TERMODINÁMICA

punto Draper es la temperatura aproximada por encima de la cual casi todos los materiales sólidos brillan visiblemente como resultado de la radiación del cuerpo negro . Fue establecido a 977 ° F (525 ° C, 798 K) por John William Draper en 1847. ^{[1] [2] [3]}

Los cuerpos a temperaturas justo debajo del punto Draper irradian principalmente en el rango infrarrojo y emiten una luz visible despreciable. El valor del punto Draper se puede calcular utilizando la ley de desplazamiento de Wien : la frecuencia pico $${\ displaystyle \ nu _ {\ text {peak}}}(en hercios ) emitido por un cuerpo negro se relaciona con la temperatura de la siguiente manera: ^[4]

$${\ displaystyle \ nu _ {\ text {peak}} = 2.821 {\ frac {kT} {h}},}

dónde

k es la constante de Boltzmann ,

h es la constante de Planck ,

T es la temperatura (en kelvins ).

Sustituir el punto de Draper en esta ecuación produce una frecuencia de 83 THz, o una longitud de onda de 3.6  µm , que está bien dentro del infrarrojo y es completamente invisible para el ojo humano. Sin embargo, el borde anterior de la curva de radiación del cuerpo negro se extiende, en una pequeña fracción de la intensidad máxima, hasta el infrarrojo cercano y el rojo lejano (aproximadamente el rango de 0.7 a 1 µm), que son débilmente visibles como un rojo apagado. ^[5]

De acuerdo con la ley de Stefan-Boltzmann , un cuerpo negro en el punto Draper emite 23 kilovatios de radiación por metro cuadrado, casi exclusivamente infrarrojo.

Las aves bebedoras , también conocidas como aves insaciables, aves mojadas, aves bebedoras o aves sumergidas , ^{[1] [2] [3]} son motores de calor de juguete que imitan los movimientos de un pájaro bebiendo agua. A veces se consideran incorrectamente ejemplos de un dispositivo de movimiento perpetuo .

Construcción y materiales [ editar ]

Un pájaro bebedor consiste en dos bulbos de vidrio unidos por un tubo de vidrio (el cuello del pájaro). El tubo se extiende casi hasta el fondo de la bombilla inferior, y se adhiere a la bombilla superior, pero no se extiende hacia ella. El espacio interior del ave contiene un fluido, generalmente coloreado. El fluido es típicamente diclorometano , también conocido como cloruro de metileno. Las versiones anteriores contenían triclorofluorometano . La patente de 1945 de Miles V. Sullivan sugirió éter , alcohol , tetracloruro de carbono o cloroformo . ^[4]

El aire se elimina del aparato durante la fabricación, por lo que el espacio dentro del cuerpo se llena con el vapor evaporado del fluido. ^[4] La bombilla superior tiene un "pico" unido que, junto con la cabeza, está cubierto de un material similar al fieltro. ^[4] El pájaro está típicamente decorado con ojos de papel, un sombrero de copa de plástico y una o más plumas de la cola. Toda la configuración gira sobre un travesaño ajustable unido al cuello.

A pesar de la apariencia del pájaro bebedor y su clasificación como juguete, existe el peligro potencial de que se rompan los fragmentos de vidrio en caso de que la bombilla se rompa. Los primeros modelos a menudo se llenaban con sustancias altamente inflamables, aunque el fluido en versiones posteriores no es inflamable. El diclorometano puede irritar la piel al contacto y los pulmones si se inhala. Puede ser peligroso para las personas con afecciones cardíacas, hepáticas o del sistema nervioso preexistentes y se sospecha que es carcinógeno. ^[5]

Pasos del motor de calor [ editar ]

El pájaro bebedor es un motor térmico que explota una diferencia de temperatura para convertir la energía térmica en una diferencia de presión dentro del dispositivo y realiza trabajos mecánicos . Como todos los motores térmicos, el pájaro bebedor trabaja a través de un ciclo termodinámico . El estado inicial del sistema es un ave con una cabeza húmeda orientada verticalmente.

