En el simulador se representa un sistema que consta de dos recipientes que pueden intercambiar calor entre sí pero no con el exterior, es decir un sistema aislado.

Los termómetros introducidos en cada recipiente son "no invasivos", es decir que la cantidad de calor que intercambian con el agua es despreciable.

¿A qué llamamos equilibrio térmico?

Cuando ponemos en contacto dos cuerpos que están a diferente temperatura, se observa que el cuerpo caliente disminuye su temperatura mientras que el cuerpo frío la aumenta. Si dejamos evolucionar el sistema el tiempo suficiente, llega un momento en el que las temperaturas de los dos cuerpos se han igualado, por lo que cesa el intercambio de energía.

• A este estado se le conoce como equilibrio térmico.
• A la temperatura final la llamamos temperatura de equilibrio ($T_e$)

La cantidad de calor que intercambia un cuerpo depende de:

• su masa m
• de su calor específico c (para el agua 4186 J/(kg·K))
• de la variación de la temperatura ΔT

La ecuación que relaciona estas variables es:

En un sistema aislado, el calor perdido por un cuerpo es igual al ganado por el otro:

Además, la velocidad a la que cambian las temperaturas depende de la diferencia térmica: cuanto mayor sea, más rápido se transfiere calor. A medida que se acercan al equilibrio, el proceso de intercambio de calor se ralentiza.

Actividad 1: Influencia de la masa

Objetivo: comprobar cómo afecta la masa de agua de cada recipiente a la temperatura de equilibrio.

Procedimiento:

1. Fija las temperaturas iniciales, por ejemplo:
◦ Para la masa m₁: 80 ºC
◦ Para la masa m₂: 20 ºC
2. Mantén una de las masas fija (por ejemplo m2) y varía la otra.
3. Realiza al menos 4 ensayos.
4. Calcula ΔT₁ = T_e − T₁, ΔT₂ = T_e − T₂, y luego Q₁ y Q₂ con la ecuación 1.
5. Registra los datos en la tabla.

Observando los datos recopilados en la tabla contesta a las preguntas siguientes:

1.- ¿Cómo cambia la temperatura de equilibrio (Te) al aumentar la masa de uno de los recipientes?

2.- ¿Hacia dónde se desplaza Te: hacia la masa mayor o hacia la menor? Razona tu respuesta

3.- ¿Se cumple en todos los ensayos que $Q_{1}​ + Q_{2}≈ 0 $ ? Si hay pequeñas diferencias, ¿a qué crees que se deben?

Actividad 2: Influencia de la diferencia de temperaturas

Objetivo: estudiar cómo afecta la diferencia inicial de temperaturas a la rapidez del proceso.

Procedimiento:

1. Mantén constantes las masas en todos los ensayos.
2. Realiza cuatro ensayos variando la diferencia inicial de temperatura (pequeña, media y grande).
3. Observa la forma de las gráficas T–t y anota el tiempo hasta el equilibrio.

Observaciones sobre la gráfica del ensayo 1:

Observaciones sobre la gráfica del ensayo 2:

Observaciones sobre la gráfica del ensayo 3:

Observaciones sobre la gráfica del ensayo 4:

Contesta a las siguientes preguntas:

• ¿Cuándo se alcanza el equilibrio más rápido, con poca o mucha diferencia de temperaturas?
• ¿Cómo es la pendiente de la curva T–t al principio? ¿Y cerca del equilibrio? ¿La velocidad de cambio es constante?
• ¿Afecta la diferencia inicial de temperaturas al valor de Tₑ? ¿Por qué?

Actividad 3: Gráfica de la energía

Objetivo: Interpretar las curvas Q₁, Q₂ y Q₁+Q₂ en la gráfica de energía y verificar la conservación de la energía en el sistema aislado.

Procedimiento:

• Observa la gráfica de energía en el simulador.
• Usa los mismos parámetros que en la Actividad 1 (al menos 2 ensayos con masas diferentes).
• Observa las tres curvas: Q₁, Q₂ y Q₁+Q₂.

1. ¿Qué curva sube y cuál baja? ¿A qué se debe ese comportamiento?

2. Describe la forma de la curva Q₁+Q₂. ¿Es una recta horizontal? ¿Qué significa eso físicamente?

3. ¿Cambia el valor de Q₁+Q₂ cuando varías las masas o las temperaturas? Explica por qué.

Actividad 4: Predicción de la temperatura de equilibrio

Objetivo: Utilizar la fórmula teórica de Tₑ para predecir el resultado antes de ejecutar la simulación, y comprobar que el simulador la verifica.

Aplicando la ecuación 2 (Q₁ + Q₂ = 0) y la ecuación 1, se puede despejar la temperatura de equilibrio:

Como ambos recipientes contienen agua (mismo calor específico c), la ecuación se simplifica:

Procedimiento:

• Elige valores de m₁, m₂, T₁ y T₂ para cada ensayo.
• Calcula Tₑ usando la ecuación 4 antes de ejecutar el simulador.
• Ejecuta el simulador y anota el valor de Tₑ que muestra.
• Compara el valor teórico y el experimental.

1. ¿Concuerdan los valores teóricos y los del simulador? Si hay diferencias, ¿son significativas?

2. Si m₁ = m₂, ¿qué valor toma Tₑ? Comprobándolo en el simulador, ¿es correcto?

3. Si T₁ = T₂, ¿qué ocurre con el sistema? ¿Qué valor predice la ecuación 4?

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