GUÍA Nº 1 CALIBRACIÓN DE UN TERMÓMETRO 1.- Introducción A través de la Ley cero de la Termodinámica y de la transferencia de calor se determinan cuantitativamente el punto de congelación y el punto de ebullición del agua Ley cero de la termodinámica El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en el cual las variables empíricas usadas para definir un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, entre otras) no son dependientes del tiempo. A dichas variables empíricas (experimentales) de un sistema se les conoce como coordenadas termodinámicas del sistema. A este principio se le llama del equilibrio termodinámico. Si dos sistemas A y B están en equilibrio termodinámico, y B está en equilibrio termodinámico con un tercer sistema C, entonces A y C están a su vez en equilibrio termodinámico. Este principio es fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibe la posición 0. La ley cero, conocida con el nombre de la ley del equilibrio térmico fue enunciada en un principio por Maxwell y llevada a ley por Fowler y dice: “Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí”. El equilibrio térmico debe entenderse como el estado en el cual los sistemas equilibrados tienen la misma temperatura. Esta ley es de gran importancia porque permitió definir a la temperatura como una propiedad termodinámica y no en función de las propiedades de una sustancia. La aplicación de la ley cero constituye un método para medir la temperatura de cualquier sistema escogiendo una propiedad del mismo que varíe con la temperatura con suficiente rapidez y que sea de fácil medición, llamada propiedad termométrica. En el termómetro de vidrio esta propiedad es la altura alcanzada por el mercurio en el capilar de vidrio debido a la expansión térmica que sufre el mercurio por efecto de la temperatura. Cuando se alcanza el equilibrio térmico, ambos sistemas tienen la misma temperatura.

Asignatura: Física Termodinámica

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Fecha actualización: Otoño 2009

2.- Aprendizajes Esperados a) De acuerdo al programa de estudios 2.1.- Criterios de Evaluación a) Calibrar un termómetro de resistencia eléctrica durante un proceso de cambio de estado térmico del agua, tomando como referencia un termómetro de mercurio graduado en ºC” 3.-Materiales a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l) m)

1 Matraz Erlenmeyer, 50 ml 1 termistor 1 Termómetro graduado 1 Base de soporte 2 Varillas de soporte, 50 cm 1 Mordaza doble 1 Pinza universal 1 Mechero Hielo Agua Fósforos Toalla Nova 1 Cronometro

4.- Actividades 4.1.- Procedimiento a) Construya el sistema que propone la Figura N°1.

Figura Nº1

a) Preparación experimental del montaje. Asignatura: Física Termodinámica

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b) Construir el montaje de soporte de la Figura N°1. c) Fijar la mordaza doble y la pinza universal. d) Llenar el Erlenmeyer hasta la mitad con hielo. Añadir agua hasta 2/3 del matraz. e) Introducir el termómetro junto con el termistor f) Conectar la salida del termistor al tester en escala de resistencia. g) Registrar el valor de la resistencia del instrumento y la temperatura del termómetro, registrar los valores iniciales. h) Calentar el agua en forma lenta y registrar los valores de resistencia y temperatura con un intervalo de tiempo de 2—5 seg.

4.2.- Cálculo y Resultados a) Registre sus valores en una tabla de datos T v/s R: b) Construir un gráfico de calibración de R v/s T a) Ajuste el Grafico utilizando programa “excel” según la indicación del profesor y determine el modelo experimental de la calibración del termistor b) Analizar las constantes obtenidas del modelo ¿Qué representa físicamente cada una de ellas? c) Utilizando el termistor determine el valor de la resistencia del hielo y agua en ebullición, con los valores calcule a partir de la ecuación de calibración la temperatura de dichos puntos. d) Determine porcentajes de diferencia con valores obtenidos del termómetro