El proceso funciona de la siguiente manera: ^[6]

1. El agua se evapora del fieltro en la cabeza.
2. La evaporación reduce la temperatura de la cabeza de vidrio ( calor de vaporización ).
3. La disminución de la temperatura hace que se condense algo del vapor de diclorometano en la cabeza.
4. La menor temperatura y la condensación juntas hacen que la presión caiga en la cabeza (según la ley del gas ideal ).
5. La mayor presión de vapor en la base más caliente empuja el líquido hacia el cuello.
6. A medida que aumenta el líquido, el ave se vuelve más pesada y se vuelca.
7. Cuando el ave se inclina, el extremo inferior del tubo del cuello se eleva por encima de la superficie del líquido.
8. Una burbuja de vapor caliente sube por el tubo a través de esta brecha, desplazando el líquido a medida que avanza.
9. El líquido regresa a la bombilla inferior (el juguete está diseñado de modo que cuando se haya inclinado sobre la inclinación del cuello lo permita). La presión se iguala entre las bombillas superior e inferior.
10. El peso del líquido en el bulbo inferior devuelve al ave a su posición vertical
11. El líquido en el bulbo inferior es calentado por el aire ambiente, que está a una temperatura ligeramente más alta que la temperatura de la cabeza del ave.

Si se coloca un vaso de agua de manera que el pico se sumerja en su descenso, el ave continuará absorbiendo agua y el ciclo continuará mientras haya suficiente agua en el vaso para mantener la cabeza húmeda. Sin embargo, el ave continuará sumergiéndose incluso sin una fuente de agua, siempre y cuando la cabeza esté húmeda, o mientras se mantenga un diferencial de temperatura entre la cabeza y el cuerpo. Este diferencial se puede generar sin enfriamiento por evaporación en la cabeza; por ejemplo, una fuente de calor dirigida a la bombilla inferior creará un diferencial de presión entre la parte superior e inferior que impulsará el motor. La última fuente de energía es el gradiente de temperatura entre la cabeza y la base del juguete; El juguete no es una máquina de movimiento perpetuo .

Principios físicos y químicos [ editar ]

Video La ingeniería del pájaro bebedor

El pájaro bebedor es una exposición de varias leyes físicas y, por lo tanto, es un elemento básico de la química básica y la educación física . Éstos incluyen:

• El diclorometano con un punto de ebullición bajo (39.6 ° C, 103.28 ° F bajo presión estándar p ^o  = 10 ⁵  Pa - cuando el ave de beber primero se evacua, se llena parcialmente y se sella, la presión y por lo tanto el punto de ebullición en el ave de beber ser diferente), le da al motor térmico la capacidad de extraer movimiento de bajas temperaturas. El pájaro bebedor es un motor térmico que funciona a temperatura ambiente.
• La ley de gas combinada , que establece una relación proporcional entre la temperatura y la presión ejercida por un gas en un volumen constante.
• La ley del gas ideal , que establece una relación proporcional entre el número de partículas de gas y la presión en un volumen constante.
• La distribución de Maxwell-Boltzmann , que establece que las moléculas en un espacio dado a una temperatura dada varía en el nivel de energía, y por lo tanto puede existir en múltiples fases (sólido / líquido / gas) a una sola temperatura.
• Calor de vaporización (o condensación), que establece que las sustancias absorben (o emiten) calor al cambiar de estado a una temperatura constante.
• Par y centro de masa .
• Acción capilar del fieltro.
• Temperatura de bulbo húmedo : la diferencia de temperatura entre la cabeza y el cuerpo depende de la humedad relativa del aire.

Al considerar la diferencia entre las temperaturas de bulbo húmedo y seco, es posible desarrollar una expresión matemática para calcular el trabajo máximo que se puede producir a partir de una cantidad dada de agua "borracho". Dicho análisis se basa en la definición de la eficiencia del motor térmico de Carnot y los conceptos psicrométricos . ^[7]

Historia [ editar ]

En la década de 1760 (o antes), los artesanos alemanes habían inventado el llamado "martillo de pulso" ( Pulshammer ). En 1767, Benjamin Franklin visitó Alemania, vio un martillo y, en 1768, lo mejoró. ^[8] El martillo de pulso de Franklin consistía en dos bombillas de vidrio conectadas por un tubo en forma de U; Una de las bombillas estaba parcialmente llena de agua en equilibrio con su vapor. Sostener la bombilla parcialmente llena en la mano haría que el agua fluya hacia la bombilla vacía. ^[9] En 1872, el físico e ingeniero italiano Enrico Bernardi combinó tres tubos Franklin para construir un simple motor térmico que funcionaba por evaporación de una manera similar al pájaro bebedor. ^[10]

En 1881, Israel L. Landis obtuvo una patente para un motor oscilante similar. ^[11] Un año después (1882), los hermanos Iske obtuvieron una patente para un motor similar. ^[12] A diferencia del pájaro bebedor, el tanque inferior se calentó y el tanque superior solo se enfrió con aire en este motor. Aparte de eso, utilizó el mismo principio. Los hermanos Iske durante ese tiempo obtuvieron varias patentes sobre un motor relacionado que ahora se conoce como rueda Minto .

