Explicación, demostración y evaluación de un nuevo método para hallar el equilibrio térmico entre n cuerpos con cambios de fase

Introducing a new method to find the equilibrium state in a process of thermal exchange among n bodies when phase changes occur

Se usa un método especial para resolver los problemas calorimétricos donde se busca el estado final de equilibrio y toman lugar cambios de fase. Este método hace uso de la gráfica Temperatura vs. Calor para el calentamiento homogéneo del sistema de cuerpos dado.

INTRODUCCIÓN

El problema de encontrar el estado de equilibrio térmico cuando se reúne un número arbitrario de cuerpos, sabiendo que toman lugar cambios de fase de algunos de ellos, es un tema que forma parte de la asignatura de Fluidos y Termodinámica para las carreras de ingeniería. La fenomenología sobre los cambios de fase en transformaciones isobáricas es explicada en los textos de física general, pero no se brinda un método eficiente para hallar el estado final del sistema. La naturaleza del comportamiento por intervalos del proceso no deja otra opción, en el caso general, que apelar al llamado "método" de ensayo y error, como se reconoce en el libro de Sears et al., 2004. Llegar a conclusiones usando ese proceso es en muchos casos bastante insatisfactorio. Lo que se hace es plantear la ecuación de balance de energía en base a una suposición sobre el intervalo apropiado y, si el despeje no entrega un valor en ese intervalo, entonces queda descartado. Se prosigue de esa manera, hasta encontrar una respuesta coherente, y de especial dificultad es el caso en el que la temperatura final coincide con una de las de cambio de fase de una de las sustancias involucradas.

Lo anterior se verificó indagando a los profesores y a los estudiantes de la asignatura de Fluidos y Termodinámica de la Pontificia Universidad Javeriana y adicionalmente consultando los textos de: Savéliev, 1984; Roller y Blum, 1986, Alonso y Finn, 1995, Resnick y Halliday, 2002 y Sears et al., 2005.

En este artículo se explica un nuevo método para resolver este tipo de problemas, de la manera más sencilla para que pueda ser utilizado por los estudiantes. Este método se remonta a uno anterior (Yory y Mejía, 2003) para dos cuerpos, que se aplicó a estudiantes en una propuesta de mejoramiento docente financiado por la Vicerrectoría Académica de la Universidad Javeriana en el año 2005, donde se utilizaba el computador como herramienta. Pero la dificultad se presentaba cuando se tenía que generalizar a N cuerpos, con lo cual surge la necesidad de otra opción.

En este método, se explora cómo, haciendo uso de la gráfica Temperatura vs. Calor, es posible implementar un procedimiento plenamente predeterminado, que lleva invariablemente a la respuesta correcta.