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• Argenis Emmanuel Rodriguez Mariano

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ENSAYO TERMODINAMICA (ING. EN ELECTROMECANICA).

ENSAYO TERMODINAMICA COMPROBACION FISICA DE LA ENTROPIA. OBJETIVOS.    

Conocer plenamente el concepto de entropía. Comprobar la propiedad de entropía a través de un experimento o ensayo. Interpretar los procesos o fenómenos donde interviene la entropía. Obtener un conocimiento práctico de cómo se presenta la termodinámica en nuestra vida diaria.

MARCO TEORICO. En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es una magnitud física que, mediante cálculo, permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos. Fue Rudolf Clausius quien le dio nombre y la desarrolló durante la década de 1850; y Ludwig Boltzmann, quien encontró en 1877 la manera de expresar matemáticamente este concepto, desde el punto de vista de la probabilidad. Esta idea de desorden termodinámico fue plasmada mediante una función ideada

por Rudolf Clausius a partir de un proceso cíclico reversible. En todo proceso reversible la integral curvilínea de δQ/T sólo depende de los estados inicial y final, con independencia del camino seguido (δQ es la cantidad de calor absorbida en el proceso en cuestión y T es la temperatura absoluta). Por tanto, ha de existir una función del estado del sistema, S=f(P,V,T), denominada entropía, cuya variación en un proceso reversible entre los estados 1 y 2 es:

Téngase en cuenta que, como el calor no es una función de estado, se usa δQ, en lugar de dQ. La entropía física, en su forma clásica, está definida por la ecuación siguiente:

o, más simplemente, cuando no se produce variación de temperatura (proceso isotérmico):

Donde S es la entropía, la cantidad de calor intercambiado entre el sistema y el entorno y T la temperatura absoluta en kelvin. Unidades: S= [cal/K] Los números 1 y 2 se refieren a los estados iniciales y finales de un sistema termodinámico.

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ENTROPIA COMO DESORDEN

Coloquialmente, suele considerarse que la entropía es el desorden de un sistema, es decir, su grado de homogeneidad. Un ejemplo doméstico sería el de lanzar un vaso de cristal al suelo: tenderá a romperse y a esparcirse, mientras que jamás será posible que, lanzando trozos de cristal, se construya un vaso por sí solo. Otro ejemplo doméstico: imagínense dos envases de un litro de capacidad que contienen, respectivamente, pintura blanca y pintura negra; con una cucharita, se toma pintura blanca, se vierte en el recipiente de pintura negra y se mezcla; luego se toma pintura negra con la misma cucharita, se vierte en el recipiente de pintura blanca y se mezclan; el proceso se repita hasta que se obtienen dos litros de pintura gris, que no podrán reconvertirse en un litro de pintura blanca y otro de pintura negra; la entropía del conjunto ha ido en aumento hasta llegar a un máximo cuando los colores de ambos recipientes son sensiblemente iguales (sistema homogéneo). Cuando la energía es degradada, dijo Boltzmann, se debe a que los átomos asumen un estado más desordenado. Y la entropía es un parámetro del desorden: ésa es la concepción

profunda que se desprende de la nueva interpretación de Boltzmann. Por extraño que parezca, se puede crear una medida para el desorden; es la probabilidad de un estado particular, definido aquí como el número de formas en que se puede armar a partir de sus átomos MATERIAL.   

Dos vasos de cristal transparentes Agua a temperatura ambiente y a 100 grados Celsius. Cubos de hielo con colorante

PROCEDIMIENTO. El desarrollo de este experimento está basado en demostrar a base de la pigmentación del agua, el grado de entropia que se presenta conforme se aumenta la temperatura en un sistema. Como primer paso se calentó agua a una temperatura aproximada de 100 grados (punto de ebullición) y enfriar agua a unos 10 grados aproximadamente:

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Al mismo tiempo de esto ya se tenían a la mano dos cubos de hielo, con colorante.

Tras haber introducido los cubos de hielo se dejó pasar un lapso de un minuto, después de este lapso se tomaron las siguientes fotografías:

Despues de esto lo que se prosiguió a hacer fue introducir un cubo de hielo a cada uno de los vasos al mismo tiempo:

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En estas imágenes se puede observar cómo es que el cubo de hielo se derrite más rápidamente en el agua a 100 grados, en comparación con el que se encuentra a 10 grados. El último paso fue dejar otro minuto de tiempo para obtener los resultados finales, los cuales fueron los siguientes:

En la imagen se puede apreciar cómo es que el cubo de hielo en el agua a 100 grados esta por completo derretido, sin embargo en el agua a 10 grados el cubo se ha derretido muy poco que tal vez no se notaría si el agua no estuviera pintada. CONCLUSIONES Tras haber realizado el experimento se pueden concluir los siguientes aspectos: Según lo que nos dicta la teoría del marco teórico acerca de la entropía, podemos observar

que como propiedad de que define un estado la entropía se cumple, ya que la entropía es el intercambio de calor de un sistema a su ambiente, con respecto a su temperatura absoluta, y en el experimento pudimos ver que, debido a que teníamos un vaso con agua a 100 grados aproximadamente y otro a 10 grados, el intercambio de calor era mayor en el vaso con agua a 100 grados y al agregar el cubo de hielo este se derritió más fácil, ya que el agua intercambiaba más calor con el hielo que con el ambiente, debido a que la diferencia de temperaturas entre el hielo y el agua es mayor a la del agua y el ambiente. Por el mismo motivo el agua a 10 grados no intercambia mucho calor con el ambiente, y el hielo se derritió aún más lento debido a la poca diferencia de temperatura entre el agua y el hielo. Este experimento también podemos abordarlo por la definición que nos da Ludwig Boltzmann, la cual nos dice que Cuando la energía es degradada, se debe a que los átomos asumen un estado más desordenado. Y la entropía se vuelve un parámetro del desorden. Tomando esta deducción podemos observar que en nuestro experimento, el vaso con mayor entropía era el del agua a 100 grados, ya que como sabemos el agua a esta temperatura está a punto de evaporarse, por lo tanto la interacción entre sus moléculas es mayor a la que tiene el agua a 10 grados, esta interacción causa en el agua un desorden atómico mayor, debido a eso la

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entropía del agua a 100 grados es mayor a la del agua a 10 grados, una imagen que nos explica mejor esta deducción es la siguiente:

En esta imagen se muestran los estados de agregación del agua, donde nosotros podemos situar al agua a 10 grados más cerca del estado sólido, y el agua a 100 grados más cerca del estado gaseoso, y de esta manera tener una idea del desorden atómico que tiene cada estado y a su vez su grado de entropía.

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