FICHA DE IDENTIFICACIÓN DE TRABAJO DE INVESTIGACIÓN Título: LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA Autor: Mendoza Flores Carlos Leonel Mendoza Mendoza Luz Marina Mojica Pardo Miguel Angel Motenegro Olivar Paul Andres Ramiez Flores Milenka Leonor Fecha: 05/06/2016
Código de estudiante: 201305119 201305120 201309970 201308907 201309451 Carrera: Ingeniería de Gas y Petróleo Asignatura: Termodinámica Grupo: A Docente: Castro Muriel Flaby Rosario Periodo Académico: 01/2016 Subsede: santa cruz-Bolivia Copyright © (AÑO) por (Carlos Leonel M.F, Luz Marina M. M, Miguel Angel M. P, Paul Andres M. O, Milenka Leonor R. F.). Todos los derechos reservados.
Título: LEY CERO DE TERMODINAMICA Autor: CLMF, LMMM, MAMP, PAMO, MLRF _________________________________ ___________________________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ______________________ ____ _______________
Resumen La termodinámica, por definirla de una manera muy simple, fija su atención en el interior de los sistemas físicos, en los intercambios de energía en forma de calor qu e se llevan a cabo entre un sistema y otro. A las magnitudes macroscópicas que se relacionan con el estado interno de un sistema se les llama coordenadas termodinámicas, éstas nos ayudaran a determinar la energía interna del Sistema. La cual basada en la le y cero que nos dice que si dos cuerpos se en cuentran en equilibrio térmico añadiendo un tercer cuerpo, esta también estará en equilibrio entre sí. Referente
a lo mencionado realizamos realizamos este proyecto de trabajo para un mejor modo de
aprendizaje, donde desglosaremos lo más profundo del tema, elaboraremos algunos ejemplos ejemplos para su mejor entendimiento.
Palabras claves: Equilibrio térmico, intercambio de calor y energía.
Asignatura: TERMODINAMICA Carrera: ING. DE GAS Y PETROLEO
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Título: LEY CERO DE TERMODINAMICA Autor: CLMF, LMMM, MAMP, PAMO, MLRF ___________________________________________________________________________________________ _______________
Abstract
Thermodynamics, to define it in a very simple way, fixed their attention on the inside of physical systems, energy exchanges in the form of heat that are carried out between one system and another. At macroscopic quantities that relate to the internal state of a system is called thermodynamic coordinates, they will help us determine the internal energy of the system. Which based on zero law that says that if two bodies are in thermal equilibrium by adding a third body, this will also be in equilibrium with each other. Regarding the above made this project work for a better way of learning, where'll break down deep into the subject, we will draw some examples for better understanding.
Keywords: thermal balance, heat exchange and energy.
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Título: LEY CERO DE TERMODINAMICA Autor: CLMF, LMMM, MAMP, PAMO, MLRF ___________________________________________________________________________________________ _______________ TABLA DE CONTENIDO
1
CAPITULO I ____________________________________________________________7
1.1
Introducción _________________________________________________________7
1.2
Objetivos ____________________________________________________________8
1.2.1
General __________________________________________________________8
1.2.2
Específicos _______________________________________________________8
2
CAPITULO II ___________________________________________________________9
2.1
Marco teórico conceptual _______________________________________________9
2.2
Temperatura_________________________________________________________10
2.2.1
Medición de temperatura ___________________________________________11 Kelvin (K) _____________________________________________________11 Escala Celsius (oc) _______________________________________________12 Escala Fahrenheit oF _____________________________________________12 Escala Rankine (°R) _____________________________________________12
2.3
Transferencia de calor _________________________________________________12
2.3.1
Procesos de transferencia de calor ____________________________________13 Convección ____________________________________________________13 Conducción ____________________________________________________14 Radiación______________________________________________________16
2.4
Equilibrio termodinámico ______________________________________________16
2.4.1
Equilibrio mecánico _______________________________________________17
2.4.2
Equilibrio térmico _________________________________________________18
2.4.3
Equilibrio químico ________________________________________________19 Potencial químico _______________________________________________20
