EL EQULIBRIO TÉRMICO FUNDAMENTO PARA EL ENTENDIMIENTO DEL ENTORNO S.M.Hernandez,C.A.Espinosa;Universidad Distrital F Jose de Caldas 10 de agosto de 2020 Resumen El objetivo general de esta indagación es construir un conocimiento más completo respecto a la termodinámica y los componentes que hacen parte de esta rama de la física para esto usamos un experimento de contacto de objetos a diferentes temperaturas, juntándolos para ver las interacciones que ocurren entre ellos, se supone que tal experimento tendrá una relación lineal descendente dada entre el tiempo que se demora en alcanzar el equilibrio térmico y la temperatura fría a la que se encuentra uno de los cuerpos para demostrar así que entre más frio sea el objeto más tiempo se demora en alcanzar el equilibrio térmico. I. INTRODUCCIÓN II. MARCO TEÓRICO La siguiente indagación, investigaremos acerca de la termodinámica, sobre cómo se comporta está en nuestro mundo y que factores se deben tener en cuenta al momento de estudiarla, a través de un experimento de equilibrio térmico indagaremos como es que actúa la termodinámica en nuestro plano, para esto entonces planteamos unos problemas que conlleva a hacer esta indagación como lo son, las variantes del clima y la temperatura ambiente, que es algo que nos falta para ser realmente exactos al momento de la experimentación también la falta de control de una temperatura fría ya que esta es muy complicada de medirla por lo tanto es un problema que afecta la medición exacta de estos fenómenos, esta indagación se hace con el fin de entender y explicar la termodinámica y el equilibrio térmico que entra en esta área de la fisca con el propósito de ver experimentalmente como funciona en nuestro mundo y sus interacciones. para esta indagación haremos ciertas preguntas a responder, ¿cómo es la relación que hay entre la temperatura y el tiempo en alcanzar el equilibrio térmico?, ¿cuál es la relación entre la densidad y la temperatura? con estas preguntas problema realizaremos la indagación e intentaremos responder a estas. En lo que sigue del artículo, en la sección II se plantea el marco teórico, en donde podemos encontrar la explicación de varios fenómenos con la situación anteriormente planteada, III se explica la metodología que se utilizó para intentar explicar nuestra hipótesis IV se presentan los resultados que son propuestas tras la observación e indagación dada en el marco teórico, V conclusiones halladas en el transcurso de la indagación relacionado con los resultados. Para esta indagación como marco de referencia para la escala de temperatura utilizamos la medida en centígrados (C ◦ ) que es lo más usado en el uso cotidiano para referirnos a temperaturas frías o calientes, pero ¿qué es esto? de la escala de la temperatura, bueno es muy sencillo no es más que el sistema de medida que se tiene de forma universal para diferentes temperaturas, por eso lo traemos a colación, para esta indagación. Definiremos también el concepto de temperatura que vamos a tomar de (G.Hewitt, 2007) donde la temperatura es la cantidad en energía que está en un objeto con respecto a un sistema de referencia. Definiremos el equilibrio térmico como la situación en donde dos cuerpos a temperaturas diferentes unidos por un medio o separados en proximidad intercambian calor hasta que sus temperaturas se igualan, por lo tanto se detiene el flujo de calor que había entre ellos, para esto tendremos que denotar algunas definiciones como lo serán la primera ley de la termodinámica que dice que cuando el calor fluye de hacia o desde un sistema, el sistema gana o pierde una cantidad de energía igual a la cantidad de calor transferido y la segunda ley de la termodinámica que se enuncia como el calor nunca fluye por sí mismo de un objeto frio a otro caliente, para nuestro trabajo estas definiciones las tomamos de (G.Hewitt, 2007), en esta indagación tendremos diferentes conceptos y ecuaciones que nos ayudaran a explicar nuestra hipótesis anteriormente mencionada. la primera ecuación que tendremos en cuenta será la de la cantidad de calor que pierde o gana un cuerpo con una masa (m) que está determinada de la siguiente manera 1 III. METODOLOGIA donde (Q) es la cantidad de calor. (1) para esta indagación se realizara el contacto de dos obObservemos como en la ecuación (1) está relacionada con jetos a distintas temperaturas con el fin de interpretar variables que más adelante se explicaran, como lo son la como actúan estos cuerpos cuando están unidos, para masa o densidad