del Experimento. –
A partir de los conocimientos de la Primera Ley de la Termodinámica en complemento con la ley cero, buscamos probar experimentalmente conjunto a cálculos y comparación en tablas dichas leyes.
La Ley Cero de la Termodinámica o más conocida como el Equilibrio Térmico, establece que dos cuerpos en contacto y a diferentes temperaturas, ocasionan un flujo de calor del cuerpo con mayor temperatura hacia el de menor, hasta obtener una misma temperatura o temperatura de equilibrio. Como se muestra en la figura [1].
Figura [1]
La Primera Ley de la Termodinámica hace referencia al principio de la conservación de la energía, es decir la energía no se crea, ni se destruye, solo se transforma. A continuación, se presentan ecuaciones y ejemplo en las respectivas imágenes.
Figura [2]
Figura [3]
La transferencia de calor es un proceso mediante el cual un elemento a cierta temperatura transmite calor a una cierta área o elemento que cuenta con una temperatura menor, como se muestra en la figura [4].
Figura [4]
El calor especifico se define como la energía necesaria para elevar un grado de la temperatura de una unidad de masa. Esta energía se puede dividir en dos procesos tanto a presión como a volumen constantes, Cp y Cv.
El Cp es el cambio de la entalpia con la temperatura a presión constante. Este se determina por la ecuación de la imagen [5].
[5]
Por otra parte, el Cv es el cambio de la energía interna a temperatura volumen constante. Este valor se determina por la ecuación de la imagen [6].
[6]
3. Reactivos e Insumos. – 
3.1 Reactivos. - 
Durante la elaboración del experimento no se usó ningún reactivo.
3.2 Insumos. - 
Los insumos empleados en el desarrollo del experimento fueron los siguientes:
· Agua
· Fosforo
· Hielo
· 3 Piezas Metálicas
4. Equipos. –
· Balanza  
· Calorímetro
· Termómetro Digital 
· Vaso de Precipitado 
· Probeta
· Pinzas
· Vidrio de Reloj 
· Mechero a Gas
· Trípode 
· Rejilla
Los equipos utilizados se pueden observar en la imagen [7], que se muestra a continuación.
 Figura [7]
5. Procedimiento del Experimento. –
5.1. En primera instancia pesamos cada una de las piezas metálicas dadas, así como el vaso precipitado, mismas que se encuentran mostradas en las figuras [8], [9] y [10].
 
 [8] [9] [10]
5.2. Medimos 350 ml de agua en el vaso precipitado y lo pesamos.
5.3. Posteriormente calentamos los 350 ml de agua hasta alcanzar una temperatura mayor o igual a 75°C, como se muestra en la figura [11]
 
 Figura [11]
 