2.5
La ley cero concreta __________________________________________________20
2.6
Problemas propuestos _________________________________________________21
2.7
Ejemplo practico _____________________________________________________22
2.7.1
Procedimiento ____________________________________________________22
2.7.2
Explicación ______________________________________________________22
3
CONCLUSIÓN _________________________________________________________24
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BIBLIOGRAFÍA ________________________________________________________25
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Título: LEY CERO DE TERMODINAMICA Autor: CLMF, LMMM, MAMP, PAMO, MLRF ___________________________________________________________________________________________ _______________ LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Proceso de transferencia de calor de un cuerpo de mayor temperatura a uno de menor temperatura para quedar en equilibrio termodinámico. ______________________________10 Figura 2 escalas de medición de temperatura ______________________________________11 Figura 3 proceso de transferencia de calor ________________________________________13 Figura 4 Transferencia de calor desde una temperatura mayor a otra menor ______________15 Figura 5 equilibrio mecánico __________________________________________________18 Figura 6 Equilibrio térmico de dos cuerpos a diferentes temperaturas __________________18 Figura 7 equilibrio químico donde la estructura y composición no varía ________________20 Figura 8 Transferencia de energía térmica de un cuerpo A a un cuerpo B y a un cuerpo C, o de un cuerpo de mayor temperatura a uno de menor temperatura para un equilibrio térmico. __ 23
LISTA DE ECUACIONES
Ecuación 1 transferencia de calor por convección __________________________________13 Ecuación 2 tasa de transferencia de calor por conducción____________________________15 Ecuación 3 equilibrio térmico __________________________________________________19
LISTA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1 grafico jerargico de sistema en equilibrio termodinámico _________________17
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 tabla de coeficiente de convección ...............................................................................14 Tabla 2 lista de valores de conductividad térmica (k) para algunos materiales ........................15 Tabla 3 tabla de calor especifico................................................................................................19
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1 1.1
CAPITULO I Introducción
La Termodinámica es la rama de la Física que estudia a nivel macroscópico las transformaciones de la energía, y cómo esta energía puede convertirse en trabajo (movimiento) Históricamente, la Termodinámica nació en el siglo XIX de la necesidad de mejorar el rendimiento de las primeras máquinas térmicas fabricadas por el hombre durante la Revolución Industrial. La Termodinámica clásica (que es la que se tratará en estas páginas) se desarrolló antes de que la estructura atómica fuera descubierta (a finales del siglo XIX), por lo que los resultados que arroja y los principios que trata son independientes de la estructura atómica y molecular de la materia. El punto de partida de la mayor parte de consideraciones termodinámicas son las llamadas leyes o principios de la Termodinámica. En términos sencillos, estas leyes definen cómo tienen lugar las transformaciones de energía. Con el tiempo, han llegado a ser de las leyes más importantes de la ciencia. En este caso nos basaremos en la ley cero de termodinámica que es un principio de generalización del equilibrio térmico entre cuerpos o sistemas termodinámicos. En este proyecto la temperatura es la propiedad que determina si un sistema dado esta en equilibrio térmico con otros. La termodinámica, por definirla de una manera muy simple, fija su atención en el interior de los sistemas físicos, en los intercambios de energía en forma de calor que se llevan a cabo entre un sistema y otro. A las magnitudes macroscópicas que se relacionan con el estado interno de un sistema se les llama coordenadas termodinámicas; éstas nos van a ayudar a determinar la energía interna del Sistema.
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Objetivos
1.2
1.2.1
General
Estudiar y comprender el concepto de ley cero de termodinámica para su conocimiento y aplicación. 1.2.2
Específicos
Demostrar mediante practica la teoría investigada sobre la ley cero de la termodinámica
Especificar la transferencia de temperatura de un cuerpo a otro para que este en equilibrio termodinámico.