para este caso del objeto en cuestión esto se hicieron 10 tomas de temperaturas a diferentes el tiempo y (c) es la temperatura ambiente del objeto objetos con diferentes densidades debido a su material que será expuesto a diferentes temperaturas. para ilus- del que están compuestos, se enfriaron por un periodo de en un congelador a una temperatura de unos trar uno de los puntos más importantes de nuestro tra- 24 horas ◦ (−2 C) esto con el fin de que el experimento fuera realibajo, mire la figura (1) que es donde se muestra un claro zado con los objetos a temperaturas cercanas a los (0◦ C), ejemplo de lo que sucede en el equilibrio térmico a lo nuestra lista de objetos va de la siguiente manera: largo del tiempo cuando dos objetos se juntan. Q = (m)(ce )∆t Cuchara de hierro Sacapuntas de magnesio Lapiz de madera Regla de plastico Paleta de hielo Figura 1: Equilibrio termico de forma conceptual sustentando, la primera ley de la termodinámica podemos encontrar la ecuación (2) donde se relaciona nuevamente (Q) que es la diferencia entre el calor que sale y el calor que entra, donde ∆U es la variación de energía interna del sistema, y por ultimo ∆W es la diferencia del trabajo que entra con el que sale del sistema. ∆Q = ∆U + ∆W (2) Bien ya casi tenemos establecido todo para esta indagación ahora nos enfocaremos en la segunda ley de la termodinámica que dice que el calor siempre va ir del objeto más caliente al más frio y no al revés como se puede observar en la figura (3),esto es muy importante debido a que en el proceso de equilibrio térmico el objeto caliente es el que hará reaccionar todo con lo que entre en contacto. Para el objeto caliente utilizáremos la lengua un solo objeto caliente a una temperatura promedio de (35,6◦ C), también cabe decir que para esta metodología, la variable que tenemos es la temperatura ambiente y la temperatura del objeto caliente ya que este objeto pese a tener una variación al ser dos personas las que realizan la medición su temperatura no será la misma, y se tiene en cuenta la temperatura del ambiente ya que esta afecta directamente a nuestros objetos tanto el caliente como el frio, ahora para el análisis de nuestro experimento seguiremos que después de a ver enfriado los objetos durante 24 horas procederemos a poner en contacto los objetos fríos con el objeto caliente, para determinar el equilibrio térmico a falta de un sistema de medición para eso lo que haremos en esta indagación será con reacciones cuanto tiempo se tardan los objetos en reaccionar junto con el otro, ya que el equilibrio térmico tiene una consecuencia y es que deja de fluctuar la energía por eso tendremos en cuenta cuando se inicie la reacción para determinar cuando los objetos alcanzan el equilibrio térmico, una vez puestos en contacto los objetos ponemos a correr el tiempo hasta que ocurra la primera reacción por parte de alguno de los objetos una vez se visualiza esta reacción se detiene el cronometro y se anotan los resultados, este proceso se realizó 2 veces para cada objeto. IV. RESULTADOS Figura 2: El calor siempre ira del objeto mas caliente al Siguiendo la línea del trabajo en esta sección daremos a conocer detalles estadísticos de cómo se analizaron los mas frio datos recogidos y de qué forma fueron analizados con Con esta teoría planteada daremos lugar a la siguiente el fin de determinar su comportamiento, como lo dijimos sección donde se darán detalles de la experimentación anteriormente cada objeto tuvo dos análisis por dos cienque se hizo para tratar de analizar nuestra hipótesis so- tíficos diferentes los cuales nos arrojan la tabla (1) y la tabla (2). bre el objeto caliente y el objeto frio. 2 objeto Frio Cuchara Saca puntas Lapiz Regla paleta material Hierro Magnesio Madera Plastico Hielo Densidad 7877 kg/m^3 1740kg/m^3 500 kg/m^3 940 kg/m^3 916.8 kg/m^3 tem alcanzada −3◦ Cc −5◦ C −8◦ C −9◦ C −10◦ C tiempo de equilibrio termico 3.5 min 5 min 9.5 min 10.5 min 12 min Tabla 1: Datos del primer cientifico En la tabla (1) vemos relación entre la temperatura que alcanzo el objeto al enfriarse, y el tiempo que se demoró en alcanzar el equilibrio térmico después del contacto con el objeto caliente más adelante veremos si a comparación con los datos del segundo científico hay alguna diferencia. objeto Frio Cuchara Saca puntas Lapiz Regla paleta material Hierro Magnesio Madera Plastico Hielo Densidad 7877 kg/m^3 1740kg/m^3 500 kg/m^3 940 kg/m^3 916.8 kg/m^3 tem alcanzada −1◦ Cc −2◦ C −5◦ C −7,5◦ C −10◦ C Figura 3: Entre