Reflexión: identifica fuentes de error del experimento y propone mejoras al diseño experimental.

Principal error: transferencia de calor al ambiente; mejora: mejor aislamiento y corrección por recipientes

Metacognición: ¿qué he aprendido, cómo lo he aprendido, para qué me ha servido y en qué otras ocasiones puedo usarlo?

La energía térmica se conserva: Q_total = 0 en un sistema aislado

Libro de Física 3 BGU

Ministerio de Educación del Ecuador

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Conservación de la energía térmica: experimento con agua caliente y fría

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Respuesta rápida

Protocolo: mezclar 200 g a 70 °C con 300 g a 20 °C en sistema aislado. 2) $T_f = 40\,^\circ$ C; $Q_{cal} = -25\,116$ J, $Q_{fr} = +25\,116$ J, $Q_{total} = 0$ : se conserva la energía térmica. 3.a) La principal fuente de error es la pérdida de calor al ambiente. 3.b) Mejor aislamiento, termómetro más preciso y corrección por los recipientes. 4) La energía térmica solo se transfiere: $Q = m c \Delta T$ con $Q_{total}=0$ .

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Solución — Página 183

Fisica 3° · 2024

Ejercicio 1

Diseño del experimento (Desafío). Objetivo: investigar si la energía térmica se conserva al mezclar agua caliente y agua fría en un sistema cerrado.

Materiales: dos recipientes aislados térmicamente, agua caliente, agua fría, termómetro, cronómetro y aislante térmico (opcional).
Protocolo: llenar un recipiente con agua caliente y otro con agua fría, aislando ambos; medir y registrar las temperaturas iniciales $T_{h,0}$ y $T_{f,0}$ ; volcar el agua caliente en la de agua fría, mezclar bien y registrar $T$ en intervalos regulares durante un tiempo determinado; anotar los datos de temperatura y tiempo.
Cierre del sistema: al mezclar, se trabaja de modo que $Q_{sistema} = Q_{agua\,caliente} + Q_{agua\,fría} \approx 0$ ; la pérdida de calor hacia el medio ambiente se reduce con el aislamiento y se corrige midiendo la temperatura final real.

Respuesta

protocolo completo y verificable, con sistema cerrado mediante aislamiento térmico.

Ejercicio 2

Cálculo de la energía térmica (Análisis). Datos modelo de laboratorio: $m_{cal} = 200 \, \text{g}$ de agua a $T_{h,0} = 70 \, ^\circ\text{C}$ ; $m_{fr} = 300 \, \text{g}$ de agua a $T_{f,0} = 20 \, ^\circ\text{C}$ . Calor específico del agua: $c = 4{,}186 \, \text{J}/(\text{g} \cdot ^\circ\text{C})$ .

Ejercicio 1

Temperatura teórica final (mezcla):

$T_f = \frac{m_{cal} T_{h,0} + m_{fr} T_{f,0}}{m_{cal} + m_{fr}} = \frac{200 \cdot 70 + 300 \cdot 20}{200 + 300} = \frac{14000 + 6000}{500} = 40 \, ^\circ\text{C}$

Ejercicio 2

Energía térmica perdida por el agua caliente:

$Q_{cal} = m_{cal} \, c \, (T_f - T_{h,0}) = 200 \cdot 4{,}186 \cdot (40 - 70) = 200 \cdot 4{,}186 \cdot (-30) = -25\,116 \, \text{J}$

Ejercicio 3

Energía térmica ganada por el agua fría:

$Q_{fr} = m_{fr} \, c \, (T_f - T_{f,0}) = 300 \cdot 4{,}186 \cdot (40 - 20) = 300 \cdot 4{,}186 \cdot 20 = +25\,116 \, \text{J}$

Ejercicio 4

Balance energético:

$Q_{total} = Q_{cal} + Q_{fr} = -25\,116 + 25\,116 = 0 \, \text{J}$

Respuesta

$T_f = 40 \, ^\circ\text{C}$ y $Q_{total} = 0$ , es decir, el calor perdido por el cuerpo caliente se recibe íntegramente por el cuerpo frío: hay conservación de la energía térmica.

Ejercicio 3

Parte 3.a

¿Qué fuentes de error pueden aparecer?

Pérdida de calor hacia el ambiente y hacia los recipientes (la temperatura final real queda por debajo de la teórica).
Errores de lectura del termómetro y calibración deficiente.
Temperatura inicial inestable del agua caliente (enfriamiento entre la medición y el mezclado).
Mezclado incompleto, que produce zonas de distinta temperatura.

Respuesta

el principal es la transferencia de calor al ambiente, que hace que $|Q_{fr}| < |Q_{cal}|$ en la práctica.

Parte 3.b

Mejoras al diseño experimental

Usar termómetros de mayor precisión (0,1 °C), mantener los recipientes a la misma temperatura antes de iniciar, mezclar durante un tiempo mayor antes de la primera lectura, registrar todas las temperaturas en el menor intervalo posible y corregir el cálculo incluyendo la capacidad calorífica de los recipientes.