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2.1
CAPITULO II
Marco teórico conceptual
La Ley cero de la termodinámica nos dice que si tenemos dos cuerpos ya sea A y B, con diferente temperatura uno de otro, y los ponemos en contacto, en un tiempo determinado t, estos alcanzarán la misma temperatura, es decir, tendrán ambos la misma temperatura. Si luego un tercer cuerpo, que llamaremos C se pone en contacto con A y B, también alcanzará la misma temperatura y, por lo tanto, A, B y C tendrán la misma temperatura mientras estén en conta cto. De este principio podemos inducir el de temperatura, la cual es una condición que cada cuerpo tiene y que el hombre ha aprendido a medir mediante sistemas arbitrarios y escalas de referencia (escalas termométricas). Esta curiosa nomenclatura se debe a que los científicos se dieron cuenta tardíamente de la necesidad de postular lo que hoy se conoce como la ley cero: Cuando los sistemas pueden intercambiar calor, la ley cero postula que la temperatura es una variable de estado, y que la condición para que dos sistemas estén en equilibrio térmico es que se hallen a igual temperatura A fin de explicar el concepto de equilibrio térmico considere dos bloques de hierro de la misma geometría y peso, aislados de los alrededores, pero en contacto entre sí. Uno de los bloques está más caliente que el otro por lo tanto su temperatura es mayor, su resistencia eléctrica y su volumen también lo son. Al entrar en contacto los dos bloques aislados de sus alrededores se produce un intercambio (interacción), energética, que puede observarse a través del decremento de temperatura, volumen y resistencia eléctrica en el bloque más caliente; al mismo tiempo se lleva a cabo un aumento de las mismas propiedades en el bloque frío. Cuando todos los cambios observables cesan, esta interacción la térmica o de calor ha terminado y se dice que ambos bloques han alcanzado el equilibrio térmico. Tal se ve en la siguiente imagen como al poner una taza de café caliente a un recipiente cerrado con una taza de café frio dentro se observara que en un tiempo determinado llegaran a tener la misma temperatura. Siendo A café caliente, B café frio y C el recipiente.
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Las aplicaciones por la que se da la ley cero es por:
•
Temperatura
•
Transferencia de calor
•
Equilibrio termodinámico
Figura 1 Proceso de transferencia de calor de un
cuerpo de mayor temperatura a uno de menor temperatura para quedar
en equilibrio termodinámico.
2.2
Temperatura
La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de calor medible mediante un termómetro. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como «energía cinética», que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida que sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que éste se encuentra más «caliente»; es decir, que su temperatura es mayor.
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En el caso de un sólido, los movimientos en cuestión resultan ser las vibraciones de las pa rtículas en sus sitios dentro del sólido. En el caso de un gas ideal monoatómico se trata de los movimientos traslacionales de sus partículas (para los gases multiatómicos los movimientos rotacional y vibracional deben tomarse en cuenta también). El desarrollo de técnicas para la medición de la temperatura ha pasado por un largo proceso histórico, ya que es necesario darle un valor numérico a una idea intuitiva como es lo frío o lo caliente.
2.2.1
Medición de temperatura
La temperatura se mide con termómetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medición de la temperatura.
Figura 2 escalas de medición de temperatura
Kelvin (K) La escala Kelvin o escala absoluta, asocia el valor “cero kelvin” (0 K) al “cero absoluto”, y se gradúa con un tamaño de grado igual al del grado Celsius. Es decir siendo que (0 k) corresponde a (-273.15 oc) siendo 273 k como temperatura de congelación y 373 como temperatura de ebullición.
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Título: LEY CERO DE TERMODINAMICA Autor: CLMF, LMMM, MAMP, PAMO, MLRF ___________________________________________________________________________________________ _______________ Escala Celsius (oc)
Es la escala más extendida llamada “centígrada”; porque fue expresada desde un (0 oc) grado de congelación a (100 oc) grados de ebullición, es de menor medida y considerado como unidad básica de temperatura se relaciona a la escala kelvin de la siguiente manera
O
C=K-273.15
Escala Fahrenheit oF Establece una temperatura de 32 oF como temperatura de congelación y 212
O
F como
temperatura de ebullición utilizada para usos científicos y en determinadas industrias como la del petróleo.