mas denso el material mas resistencia tendra a alacanzar temperaturas debajo de los (0◦ C) tiempo de equilibrio termico 40 seg 1 min 7 min 9.5 min 10 min Tabla 2: Datos del segundo cientifico Observamos que en esta segunda toma de datos hay un pequeño porcentaje de error ya que si la comparamos con la tabla (1) hay alguna dispersión entre ellos sobre todo en la temperatura alcanzada y el tiempo que se demora en alcanzar el equilibrio térmico, para esta indagación depuraremos los datos de la siguiente forma haciendo un Figura 4: Entre mayor sea la temperatura alcanzada mapromedio entre las dos tomas de datos, para poder sa- yor sera el tiempo en alcanzar el equilibrio termico car una tabla más exacta de la cual podamos analizar más confiablemente una relación que logre respaldar o Para el análisis de la figura (4) tendremos en cuenta de rechazar nuestra hipótesis. que el tiempo de equilibrio térmico se hayo basados en el tacto mas no en una medida exacta, se basó en cualquier reacción que surgiera del contacto con el objeto calienobjeto Frio material Densidad tem alcanzada tiempo de equilibrio termico te determinado cierto tiempo entonces teniendo eso en Cuchara Hierro 7877 kg/m^3 −2◦ Cc 2 min ◦ cuenta y como se muestra en la figura entre mayor sea Saca puntas Magnesio 1740kg/m^3 −4 C 4 min Lapiz Madera 500 kg/m^3 −6◦ C 8 min la temperatura que se intente estabilizar mayor tiempo Regla Plastico 940 kg/m^3 −9◦ C 10 min paleta Hielo 916.8 kg/m^3 −10◦ C 13 min tendrá para alcanzar el equilibrio térmico lo que nos da una relación lineal descendente como podemos observar Tabla 3: Ponderado debido a la configuración de la gráfica y a la temperatura mayor alcanzada requirió de más tiempo para poder hallar el equilibrio térmico. Siguiendo la línea de análisis e investigación que hemos tenido, depuramos la tabla (1) y la tabla (2) para, poder obtener un resultado mucho más ajustado a la realidad haciendo una media entre los dos primeros datos obtenidos, podemos analizar la figura (3) la relación que hay entre la densidad y la temperatura, como podemos observar entre mayor sea la densidad del objeto mayor más le costara alcanzar sobre pasar los (0◦ C) esto debido a la resistencia que opone el material que se pone a enfriar observamos una relación exponencial con respecto a la densidad. V. CONCLUSIONES se ha encontrado que el equilibrio térmico de acuerdo a las nociones planteadas por la termodinámica y la definición de calor aplicada a esta indagación con cuerda con nuestra hipótesis inicial demostrando que entre mayor es la temperatura más tiempo se demora en alcanzar el equilibrio térmico como lo muestra la figura (4) pero que hay muchos factores a tener en cuenta como lo son la atmosfera, y la temperatura ambiente así como el instrumento de medición con el que se hace la evaluación del 3 equilibrio térmico ya que como se mencionó para esta indagación este término se hayo por un punto de vista, de la observación cuando se juntaban los dos cuerpos, ahora como segunda conclusión a nuestra pregunta de que tanto afecta la densidad del objeto para bajar su temperatura según nuestra indagación se encontró que el material definitivamente afecta al enfriamiento que se le haga, esto quiere decir que entre más denso sea el material y la Camila Alejandra E.Onofre, candidato al título de Lic. en física de la Universidad Distrital Francisco José de cantidad de tiempo que se exponga al enfriamiento , será caldas, Bogotá, Colombia, en el año 2020, graduado del menor la temperatura alcanzada por dicho objeto como bachillerato en el año 2016, sueño con lograr mejorar la se muestra en la figura(3) y como aumenta la cuerva de educacion y la enseñansa de la ciencia en contexto de la gráfica según la densidad es más alta. se encontró a pais en via de dsarrollo. lo largo de la indagación, que el calor afecta en mayor medida a los objetos que se encuentran en a temperaturas frías y de acuerdo al material del cual están hechos, Referencias estos nos indica que hay una relación reciproca dentro del equilibrio térmico ya que tanto fríos como calientes, G.Hewitt, P. (2007). Fisica Conceptual. Pearson Educacion. tienen un impacto a la hora de hallar este equilibrio. Sebastián M. Hernandez, candidato al título de Lic. en física de la Universidad Distrital Francisco José de caldas, Bogotá, Colombia, en el año 2020, graduado del bachillerato en el año 2016, sueño con lograr mejorar la educacion y la enseñansa de la ciencia en contexto de pais en via de dsarrollo. 4
