Desafío: conservación de la energía térmica en un sistema cerrado

Objetivo: investigar cómo se transfiere y se conserva la energía térmica entre materiales, verificando el principio de conservación de la energía en un proceso termodinámico.

Materiales: dos recipientes aislados térmicamente, agua caliente, agua fría, termómetro, cronómetro y, opcionalmente, aislante térmico.

Paso 1. Preparación de los recipientes

Se llena un recipiente con agua caliente y el otro con agua fría, aislando térmicamente ambos si es posible.

Respuesta orientativa: el aislamiento es lo que aproxima el sistema al caso ideal de sistema cerrado (sin intercambio de calor con el entorno), condición necesaria para afirmar que la energía térmica total se conserva dentro del sistema.

Paso 2. Medición de las temperaturas iniciales

Se miden y registran las temperaturas iniciales del agua caliente (T_{h}) y del agua fría (T_{f}).

Respuesta orientativa: conviene esperar 2–3 minutos con el termómetro sumergido para que el instrumento alcance el equilibrio térmico con el agua y la lectura sea fiable.

Paso 3. Transferencia de energía térmica

Se vierte el agua caliente en el recipiente con agua fría, se mezcla bien y se registra la temperatura del sistema en intervalos regulares durante un tiempo determinado.

Respuesta orientativa: al mezclarse, la energía térmica se transfiere por conducción y convección: el agua caliente cede energía (su temperatura disminuye) y el agua fría la recibe (su temperatura aumenta), hasta alcanzar una temperatura común T_{m}.

Paso 4. Registro de datos

Se anotan las temperaturas medidas y los tiempos transcurridos durante el proceso.

Respuesta orientativa: una tabla de registro con columnas t (s), T (^{\circ}C) permite graficar T vs. t y observar el proceso de equilibrio térmico.

Paso 5. Análisis de la energía térmica

Se calcula la energía térmica inicial y final del sistema y se comparan para verificar si hay conservación.

La energía térmica (calor) entregada o recibida se calcula con la expresión general:

Q = m \cdot c \cdot \Delta T

1. Energía térmica del agua caliente antes de mezclar:

Q_{h} = m_{h} \cdot c_{\text{agua}} \cdot (T_{h} - T_{m})

2. Energía térmica absorbida por el agua fría:

Q_{f} = m_{f} \cdot c_{\text{agua}} \cdot (T_{m} - T_{f})

3. Si el sistema está aislado, no hay pérdidas al entorno, de modo que lo que cede un cuerpo lo recibe el otro:

Q_{\text{cedido}} = Q_{\text{absorbido}}

m_{h} \cdot c_{\text{agua}} \cdot (T_{h} - T_{m}) = m_{f} \cdot c_{\text{agua}} \cdot (T_{m} - T_{f})

4. Como el mismo material (agua) está en ambos lados, el calor específico se cancela:

m_{h}(T_{h} - T_{m}) = m_{f}(T_{m} - T_{f})

5. Despejando la temperatura final:

T_{m} = \frac{m_{h}T_{h} + m_{f}T_{f}}{m_{h} + m_{f}}

Respuesta orientativa: se comparan Q_{\text{cedido}} y Q_{\text{absorbido}}; si ambos valores coinciden dentro del margen experimental (generalmente 5–10 %), se concluye que la energía térmica se conservó en el proceso.

Respuesta: La energía térmica cedida por el agua caliente es igual a la absorbida por el agua fría; el sistema total conserva su energía térmica, verificando el principio de conservación de la energía.

Reflexión

Fuentes de error posibles: (a) pérdidas de calor al entorno si los recipientes no están bien aislados; (b) calor absorbido por el propio recipiente y el termómetro; (c) evaporación del agua caliente; (d) lecturas imprecisas del termómetro o del cronómetro; (e) mezcla incompleta, que produce gradientes de temperatura locales.

Mejoras del diseño experimental: usar recipientes de material de baja conductividad térmica (termos o vasos de poliestireno), tomar el volumen de agua con matraz aforado para que m_h y m_f sean conocidos con precisión, medir la temperatura de ambas aguas antes de mezclar, hacer varias repeticiones y corregir la temperatura final por la energía térmica perdida al entorno.

METACOGNICIÓN

1. ¿Qué he aprendido? Aprendí que en un proceso adiabático (aislado) el calor cedido por un cuerpo es igual al calor absorbido por el otro; por eso Q_{cedido} = Q_{absorbido} y la energía térmica total del sistema se conserva.

2. ¿Cómo lo he aprendido? Realizando el experimento paso a paso, registrando datos reales de temperatura y tiempo, y comparando los valores calculados de Q con una tabla y una gráfica de T vs. t.

3. ¿Para qué me ha servido? Me sirvió para comprender el significado físico del principio de conservación de la energía en termodinámica y para practicar el manejo del termómetro, el cronómetro y el razonamiento cuantitativo.

4. ¿En qué otras ocasiones puedo usarlo? En el cálculo de temperaturas de mezcla en calefacción doméstica, en la refrigeración y el aire acondicionado, en la elaboración de té o café, y en el estudio de procesos industriales donde se recupera calor.