Escala Rankine (°R) Establece su punto de referencia en el mismo punto de la escala Kelvin, el cero absoluto, pero con un tamaño de grado igual al de la Fahrenheit, Esta escala tiene su punto de cero absoluto a -459.67 OF y es usada únicamente en Estados Unidos, y solo en algunos campos de la ingeniería. En si la temperatura es una propiedad intensiva, es decir, que no depende del tamaño del sistema, sino que es una propiedad que le es inherente y no depende ni de la cantidad de sustancia ni del material del que este compuesto. 2.3
Transferencia de calor
Forma de energía que se transfiere entre dos sistemas (o un sistema y sus alrededores) debido a una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito que se transfiere entre un cuerpo material y otro a través de interacciones térmicas. Una vez dentro del sistema, o en los alrededores, si la transferencia es de d entro hacia afuera, el calor transferido se vuelve parte de la energía interna del sistema o de los alrededores, según su caso. El término calor, por tanto, se debe de entender como transferencia de calor y solo ocurre cuando hay diferencia de temperatura y en el sentido de mayor a menor. De ello se deduce que no hay transferencia de calor entre dos sistemas que se en cuentran a la misma temperatura (están en equilibrio térmico).
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Título: LEY CERO DE TERMODINAMICA Autor: CLMF, LMMM, MAMP, PAMO, MLRF ___________________________________________________________________________________________ _______________ 2.3.1
Procesos de transferencia de calor
Son:
Figura 3 proceso de transferencia de calor
Convección Es un proceso natural en el que el calor se transfiere entre dos sustancias liquidas, entre dos sustancias gaseosas o un gas y un líquido, siempre y cuando se encuentren a diferentes temperaturas. Incluso, se puede llamar convección al proceso de transferencia de calor entre un gas y un sólido o entre un líquido y un sólido a diferentes temperatura. También un modelo de transferencia de calor por convección, es llamado como la ley de enfriamiento de newton donde: Ecuación 1 transferencia de calor por convección
= ℎ( − ) H=transferencia de calor por conducción h= coeficiente de convección A= área de la superficie TA= temperatura de la superficie en contacto con el fluido
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T= temperatura del fluido
Tabla 1 tabla de coeficiente de
convección
Conducción La conducción de calor o transmisión de calor por conducción es un proceso de transmisión de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos, sin intercambio de materia, por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que está en contacto con el primero. La propiedad física de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad térmica. La propiedad inv ersa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.
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Ecuación 2 tasa de
=
transferencia de calor por conducción
( − )
Donde: Q= calor transferido en el tiempo (t) K= conductividad térmica de la barrera A= área T= temperatura d= grosor de la barrera Figura 4 Transferencia
de calor desde una
temperatura mayor a otra menor
Tabla 2 lista de valores de conductividad térmica (k) para algunos materiales
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Radiación Se denomina radiación térmica o radiación calorífica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura. Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética, siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada. En lo que respecta a la transferencia de calor la radiación relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 0,1µm a 1000µm, abarcando por tanto la región infrarroja del espectro electromagnético.
Equilibrio termodinámico
2.4
Un sistema que no tiene interacción con el medio está en equilibrio termodinámico cuando no se observa ningún cambio en sus propiedades termodinámicas a lo largo del tiempo. Equilibrio termodinámico es cuando todas las propiedades macroscópicas se mantienen sin cambio es decir que tengan la misma energía al pasar el tiempo. El equilibrio termodinámico se puede presentar en dos condiciones: 1. Cuando un sistema se encuentra aislado se encuentra en equilibrio si sus propiedades macroscópicas permanecen constantes al pasar el tiempo. 2. cuando un sistema no aislado se puede decir que está en equilibrio si se cumplen dos condiciones siguientes:
Las propiedades macroscópicas del sistema permanecen constantes a lo largo del tiempo.