Un juguete de pájaro bebedor chino que data de los años 1910 ~ 1930 llamado birdie insaciable se describe en Yakov Perelman 's Physics for Entertainment . ^[1] El libro explica el mecanismo de "insaciable": "Puesto que la temperatura del tubo de dirección se hace más baja que la del depósito de cola, esto causa una caída en la presión de los vapores saturados en el tubo de dirección ..." ^[1] Se se dijo en Shanghai, China, que cuando Albert Einstein y su esposa, Elsa, llegaron a Shanghai en 1922, quedaron fascinados por el juguete chino "insaciable". ^[13] Además, el profesor japonés de juguetes, Takao Sakai, de la Universidad de Tohoku., también introdujo este juguete chino. ^[14] Arthur M. Hillery obtuvo una patente en 1945. Arthur M. Hillery sugirió el uso de acetona como fluido de trabajo. ^[15] Este invento chino fue nuevamente patentado en los EE. UU. Por Miles V. Sullivan en 1946. ^[4] Él era un Ph.D. inventor-científico en los Laboratorios Bell en Murray Hill, NJ , EE. UU. ^{[4] [16] [17]}

• 

  Israel L. Landis 1881
 
• 

  Iske Brothers 1881
 
• 

  Arthur M. Hillery, 1944
 
• 

  Millas V. Sullivan 1945 ^[4]

Notable uso en la cultura popular [ editar ]

El pájaro bebedor se ha utilizado en muchos contextos ficticios para presionar automáticamente los botones. En el episodio " King-Size Homer " de Los Simpson , Homer usó uno para presionar repetidamente una tecla en el teclado de una computadora. Herb Powell también mostró uno a Homer como parte de una demostración sobre invenciones en el episodio " Hermano, ¿Puedes ahorrar dos centavos? ". Dos de ellos se usaron en la película de 1990 Darkman para provocar explosiones. Los pájaros bebedores han aparecido como parte de una máquinade Rube Goldberg en la película La gran aventura de Pee-wee ^[18] y en el episodio de Family Guy " 8 Reglas simples para comprar a mi hija adolescente ".

Los pájaros que beben han sido presentados como elementos de la trama en la caricatura Putty Tat Trouble deMerrie Melodies de 1951 y en el thriller de ciencia ficción de 1968, The Power . También han tenido apariciones menores en varias películas y programas de televisión, incluida la película de Woody Allen Sleeper , la película de ciencia ficción de 1979 Alien (también mencionada en Alien 3 y Alien: Covenant ), la comedia de 1989 When Harry Met Sally , la película de 2008 Max Payne , la película de 2010 Megamind , y los episodios de los programas de televisión estadounidenses The Simpsons , Mad Men andEd, Edd y Eddy . El episodio 508 deMystery Science Theatre 3000 presenta una parodia del ave bebedora llamada Bobbing Buzzard , que corre encarroña en lugar de agua.

Entre los videojuegos, el pájaro bebedor apareció como el "dragón dunkin '" en el juego de la Sierra , Quest for Glory (1989), en el juego Gremlin Interactive Normality (1996), y como un elemento de mobiliario de "aves acuáticas" en los juegos Animal Crossing. (2001). Porygon2, un Pokémon introducido en la Generación II ( Pokémon Gold y Silver ), se parece a un pájaro bebedor, y en los juegos de Pokémon en 3D , mueve su cabeza en un movimiento de "inmersión". Más recientemente, en el juego Quantum Conundrum (2012), una de las principales mecánicas del juego es un pájaro bebedor que se usa como un temporizador para presionar los botones. En la Asamblea Creativa 2014Videojuego Alien: Aislamiento , las aves bebedoras se ven con frecuencia en los escritorios de la configuración principal del juego, la Estación de Sebastopol.

En la obra teatral contemporánea de Australia, John Romeril , El mundo flotante , los pájaros bebedores son un elemento simbólico que representa la progresión de la locura de Les. ^[19] Se les conoce como "aves dippy" y quizás se usan para simbolizar tal cosa debido a la opinión de Romeril de que las aves que beben son que están locas por su inutilidad y repetibilidad.

Diseño alternativo [ editar ]

En 2003, Nadine Abraham y Peter Palffy-Muhoray de Ohio, EE. UU., Diseñaron un mecanismo alternativo que utiliza la acción capilar combinada con la evaporación para producir movimiento, pero no tiene un fluido de trabajo volátil. Su artículo "A Dunking Bird of the Second Kind", ^[20] se presentó al American Journal of Physics y se publicó en junio de 2004. Describe un mecanismo que, aunque es similar al pájaro bebedor original, funciona sin una diferencia de temperatura. En su lugar, utiliza una combinación de acción capilar , diferencia de potencial gravitacional y la evaporación del agua para alimentar el dispositivo.

