Física Estadística y Termodinámica |
Calor y temperatura Calor específico de un sólido Equivalente mecánico del calor Calor latente
Ley del enfriamiento de Newton Medida de la presión atmosférica Oscilaciones de un globo Medida de la presión de vapor del agua |
La escala Kelvin de temperaturas | |
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En esta página, se simula una experiencia que permite determinar el cero absoluto de temperatura mediante un proceso a volumen constante.
La escala Kelvin de temperaturasLa ecuación de un gas ideal es pV=nRT, donde
Si hacemos una gráfica del producto pV en función de la temperatura obtenemos una línea recta, que intersecará el eje X en el valor T=-273ºC. Si empleamos distintos gases pero con el mimo número n de moles, obtendremos la misma línea. Pero si el número n de moles es distinto obtendremos otra línea distinta que interseca al eje X en el mismo valor de T=-273ºC.
En vez de grados centígrados es por tanto, más conveniente usar una nueva escala de temperaturas, denominada escala Kelvin, de modo que a la temperatura centígrada -273ºC le corresponde el cero de la nueva escala. Si t es la temperatura en grados centígrados, la correspondiente temperatura T en la escala Kelvin será.
Ningún sistema puede tener una temperatura negativa ya que el producto pV es siempre positivo. A la temperatura 0 K un gas que ocupa un volumen V ejercerá una presión nula p=0 sobre las paredes del recipiente que lo contiene. Como la presión se debe a los choques de las moléculas con las paredes del recipiente, en el cero absoluto de temperatura cesará el movimiento de las moléculas que ya no ejercerán fuerzas sobre las paredes del recipiente.
Descripción de la experienciaSe dispone de un recipiente de volumen V que contiene aire. Se mide la presión del aire a distintas temperaturas con un manómetro.
Para determinar la temperatura T0, para la cual p=0, necesitamos medir las presiones p1 y p2 a las temperaturas t1 y t2. Trazamos la recta que pasa por los dos puntos en el diagrama presión-temperatura. La recta corta al eje horizontal en la abscisa T0. En la figura podemos ver dos triángulos semejantes. La relación de proporcionalidad es
Se coloca un recipiente de volumen V que contiene aire en un baño térmico formado por una mezcla de agua y hielo. Se mide la presión p1 del aire a la temperatura t1=0ºC.
Si cerramos el recipiente cuando está a esta temperatura, la presión será p1=1 atm=1.013·105 Pa. Las dos ramas del manómetro de mercurio estarán a la misma altura. Se transporta el recipiente cerrado a un baño térmico con agua en ebullición, se mide la presión p2 a la temperatura t2=100ºC. La presión p2 será la suma de la presión atmosférica más la que corresponde a la diferencia de alturas entre las dos ramas del manómetro, que como apreciamos en la figura es de 28 cm=0.28 m p2=1.013·105+9.8·13550·0.28=138481 Pa=1.37 atm Hemos utilizado el dato de la densidad del mercurio13550 kg/m3 El incremento de presión ha sido de p2-p1=0.37 atm. Con estos dos pares de datos calculamos T0.
ActividadesTenemos un recipiente que contiene aire y que está conectado a un manómetro, que va a medir la presión del aire para cada temperatura. En la situación inicial, observamos el recipiente en un baño térmico formado por una mezcla de agua (color azul claro) y hielo (cuadrados de color rosa en la superficie del agua). El aire que contiene el recipiente está a la presión atmosférica. Se pulsa el botón titulado Empieza Se cierra completamente el recipiente. Se conecta un horno eléctrico (le resistencia se pone de color rojo) y observamos que se funde el hielo sin cambiar la temperatura del baño térmico. Cuando desaparece el hielo, la temperatura del baño térmico se eleva rápidamente, hasta alcanzar los 100º C. Observamos que la presión del aire que contiene el recipiente se incrementa y podemos medir la presión anotando el desnivel de las dos ramas del manómetro de mercurio. El agua entra en ebullición, observamos las burbujas de vapor atravesando de abajo hacia arriba el baño térmico. El agua del baño se evapora, y al cabo de un cierto tiempo se desconecta el horno eléctrico. Se toman los datos de la presión, cuando la temperatura del baño se incrementa en 10ºC. Los pares de datos temperatura, presión se guardan en el área de texto situado a la izquierda del applet. Cuando se alcanzan los 100ºC, se completa la experiencia y se pulsa el botón titulado Gráfica para observar la representación gráfica de los datos “experimentales” y de la recta que mejor ajusta a dichos datos. La intersección de la recta con el eje horizontal se produce aproximadamente a -273ºC
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Ivanov D. Experimental determination of absolute zero temperature. The Physics Teacher, Vol 41, March 2003, pp. 172-175
Cero absoluto de
temperatura