Cuando se suprime el contacto entre el sistema y sus alrededores no hay cambio alguno en las propiedades del sistema.
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Ilustración 1 grafico jerargico
2.4.1
de sistema en equilibrio termodinámico
Equilibrio mecánico
El equilibrio mecánico es un estado estacionario en el que se cumple alguna de estas dos condiciones:
Un sistema está en equilibrio mecánico cuando la suma de fuerzas y momentos sobre cada partícula del sistema es cero.
Un sistema está en equilibrio mecánico si su posición en el espacio de configuración es un punto en el que el gradiente de energía potencial es cero.
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Como consecuencia de las leyes de la mecánica, u na partícula en equilibrio no sufre aceleración lineal ni de rotación, pero puede estar moviéndose a velocidad uniforme o rotar a velocidad
Figura 5 equilibrio mecánico
angular uniforme. Esto es ampliable a un sólido rígido. Más que todo se basa en la igualdad de fuerza y/o presiones con relación al medio. 2.4.2
Equilibrio térmico
Decimos que dos o más sistemas se encuentran en equilibrio térmico cuando al estar en contacto entre sí pero aislados del medio, sus propiedades se estabilizan en valores que no cambian con el tiempo.
Figura 6 Equilibrio térmico de dos cuerpos a
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diferentes temperaturas
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Título: LEY CERO DE TERMODINAMICA Autor: CLMF, LMMM, MAMP, PAMO, MLRF ___________________________________________________________________________________________ _______________ Ecuación 3 equilibrio térmico
= × × (2 − 1 ) Dónde: Q es el calor, m es la masa, Ce el calor especifico, diferencia d e temperatura T2-T1
Tabla 3 tabla de calor especifico
2.4.3
Equilibrio químico
En un proceso químico, el equilibrio químico es el estado en el que las actividades químicas o las concentraciones de los reactivos y los productos no tienen ningún cambio neto en el tiempo. Normalmente, este sería el estado que se produce cuando una reacción reversible evoluciona hacia adelante en la misma proporción que su reacción inversa. La velocidad de reacción de las reacciones directa e inversa por lo general no son cero, pero, si ambas son iguales, no hay cambios netos en cualquiera de las concentraciones de los reactivos o productos. Este proceso se denomina equilibrio dinámico.
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En general el equilibrio químico implica que estructura de la materia y composición del sistema no deben variar.
Figura 7 equilibrio químico donde la estructura y composición no varía
Potencial químico
El potencial químico de un sistema termodinámico es el cambio de energía que experimentaría el sistema si fuera introducida en éste una partícula adicional, manteniendo la entropía y el volumen constantes. Si un sistema contiene más de una especie de partículas, hay un potencial químico diferente asociado a cada especie, definido como el cambio en energía cuando el número de partículas de esa especie se incrementa en una unidad. El potencial químico es un parámetro fundamental en termodinámica y se asocia a la cantidad de materia.
La ley cero concreta
2.5
Que
Los sistemas que están en equilibrio térmico entre si tienen el mismo valor de un propiedad llamada temperatura.
Los sistemas que no están en equilibrio térmico entre sí tienen diferentes temperaturas.
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Problemas propuestos
2.6
Ejemplo 1 de equilibrio
Supongamos que tenemos una cocina, un recipiente de cocina y un refresco frio. Si pones en contacto el recipiente en la cocina con una temperatura de cocción y el refresco frio dentro del recipiente este pasara su calor desde la cocina con una temperatura de cocción al recipiente y hacia el refresco frio y esta quedara en equilibrio térmico.
Ejemplo 2 ejercicio propuesto
Calcular la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 10 kg de cobre (cu) de 25 o
c a 125 oc.
