Cristianismo

Para poder entender y realizar exitosamente el experimento primero se debe hacer una

introducción a las leyes de la termodinámica.

La termodinámica es la rama de la física que estudia la energía y la transformación entre

sus distintas manifestaciones, como el calor, y su capacidad para producir un trabajo.

La ley cero de la termodinámica establece que si dos sistemas, Ay B, están en equilibrio

termodinámico, y B está a su vez en equilibrio termodinámico con un tercer sistema C,

entonces A y C se encuentran en equilibrio termodinámico. Este principio fundamental

se enunció formalmente luego de haberse enunciado las otras tres leyes de la

termodinámica, por eso se la llamó “ley cero”.

La primera ley de la termodinámica, también conocida como ley de la conservación de

la energía enuncia que la energía es indestructible, siempre que desaparece una clase de

energía aparece otra (Julius von Mayer). Más específicamente, la primera ley de la

termodinámica establece que al variar la energía interna en un sistema cerrado, se

produce calor y un trabajo. “La energía no se pierde, sino que se transforma”.

La segunda ley de la termodinámica indica la dirección en que se llevan a cabo las

transformaciones energéticas. El flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional,

desde los cuerpos de temperatura más alta a aquellos de temperatura más baja. En esta

ley aparece el concepto de entropía, la cual se define como la magnitud física que mide

la parte de la energía que no puede utilizarse para producir un trabajo. Esto es más fácil

de entender con el ejemplo de una máquina térmica:

Una fuente de calor es usada para calentar una sustancia de trabajo (vapor de agua),

provocando la expansión de la misma colocada dentro de un pistón a través de una

válvula. La expansión mueve el pistón, y por un mecanismo de acoplamiento adecuado,

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

inicial. Es imposible la existencia de una máquina térmica que extraiga calor de una

fuente y lo convierta totalmente en trabajo, sin enviar nada a la fuente fría.

La entropía de un sistema es también un grado de desorden del mismo. La segunda ley

establece que en los procesos espontáneos la entropía, a la larga, tiende a aumentar. Los

sistemas ordenados se desordenan espontáneamente. Si se quiere restituir el orden

original, hay que realizar un trabajo sobre el sistema.

T1=Temperatura inicial

T2=Temperatura final

W=trabajo

La tercera de las leyes de la termodinámica afirma que es imposible alcanzar una

temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos, ya que

a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un

valor constante específico. A medida que el sistema se acerca al cero absoluto, el

intercambio calórico es cada vez menor hasta llegar a ser casi nulo. Ya que el flujo

T1

T2

W3

espontáneo de calor es unidireccional, desde los cuerpos de temperatura más alta a los

de temperatura más baja (Segunda ley), sería necesario un cuerpo con menor

temperatura que el cero absoluto; y esto es imposible.

EXPERIMENTO

Antes de comenzar el experimento, se deben preparar los cubos de hielo con el

colorante o la tinta. Hay que dejarlos en el freezer alrededor de tres horas para que

queden sólidos en el centro (el colorante se puede llegar a concentrar en el centro, pero

esto no afecta al experimento).

Se prepara el vaso de precipitado con agua fría a 10ºC (agua de la heladera), para la

primer parte del experimento. Se toma la temperatura del agua para compararla luego

con la temperatura final, introduciendo el termómetro en el agua y sosteniéndolo con el

soporte para termómetro. Preparamos el reloj e introdujimos el primer hielo en el agua.

A los pocos segundos se pudieron ver los primeros rastros de colorante, pero recién al

minuto y medio se observan líneas de colorante en forma de flujo laminar descendiendo

por un costado del vaso y el agua comienza a tomar color. La temperatura final fue

de10,5ºC, ya que la temperatura ambiente era de 22ºC y el tiempo final fue de 24

minutos.

Aquí ya se puede establecer una relación con la ley cero de la termodinámica: cuando el

agua (sistema A) establece contacto con el hielo (sistema B), ambos intentan llegar a un

equilibrio termodinámico. A su vez, estos dos sistemas buscan el equilibrio

termodinámico con un tercer sistema, el aire (sistema C), por lo que en algún momento

los tres sistemas alcanzarán este equilibrio. Aquí también aparece la segunda ley de la

termodinámica: el agua le transfiere calor al hielo, haciendo que la temperatura de este

aumente y provocando el cambio de estado.

Luego de cinco minutos se vio bastante colorante en el fondo del vaso y el agua un poco

más verde; pero al finalizar esta primer etapa, a los veinticuatro minutos, se vio que el4

agua había cambiado de color y que la mayor parte del colorante se encontraba en el

fondo.

La segunda parte del experimento se realizó con agua tibia, a 28ºC. Se realizaron los

mismos procedimientos que en el paso anterior. Al introducir el hielo, el colorante

empezó a bajar casi instantáneamente, pero esta vez en forma de flujo turbulento. Llegó

hasta el fondo del vaso y comenzó a difundirse por los laterales. Al minuto de iniciado

este paso, todo el vaso ya estaba verde, y se pudo ver el colorante bajando velozmente

por la diferencia de temperaturas. En este caso el hielo sólo tardó cuatro minutos y

medio; y la temperatura final del agua fue de 25ºC.

La última parte del experimento fue también la más gráfica, ya que el intercambio de

calor fue más brusco, el colorante descendió en forma de flujo turbulento por el costado

del vaso y se difundió más rápidamente. El agua se había llevado a punto de hervor

(100ºC), pero hay que tener en cuenta que al trasvasar el contenido y mientras se está

realizando el experimento, el agua pierde más calor que en paso 1 o en el 2. Por esto la

diferencia de temperatura es mayor entre la temperatura inicial y la final. El hielo

terminó de disolverse a los 50 segundos de iniciada la prueba, y el colorante quedó

difundido uniformemente en todo

...