5.4. Una vez calentada el agua a la temperatura solicitada medimos la temperatura del elemento que vamos a colocar dentro el calorímetro.
5.5. Continuando vaciamos el agua calentada al calorímetro vacío, la cubrimos inmediatamente, perforamos el centro del calorímetro con el termómetro y esperamos a que la temperatura se estabilice. Como se observa en la figura [12].
 Figura [12]
5.6. A continuación, con mucha cautela introducimos la pieza seleccionada, misma de la que tomamos la temperatura con anterioridad, al calorímetro.
5.7. Posteriormente observamos que el sólido absorbe el calor del agua y la temperatura desciende, controlando de manera constante observamos un equilibrio térmico es decir la temperatura se mantiene constante. Como se muestra en la figura [13].
 Figura [13]
5.8. Finalmente repetimos todo el procedimiento con cada uno de los elementos incluyendo el hielo. En el caso del hielo aceleramos el procedimiento debido a que la temperatura del hielo aumenta de manera caótica en un corto periodo de tiempo. Pesamos el elemento al final como se muestra en la figura [14].
 Figura [14]
6. Cálculos y Discusión de Resultados. –
6.1. Cálculos. -
En la presente sección se mostrarán las ecuaciones y el procedimiento necesario para el hallazgo de los datos solicitados en la siguiente parte.
Como primera medida debe aplicarse la Primera Ley de la Termodinámica
EENTRADA - ESALIDA = ΔESISTEMA
Considerando de no existe trabajo neto, calor neto, energía potencial ni cinética la ecuación se reduce a:
0 = ΔUSOLIDO + ΔUAGUA
- ΔUSOLIDO = ΔUAGUA
- (msolido)(csolido)(ΔTsolido) = (magua)(cagua)(ΔTagua)
Tomando en cuenta que debemos hallar el calor especifico del solido despejamos la ecuación y obtenemos lo siguiente:
Los cálculos serán realizados en la interrogante numero dos.
6.2. Discusión de Resultados. – 
Los resultados obtenidos no tuvieron un alto porcentaje de error, esto demostró que el procedimiento y los cálculos fueron elaborados de manera correcta mas se empleo el programa EES para la obtención de incerteza de los resultados obtenidos. Por otra parte, se considera que la primera pieza metálica que fue identificada como hierro también podría ser una aleación debido al resultado obtenido.
7. Análisis y Cuestionario. –
7.1. Aplique la Primera Ley de la Termodinámica al experimento, detallando las suposiciones realizadas. 
Como se mostro con anteriormente la Primera Ley de la Termodinámica se reduce a lo siguiente: 
- ΔUSOLIDO = ΔUAGUA
Esto se debe a las siguientes suposiciones:
· No hay intercambio de calor con el exterior o aquellos que existen son relativamente despreciables.
· No hay intercambio de trabajo en el sistema.
· No hay energía cinética ni potencial.
7.2. Calcule el Calor Especifico Experimental de cada uno de los sólidos incluyendo la incerteza experimental de este valor.
Como fue explicado con anterioridad en este punto reemplazaremos los datos obtenidos experimentalmente en la siguiente ecuación:
Antes bien se mostrarán tres tablas con los datos adquiridos durante el desarrollo del experimento.
Tabla [1]
	Solido
	Masa (gr.)
	Pieza Metálica #1
	329.35
	Pieza Metálica #2
	212.88
	Pieza Metálica #3
	207.01
	Hielo
	68.5399
Tabla [2]
	Solido
	Temperatura Inicial (̊C)
	Temperatura Final (̊C)
	Pieza Metálica #1
	20
	74.2
	Pieza Metálica #2
	12.7
	71.3
	Pieza Metálica #3
	22.2
	69.3
	Hielo
	3.2
	58.9
	Masa de Agua #1
	78.25
	74.2
	Masa de Agua #2
	75
	71.3
	Masa de Agua #3
	75.7
	69.3
	Masa de Agua #4
	70.8
	58.8
Tabla [3]
	Elemento
	Masa (gr.)
	Vaso Precipitado
	167.61
	Probeta
	492.02
	Masa de Agua #1
	507.469
	Masa de Agua #2
	315.76
	Masa de Agua #3
	332.57
	Masa de Agua #4
	325.36
CPieza Metalica#1 = 0.469638 kJ / kg K
CPieza Metalica#2 = 0.39241 kJ / kg K
CPieza Metalica#3 = 0.914671 kJ / kg K
CHielo = 4.24939 kJ / kg K
7.2.1 Calculo Incerteza Experimental. – 
Error del Termómetro: 0.1
Error de la Balanza: 0.0001
La incerteza experimental será obtenida mediante el uso del programa EES debido a su precisión. Si bien la incerteza será calculada en EES a continuación se muestra la formula con la cual podría calcularse de forma manual.
Tabla [4]
	Solido
	Calor Especifico
	Pieza Metálica #1
	0.469638 ± 0.01765Pieza Metálica #2
	0.39241 ± 0.01251
	Pieza Metálica #3
	0.91467 ±0.02679
7.3. Compare el valor obtenido con el que aparece en la bibliografía especializada.
Después de observar la tabla A – 3 comparando los datos obtenidos, llegamos a la conclusión que las piezas que utilizamos eran las siguientes.
Tabla [5]
En la tabla que se muestra a continuación observamos los valores de calor especifico obtenido mediante cálculos, bibliografía especializada, así como el elemento.
	Elemento
	Cálculos
	Bibliografía
	Material
	Pieza Metálica #1
	0.469638
	0.45
	Hierro
	Pieza Metálica #2
	0.39241
	0.390248
	Cobre
	Pieza Metálica #3
	0.91467
	0.924923
	Aluminio
7.3.1. Cálculo de Error Porcentual. - 
A continuación, obtendremos el error porcentual de cada elemento mediante la siguiente ecuación.
Los errores serán calculados con los datos de la Tabla [5], misma que se encuentra al principio de la interrogante.
Error Pieza Metálica #1 – Hierro = 4.364 %
Error Pieza Metálica #2 – Cobre = 0.554007 %
Error Pieza Metálica #3 – Aluminio = 1.10852 %
7.4. ¿En qué consiste la Ley Cero de la Termodinámica? ¿Como relacionaría esta ley con el experimento realizado?
La Ley Cero de la Termodinámica establece que, si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí. Como se puede mostrar en la figura [15].
Figura [15]
El experimento realizado se basa en la Ley Cero, ya que nos pide hallar el equilibrio térmico con cada uno de los elementos, entre el agua, el elemento y el calorímetro. A su vez nos pide hallar la temperatura en la cual estos establecen valga la redundancia, el equilibrio.
7.5. ¿Cuál es la diferencia entre el experimento con los metales y el hielo? Explique detalladamente. 
La principal diferencia entre los dos experimentos es que con los metales los datos tomados previamente como la masa y temperatura no varían en el transcurso del tiempo, en el caso del experimento con el hielo los datos obtenidos en la medición inicial varían hasta el momento de añadirlas al calorímetro ya que el hielo cambia parcialmente de fase, lo que ocasiona una variación de temperatura entre el hielo y la pequeña porción derretida del mismo. Tomando en cuenta, que el hielo cambia completamente de estado, pasando de sólido a líquido antes de llegar a una temperatura de equilibrio con el agua y el calorímetro.
8. Bibliografía. - 
Para mejor entendimiento y comparación de datos obtenidos durante el experimento se utilizo las siguientes fuentes: 
· Yunus A. Çengel, Michael A. Boles. (2015). Termodinámica. México: Mc Graw Hill Interamericana Editores.
· Otto Núñez. (2010). La Ley Cero de la Termodinámica. 28/08/2019, de Termodinámica Sitio web: https://www.vix.com/es/btg/curiosidades/4382/la-ley-cero-de-la-termodinamica