Este pájaro funciona de la siguiente manera: está equilibrado de modo que, cuando está seco, se inclina hacia abajo. El ave se coloca junto a una fuente de agua de modo que esta posición ponga su pico en contacto con el agua. Luego, el agua se eleva hacia el pico mediante una acción capilar (los autores usaron una esponja triangular) y se transportó mediante una acción capilar más allá del fulcro hasta un depósito de esponja más grande que se diseñaron para parecerse a las alas. Cuando el reservorio ha absorbido suficiente agua, el fondo ahora pesado hace que el ave se incline hacia arriba. Con el pico fuera del agua, al final se evapora suficiente agua de la esponja para restablecer el equilibrio original y la cabeza se inclina hacia abajo nuevamente. Aunque puede ocurrir una pequeña caída en la temperatura debido al enfriamiento por evaporación, esto no contribuye al movimiento del ave.

efecto Dufour es el flujo de energía debido a un gradiente de concentración de masa que se produce como un efecto acoplado de procesos irreversibles . Es el fenómeno recíproco del efecto Soret . ^[1] El gradiente de concentración produce un cambio de temperatura. Para mezclas líquidas binarias, el efecto Dufour generalmente se considera despreciable, mientras que en mezclas de gases binarias el efecto puede ser significativo.

equilibrio dinámico una vez que una reacción reversible deja de cambiar su relación de reactivos / productos, pero las sustancias se mueven entre los químicos a una tasa igual, lo que significa que no hay cambio neto. Es un ejemplo particular de un sistema en estado estable . En termodinámica , un sistema cerrado está en equilibrio termodinámico cuando las reacciones ocurren a velocidades tales que la composición de la mezcla no cambia con el tiempo. De hecho, las reacciones ocurren, a veces vigorosamente, pero hasta tal punto que no se pueden observar cambios en la composición. Las constantes de equilibrio se pueden expresar en términos de las constantes de velocidad para reacciones elementales.

Ejemplos [ editar ]

En una nueva botella de soda, la concentración de dióxido de carbono en la fase líquida tiene un valor particular. Si se vierte la mitad del líquido y se sella la botella, el dióxido de carbono saldrá de la fase líquida a una velocidad cada vez menor y la presión parcial de dióxido de carbono en la fase gaseosa aumentará hasta alcanzar el equilibrio. En ese punto, debido al movimiento térmico, una molécula de CO ₂ puede abandonar la fase líquida, pero en poco tiempo otra molécula de CO ₂ pasará del gas al líquido, y viceversa. En el equilibrio, la tasa de transferencia de CO ₂ del gas a la fase líquida es igual a la tasa de líquido a gas. En este caso, la concentración de equilibrio de CO _2.en el líquido está dada por la ley de Henry , que establece que la solubilidad de un gas en un líquido es directamente proporcional a la presión parcial de ese gas por encima del líquido. ^[1]Esta relación se escribe como

$${\ displaystyle c = kp \,}

donde k es una constante dependiente de la temperatura, p es la presión parcial y c es la concentración del gas disuelto en el líquido de este modo, la presión parcial de CO ₂ en el gas ha aumentado hasta se obedece la ley de Henry. La concentración de dióxido de carbono en el líquido ha disminuido y la bebida ha perdido algo de su efervescencia.

La ley de Henry puede derivarse estableciendo que los potenciales químicos del dióxido de carbono en las dos fases sean iguales entre sí. La igualdad de potencial químico define el equilibrio químico . Otras constantes para el equilibrio dinámico que involucran cambios de fase, incluyen el coeficiente de partición y el producto de solubilidad . La ley de Raoult define la presión de vapor de equilibrio de una solución ideal.

El equilibrio dinámico también puede existir en un sistema monofásico. Un ejemplo simple ocurre con el equilibrio ácido-base , como la disociación del ácido acético , en solución acuosa.