%=

Tteermistor ⋅ 100 − 100 TMercurio

de mercurio, utilice: e) Comentar sus resultados obtenidos f) Discuta fuentes de error observadas en el desarrollo de la experiencia 4.3.- Investigación Previa al Experimento: Termosensores biológicos La termorrecepción es un proceso que realizan los seres vivos para detectar diferencias de temperatura. La vida activa de los animales es posible dentro del estrecho intervalo que establece la temperatura de su cuerpo: entre 0°C y 45°C. Las limitaciones dependen del congelamiento de los tejidos a baja temperatura y de la alteración química de las proteínas del cuerpo, por encima del extremo superior de ese intervalo. Dentro de los límites establecidos, el metabolismo de un animal tiende a aumentar o disminuir paralelamente con la temperatura de su cuerpo. En las especies más evolucionadas (aves y mamíferos), la temperatura del cuerpo y el metabolismo son relativamente independientes de las influencias térmicas directas del medio ambiente. Estos animales pueden mantener una considerable estabilidad fisiológica interna, aunque se den cambios en las condiciones ambientales y en las fluctuaciones climáticas y geográficas. Por ejemplo, un oso polar puede realizar sus funciones normales durante el calor del verano, lo mismo que en las aguas frígidas del Ártico. Este tipo de flexibilidad está basada en estructuras sensoriales específicas llamadas termorreceptores, que le permiten al animal detectar los cambios térmicos y adaptarse a ellos. En cambio, en las especies llamadas "de sangre fría", como los insectos, víboras y lagartijas, la temperatura ambiental se refleja directamente en la temperatura de su cuerpo, y por este motivo se mueven hacia zonas más favorables, como por Asignatura: Física Termodinámica

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ejemplo debajo de las piedras, en las zonas calientes. Los mosquitos, por otra parte, son atraídos por las radiaciones térmicas (infrarrojas) de sus huéspedes de "sangre caliente". Las abejas normalmente escogen intervalos de temperatura entre 35°C 1.5°C. La sanguijuela puede discriminar temperaturas con una precisión de un grado Celsius. La babosa reacciona a temperaturas inferiores a 21°C, aumentando su actividad locomotora, y basta que la temperatura baje a 20.7°C para que, en un lapso de cinco minutos, haya cambiado su posición. La antena de los mosquitos, donde probablemente se encuentra su termosensor, manifiesta una sensibilidad a los cambios en la temperatura del aire, de cerca de 0.5°C. Algunas especies de peces, como el bacalao, nadan con la mitad de su cuerpo hacia afuera, como respuesta a cambios tan pequeños como de 0.03°C a 0.07°C en la temperatura del agua que los cubre. Se considera que los termosensores de los peces están repartidos en la piel de todo el cuerpo. Sin embargo, en los anfibios sólo se ha registrado sensibilidad para cambios muy grandes de temperatura. Se ha publicado, por ejemplo, que una rana colocada en una sartén con agua fría no salta si el agua se calienta gradualmente. En efecto, se sabe que las ranas pueden permanecer quietas en esa agua hasta que mueren por cocimiento. Los mamíferos y las aves tienen sus centros termorreguladores localizados principalmente en el hipotálamo. La información que proveen dichos reguladores sirve para activar mecanismos biológicos internos que mantienen la temperatura del cuerpo dentro de los límites normales. Por ejemplo, la información de un aumento de temperatura provoca mecanismos de pérdida de calor: sudoración, jadeo y vasodilatación en la piel. Si las señales son de descenso de la temperatura se inician los mecanismos de conservación del calor; mediante un movimiento muscular que consume energía del organismo al tiritar, temblar; sacudirse, estremecerse y al producirse la vasoconstricción.

Figura 1. Los gatos poseen termosensores en la nariz que les permiten responder a estímulos térmicos de 0.1 a 0.2 grados Celsius. Las aves ahuecan el plumaje y los animales el pelo, para favorecer el aislamiento térmico. Todos estos cambios reguladores, involuntarios o automáticos, persisten durante la anestesia ligera o durante el sueño. Un caso interesante son los termosensores que poseen los gatos en la nariz, receptores altamente específicos que responden a estímulos térmicos de 0.1 a 0.2°C. Esto corresponde a los niveles de sensibilidad térmica de la piel de la cara en los seres humanos. Asignatura: Física Termodinámica

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5.- Bibliografía 1. R. Serway, Vol. I, Física, Editorial Mc Graw – Hill, 2005 2. Termodinámica, Tomo I, Yunus A. Cengel - Michael A. Boles, Editorial McGraw - Hill, 1999 3. Termodinámica Técnica Fundamental, M.W. Zemansky - H.C. Van Ness, Editorial Aguilar S.A. , España, 1980

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