Respuesta

aislamiento mejorado, medición más rápida y corrección por la capacidad calorífica de los recipientes.

Ejercicio 4

— Metacognición

Parte 4.a

¿Qué he aprendido?

Aprendí el principio de conservación de la energía: en un proceso termodinámico el calor que pierde un cuerpo se recibe por otro y el balance energético es cero ( $Q_{total} = 0$ ). También aprendí a aplicar la ecuación $Q = m c \Delta T$ con signos correctos.

Respuesta orientativa: que la energía térmica no se crea ni se destruye, solo se transfiere entre cuerpos.

Parte 4.b

¿Cómo lo he aprendido?

Lo aprendí mediante un experimento guiado paso a paso: medí temperaturas, registré datos, calculé energías y comparé las magnitudes ganadas y perdidas; la comprobación numérica me dio la certeza conceptual.

Respuesta orientativa: aprendizaje activo por indagación: proceder, medir, calcular y verificar.

Parte 4.c

¿Para qué me ha servido?

Me sirve para entender fenómenos cotidianos como el enfriamiento de una bebida, el funcionamiento de radiadores y circuitos de refrigeración, y para resolver problemas de termodinámica con rigor cuantitativo.

Respuesta orientativa: comprender y predecir transferencias de calor en situaciones reales.

Parte 4.d

¿En qué otras ocasiones puedo usarlo?

Puedo aplicarlo al estudio de la capacidad calorífica de materiales, al rendimiento de procesos de calefacción, al diseño de termos y aislantes, y a problemas de entalpía en química y a eficiencia energética.

Respuesta orientativa: en cualquier proceso de transferencia de calor: aislantes, termos, calefacción, refrigeración y reacciones químicas.

Contenido de la página

A que no te atreves

Tema: Termodinámica - Conservación de la Energía Térmica

Desafío: realiza un experimento para investigar la conservación de la energía térmica en un sistema cerrado. El objetivo es analizar cómo la energía térmica se transfiere y se conserva entre diferentes materiales y verificar la aplicación del principio de conservación de la energía en un proceso termodinámico.

Apoyo:

Materiales:

Dos recipientes aislados térmicamente.
Agua caliente.
Agua fría.
Termómetro.
Cronómetro.
Aislante térmico (opcional).

Orientaciones paso a paso:

Preparación de los recipientes: lleno un recipiente con agua caliente y el otro con agua fría y aíslo térmicamente ambos recipientes si es posible.
Medición de temperaturas iniciales: mido y registro la temperatura inicial del agua caliente y del agua fría utilizando el termómetro.
Transferencia de energía térmica: vierto el agua caliente en el recipiente con agua fría y mezclo bien. Luego registro la temperatura del sistema en intervalos regulares durante un período de tiempo determinado.
Registro de datos: anoto las temperaturas medidas y los tiempos transcurridos durante el proceso.
Análisis de la energía térmica: calculo la cantidad total de energía térmica inicial y final del sistema. Luego comparo las cantidades de energía térmica y verifico si hay conservación.

Reflexión:

Reflexiono sobre el experimento y los resultados obtenidos. Analizo cómo la energía térmica se transfiere entre los cuerpos y si la cantidad total de energía térmica se conserva a lo largo del proceso. Identifico posibles fuentes de error y discuto mejoras en el diseño experimental.

METACOGNICIÓN

¿Qué he aprendido?
¿Cómo lo he aprendido?
¿Para qué me ha servido?
¿En qué otras ocasiones puedo usarlo?

Ejemplos resueltos

Se mezclan $200 \, \text{g}$ de agua a $70 \, ^\circ\text{C}$ con $300 \, \text{g}$ de agua a $20 \, ^\circ\text{C}$ , con $c = 4{,}186 \, \text{J}/(\text{g} \cdot ^\circ\text{C})$ . ¿Cuál es la temperatura final y se conserva la energía térmica?

$T_f = \frac{200 \cdot 70 + 300 \cdot 20}{500} = \frac{20\,000}{500} = 40 \, ^\circ\text{C}$ .
$Q_{cal} = 200 \cdot 4{,}186 \cdot (40-70) = -25\,116 \, \text{J}$ .
$Q_{fr} = 300 \cdot 4{,}186 \cdot (40-20) = +25\,116 \, \text{J}$ .
$Q_{total} = -25\,116 + 25\,116 = 0 \, \text{J}$ : el calor perdido se recibe por completo, hay conservación.

