APLICACIONES DEL MODELO Y EXPERIMENTOS SOBRE LA TENDENCIA AL EQUILIBRIO TÉRMICO


 

Una vez producida la extensión del modelo cinético-corpuscular de los gases a los sólidos y los líquidos, se amplia de forma considerable el conjunto de cuestiones que se pueden explicar usando dicho modelo de la materia. Recomendamos consultar el este documento, que contiene una colección de preguntas que se refieren a algunas de dichas cuestiones.

 
 

Aquí,  a modo de ejemplo, vamos a usar el modelo para interpretar la medición de temperatura de un termómetro tradicional. Para que el líquido del termómetro (por ejemplo, mercurio) cambie su volumen ha de cambiar la amplitud del movimiento de vibración de sus partículas. Tal como indica el dibujo adjunto, esto ocurre al ser golpeadas por las del vidrio con el que están en contacto, las cuales a su vez también adquieren más velocidad de vibración debido al contacto con las del aire.

Así pues, una consecuencia del modelo cinético-corpuscular, y, particularmente del concepto de temperatura (energía cinética media de las partículas), es la evolución de la temperatura de los sistemas materiales hacia un equilibrio térmico con los que les rodean.

 

Una aplicación errónea del modelo cinético-corpuscular puede hacer pensar que las partículas de cualquier gas tengan mayor velocidad que las de cualquier líquido, y éstas, a su vez, mayor que las de cualquier sólido. El ejemplo del termómetro enseña que la temperatura y también la velocidad de las partículas de diferentes sustancias en diferentes estados puede ser la misma. Desde luego, las partículas de una barra de hierro sólido a 1000ºC  tienen una velocidad de vibración mucho mayor que las del movimiento de aire frío (por ejemplo, a -20ºC) A pesar de ello las partículas del hierro se mantienen ligadas, lo que revela que las fuerzas de atracción entre ellas son de gran intensidad.

 

En el laboratorio se pueden estudiar experimentalmente procesos que ponen en evidencia la tendencia hacia el equilibrio térmico de sistemas materiales puestos en contacto. Por ejemplo, el enfriamiento de un objeto caliente (sacado de un horno), el calentamiento de un objeto frío (sacado de la nevera) o el proceso hacia el equilibrio de dos masas de agua (caliente/fría) puestas en contacto.

 

 

Para tal propósito se pueden usar sensores de temperatura y analizar los resultados obtenidos en relación a las leyes de enfriamiento y calentamiento de los cuerpos, a su vez, deducidas de forma tentativa. Los resultados obtenidos muestran un alto grado de precisión en el ajuste de los resultados con dichas leyes.

Clic aquí para ir al experimento sobre el un proceso de calentamiento y aquí para ir al experimento sobre un proceso de enfriamiento.

 

En Bachillerato los estudiantes no tienen conocimientos de matemáticas suficientes para deducir las leyes de enfriamiento y de calentamiento. Sin embargo, sí pueden plantear hipótesis fundadas acerca de los factores que incluyen en estos procesos y llegar a escribir una expresión diferencial sobre ellos. Por ello, resulta muy útil realizar una segunda parte de los análisis experimentales utilizando animaciones Modellus, preparadas para simularlos.

 

 

Así se estudia el grado de correspondencia entre las curvas experimentales de enfriamiento y/o de calentamiento (obtenidas con los sensores) y las gráficas que aporta la simulación, después de resolver la ecuación diferencial (hipótesis) del proceso. El grado de correspondencia es elevado.

Clic aquí para ir un análisis con Modellus en un proceso de enfriamiento y aquí para ir otro análisis similar en un proceso hacia el equilibrio térmico de dos masas de agua puestas en contacto.