CH ₃ CO ₂ H$${\ displaystyle \ rightleftharpoons}CH ₃ CO ₂ ^- + H ⁺

En el equilibrio, el cociente de concentración , K , la constante de disociación ácida , es constante (sujeto a algunas condiciones)

$${\ displaystyle K_ {c} = \ mathrm {\ frac {[CH_ {3} CO_ {2} ^ {-}] [H ^ {+}]} {[CH_ {3} CO_ {2} H]}} }

En este caso, la reacción hacia adelante implica la liberación de algunos protones de las moléculas de ácido acético y la reacción hacia atrás implica la formación de moléculas de ácido acético cuando un ion acetato acepta un protón. El equilibrio se alcanza cuando la suma de los potenciales químicos de la especie en el lado izquierdo de la expresión de equilibrio es igual a la suma de los potenciales químicos de la especie en el lado derecho. Al mismo tiempo, las tasas de reacciones hacia adelante y hacia atrás son iguales entre sí. Los equilibrios que implican la formación de complejos químicos también son equilibrios dinámicos y las concentraciones se rigen por las constantes de estabilidad de los complejos .

Los equilibrios dinámicos también pueden ocurrir en la fase gaseosa como, por ejemplo, cuando el dióxido de nitrógeno se dimeriza.

2NO ₂ $${\ displaystyle \ rightleftharpoons}N ₂ O ₄ ;$${\ displaystyle K_ {p} = \ mathrm {\ frac {[N_ {2} O_ {4}]} {[NO_ {2}] ^ {2}}}}

En la fase gaseosa, los corchetes indican presión parcial. Alternativamente, la presión parcial de una sustancia puede escribirse como P (sustancia). ^[2]

Relación entre las constantes de equilibrio y la tasa [ editar ]

En una reacción simple como la isomerización :

$${\ displaystyle A \ rightleftharpoons B}

hay dos reacciones a considerar, la reacción hacia adelante en la cual la especie A se convierte en B y la reacción hacia atrás en la que B se convierte en A. Si ambas reacciones son reacciones elementales , entonces la velocidad de reacción está dada por ^[3]

$${\ displaystyle {\ frac {d [A]} {dt}} = - k_ {f} [A] _ {t} + k_ {b} [B] _ {t}}

donde k _f es la constante de velocidad para la reacción hacia adelante y k _b es la constante de velocidad para la reacción hacia atrás y los corchetes, [..] denotan concentración . Si solo está presente A al comienzo, tiempo t = 0, con una concentración [A] ₀ , la suma de las dos concentraciones, [A] _t y [B] _t , en el tiempo t , será igual a [A] ₀.

$${\ displaystyle {\ frac {d [A]} {dt}} = - k_ {f} [A] _ {t} + k_ {b} \ left ([A] _ {0} - [A] _ { t} \ right)}

% de concentraciones de especies en la reacción de isomerización. k _f = 2 s ⁻¹ , k _r = 1 s ⁻¹

La solución a esta ecuación diferencial es

$${\ displaystyle [A] _ {t} = {\ frac {k_ {b} + k_ {f} e ^ {- \ left (k_ {f} + k_ {b} \ right) t}} {k_ {f } + k_ {b}}} [A] _ {0}}

y se ilustra a la derecha. A medida que el tiempo tiende a infinito, las concentraciones [A] _t y [B] _t tienden hacia valores constantes. Sea t elinfinito, es decir, t → ∞, en la expresión de arriba:

$${\ displaystyle [A] _ {\ infty} = {\ frac {k_ {b}} {k_ {f} + k_ {b}}} [A] _ {0}; [B] _ {\ infty} = {\ frac {k_ {f}} {k_ {f} + k_ {b}}} [A] _ {0}}

En la práctica, los cambios de concentración no serán medibles después de $${\ displaystyle t \ gtrapprox {\ frac {10} {k_ {f} + k_ {b}}}}. Como las concentraciones no cambian a partir de entonces, son, por definición , concentraciones de equilibrio. Ahora, la constante de equilibrio para la reacción se define como

$${\ displaystyle K = {\ frac {[B] _ {eq}} {[A] _ {eq}}}}

Se deduce que la constante de equilibrio es numéricamente igual al cociente de las constantes de velocidad.

$${\ displaystyle K = {\ frac {{\ frac {k_ {f}} {k_ {f} + k_ {b}}} [A] _ {0}} {{\ frac {k_ {b}} {k_ {f} + k_ {b}}} [A] _ {0}}} = {\ frac {k_ {f}} {k_ {b}}}}

En general, pueden ser más de una reacción hacia adelante y más de una reacción hacia atrás. Atkins afirma ^[4]que, para una reacción general, la constante de equilibrio global está relacionada con las constantes de velocidad de las reacciones elementales mediante

$${\ displaystyle K = \ left ({\ frac {k_ {f}} {k_ {b}}} \ right) _ {1} \ times \ left ({\ frac {k_ {f}} {k_ {b} }} \ right) _ {2} \ dots} .