Datos m=10 kg = 1000gr T1= 25oc T2= 125 oc Ce= 0.09 cal/gr*oc Equilibrio térmico = × × (2 − 1 )
Q = 1000 gr * 0.09 cal/gr*oc * (125 oc – 25 oc) Q = 900 cal/oc * 100oc Q = 90000 calorías
R espuesta= 90000 calorías de calor (Q) es necesario para elevar la temperatura de 25 oc a 125 o
c
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Ejemplo practico
2.7
Materiales
-
una botella de vidrio
-
dos bombillas
-
recipiente con H2O fría
-
plastilina para poder sellar el pico de botella
-
recipiente con H2O en su punto de ebullición en cocina
-
H2O mezclado con colorante
Procedimiento Primero introdujimos el agua mezclado con colorante en la botella para que se pudiera apreciar 2.7.1
muy bien el experimento, enseguida agregamos la bombilla dentro de la botella pero solo un pequeño espacio, luego sellamos con plastilina la botella y la bombilla y seguidamente ponemos la botella en el recipiente con agua hirviendo y por ultimo trasladamos al recipiente de agua fría.
Explicación Al poner la botella en el recipiente de agua hirviendo esperamos a que el agua llegue a su punto 2.7.2
de ebullición y la botella este a temperatura elevada y a si al pasar del tiempo el agua con colorante subirá por la bombilla, la transferencia de temperatura hace que el agua suba por la bombilla para mantener un equilibrio térmico entre los cuerpos. La segunda parte es mover la botella al recipiente de agua fría, en esta parte notamos que el agua que subió por la bombilla bajo ya que esto también ocurrió por la transferencia de temperatura y en un tiempo determinado llagando así a quedar en equilibrio térmico entre los cuerpos. En esta parte tendría como cuerpo A al agua en su punto de ebullición del recipiente, como cuerpo B a la botella que funciona como conductor y al agua con colorante dentro de él y como cuerpo C al agua fría o en un punto de enfriamiento. Como vimos la razón por que el agua subió por la bombilla es que al momento que el cuerpo A estuviera transfiriendo energía térmica al cuerpo B el agua empezó a dilatarse entonces empezó a subir a través de la bombilla, porque la botella estaba sellada con plastilina y no tenía por donde salir el agua con colorante, es por eso que empezó a subir a través de la
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bombilla y al momento que los dos cuerpos estaban en equilibrio térmico, introducimos un cuerpo C que sería el recipiente con agua fría, que al momento que pusimos la botella en el agua fría la botella empezaría a transferir energía térmica al cuerpo C por tener mayor temperatura, al transferir la energía térmica al cuerpo C el agua ya no estaba dilatada y es por eso que el agua que subió por la bombilla bajo.
Figura 8 Transferencia de energía térmica de un cuerpo A a un cuerpo B
y a un cuerpo C, o de un cuerpo de mayor
temperatura a uno de menor temperatura para un equilibrio térmico.
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CONCLUSIÓN
Los cuerpos que tienen calor siempre están transmitiendo calor de uno con mayor temperatura a otro con menor temperatura hasta que ambos tienen la misma y el sistema está en completo balance. Comprendimos que la ley cero es muy importante conforme a su estudio ya que esto se ve muy claramente en la vida diaria, como al tomar un refresco frio ahí nuestro cuerpo funciona como conductor ya que tiene esta capacidad de equilibrar la temperatura corporal con la que se está suministrando bueno ante estos ejemplos podemos decir que nuestra vida se basa en esta ley cero de la termodinámica. En el ámbito petrolero esto se aprecia claramente en los dispositivos de enfriamiento la cual son ideales para evitar el sobrecalentamiento de máquinas, turbinas, motores y compresores.
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BIBLIOGRAFÍA
Fecha de búsqueda: 25/04/2016 http://fisicoquimica.wikidot.com/4-ley-cero-de-la-termodinamica
Fecha de búsqueda: 10/05/2016 http://www.batanga.com/curiosidades/4382/la-ley-cero-de-la-termodinamica Fecha de búsqueda: 12/05/2016 http://m.taringa.net/posts/ciencia-educacion/18255315/La-ley-cero-de-la-termodinamica--Ley-del-equilibrio-Termico.html
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