Tabla

Momento	Temperatura (°C)	Masa (g)	Observación
Inicial (agua caliente)	$T_{h,0}=70$	$m_{cal}=200$	Recipiente aislado térmicamente
Inicial (agua fría)	$T_{f,0}=20$	$m_{fr}=300$	Recipiente aislado térmicamente
Equilibrio (mezcla)	$T_f=40$	$500$	Medida a los 3–5 min
Balance energético	—	—	$Q_{cal}=-25\,116\,\text{J}$ , $Q_{fr}=+25\,116\,\text{J}$ , $Q_{total}=0$

Diagrama

flowchart TD
    A[Preparar agua caliente y agua fría\naisladas térmicamente] --> B[Medir y registrar\ntemperaturas iniciales T_h0 y T_f0]
    B --> C[Mezclar el agua caliente\nen la fría y agitar]
    C --> D[Registrar T(t) en intervalos\nregulares con cronómetro]
    D --> E[Calcular Q = m c ΔT\npara cada cuerpo]
    E --> F[Sumar balances: Q_total = ΣQ]
    F --> G{¿Q_total ≈ 0?}
    G -->|Sí| H[Se conserva la energía\ntérmica en el sistema cerrado]
    G -->|No| I[Identificar fuentes de error\ny mejorar el aislamiento]

Fórmulas y ecuaciones

Temperatura de mezcla: $T_f = \frac{m_{cal} T_{h,0} + m_{fr} T_{f,0}}{m_{cal} + m_{fr}}$

Energía térmica: $Q = m \, c \, \Delta T$

Condición de conservación: $\sum Q = 0$ en un sistema aislado

Q = m $\$ , c $\$ , $\Delta$ T

$T_f$ = $\frac{m_1 T_1 + m_2 T_2}{m_1 + m_2}$

$Q_{total}$ = $Q_{caliente}$ + $Q_{fría}$ = 0

$\Delta$ T = $T_f$ - $T_0$

Glosario (6)

Sistema cerrado: Sistema que intercambia energía con su entorno pero no materia; por eso se puede aplicar el balance $Q_{total} = 0$.
Aislamiento térmico: Materiales y métodos que reducen la transferencia de calor por conducción, convección y radiación hacia el ambiente.
Calor específico (capacidad calorífica específica): Cantidad de energía necesaria para elevar 1 unidad de temperatura a 1 unidad de masa de un sustancia; para el agua $c = 4{,}186 \, \text{J}/(\text{g} \cdot ^\circ\text{C})$.
Temperatura de mezcla: Temperatura común que alcanzan dos cuerpos cuando llegan al equilibrio térmico.
Balance energético: Igualdad que compara el calor perdido por un cuerpo con el calor ganado por otro en un proceso aislado.
Metacognición: Reflexión sobre el propio proceso de aprendizaje: qué se aprendió, cómo, con qué utilidad y qué usos futuros tiene.

Preguntas para practicar

Reflexiono sobre el experimento: ¿cómo se transfiere la energía térmica entre los cuerpos?

La energía térmica se transfiere espontáneamente del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura mediante conducción y convección, hasta alcanzar el equilibrio térmico.

¿Por qué es necesario aislar térmicamente los recipientes?

Para que el sistema sea lo más cercano posible a un sistema cerrado: si se pierde calor al ambiente, el balance $Q_{total}=0$ deja de cumplirse y los resultados no reflejan la conservación.

¿Qué otras situaciones cotidianas aplican el principio de conservación de la energía térmica?

El enfriamiento de una bebida caliente, el funcionamiento de termos y radiadores, los circuitos de refrigeración y el calentamiento de una plancha al pasar electricidad.

Temas y conceptos clave

Conservación de la energía térmica en un sistema cerradoCalorimetría y mezcla de líquidosProtocolo experimental y control de variablesMetacognición y reflexión sobre el aprendizajesistema cerradoaislamiento térmicotemperatura de mezclabalance energético $Q_{total}=0$fuentes de errormetacognición

Fuentes y referencias

Ecuación de calorimetría estándar $Q = mc\Delta T$ y calor específico del agua $c=4{,}186\,\text{J}/(\text{g}\cdot^\circ\text{C})$.

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📌 Antes de leer esto

• Concepto de temperatura y escalas Celsius
• Ecuación $Q = m c \Delta T$
• Masa, temperatura y cambio de temperatura
• Signo convencional: calor ganado (+) y calor perdido (−)

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A que no te atreves

Tema: Termodinámica - Conservación de la Energía Térmica

Desafío: realiza un experimento para investigar la conservación de la energía térmica en un sistema cerrado. El objetivo es analizar cómo la energía térmica se transfiere y se conserva entre diferentes materiales y verificar la aplicación del principio de conservación de la energía en un proceso termodinámico.

Apoyo:

Materiales:

e Dos recipientes aislados térmicamente.

Agua caliente.

Agua fria.

Termómetro.

Cronómetro.

Aislante térmico (opcional).

Orientaciones paso a paso:

e Preparación de los Recipientes: Lleno un recipiente con agua caliente y el otro con agua fría y aíslo térmicamente ambos recipientes si es posible.

e Medición de Temperaturas Iniciales: Mido y registro la temperatura inicial del agua caliente y del agua fría utilizando el termómetro.

e Transferencia de Energía Térmica: Vierto el agua caliente en el recipiente con agua fría y mezclo bien. Luego registro la temperatura del sistema en intervalos regulares durante un período de tiempo determinado.

e Registro de Datos: Anoto las temperaturas medidas y los tiempos transcurridos durante el proceso.

e Análisis de la Energía Térmica: Calculo la cantidad total de energía térmica inicial y final del sistema. Luego comparo las cantidades de energía térmica y verifica si hay conservación.

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Reflexión:

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