INGENIERA EN MECNICA

TEMPERATURA Y CALOR

DILATACIN TRMICA

LEYES DE LOS GASES

TERMODINMICA PRIMERA PARTE

DOCENTE:

ING. CIVIL EN MECNICA,

HERNN ALEXIS AROS NEZ

PRIMER SEMESTRE AO 2015TERMOMETRIA - CALORIMETRIA DILATACION

1) Reducir a la escala centgrada 113F.

2) Reducir 12R a la escala centgrada.

3) Reducir 8C bajo cero a la escala Farenheit.

4) Reducir 5C bajo cero a la escala Rankine.

5) Reducir 38 F a la escala Rankine

6) Reducir 20R a la escala Farenheit.

7) La temperatura media de Buenos Aires es de 16.2C y la de Londres de 51.7F. Cul es la mayor y que diferencia hay entre ambas?

8) Se conocen las temperaturas medias de las siguientes ciudades, expresarlas en la escala Farenheit:

CIUDADCF

BERLIN8,5

MILAN12.5

PARIS10

9) Pasar 59 C a F, K y R.

10) Pasar 110 F a K, R y F.

11) Pasar -25 R a C, F y K.

12) Pasar -89K a C, F y R

.

13) Los puntos de fusin y ebullicin, a la presin atmosfrica, del alcohol etlico son -117 C y 78,5 C. Convertir esas temperaturas a la escala Fahrenheit.

Rta: P.E = 173 F, P.F = -179F

14) Los puntos de ebullicin y de fusin, a la presin atmosfrica, del mercurio son 675 F y -38 F, respectivamente. Expresar dichas temperaturas en unidades de la escala centgrada.

Rta: P.E = 357C y P.F = -38.9C.

15) La temperatura del hielo seco (de sublimacin, a presin normal) es de 109 F. Es ms alta o ms baja que la temperatura de ebullicin del etano, que es de -88 C?.

Rta: Ms alta

16)Una barra de cobre mide 8m a 15 C. Hallar la variacin que experimenta su longitud al calentarla hasta 35 C. El coeficiente de dilatacin lineal del cobre es de 17 10 -6 (C) -1.

Rta 2.72 mm17)Hallar la longitud a 80 C de una barra de nquel que a 0C tiene una longitud de 60 cm ( = 0,0000131 EQ \F(1,C) )

Rta: 60,06288 cm

18)Hallar la longitud a 72C de una barra de plata que a 273K, tiene una longitud de 50cm.. ( = 0,0000197 EQ \F(1,C) )

Rta: 50,07092 cm.

19)A qu temperatura deber calentarse una barra de hierro ( = 0,0000122 EQ \F(1,C) ), que a 0C mide 5 m para que alcance una longitud final de 5,005 m?

Rta: 82C

20)Cul es el coeficiente de dilatacin lineal del aluminio, sabiendo que una barra de ese metal a 0C mide 2 m y a 100C experimenta un aumento de 4,76 mm?

Rta: 0,0000238 EQ \F(1,C) 21)Un eje de acero tiene un dimetro de 10,000 cm a 30 C. Calcular la temperatura que deber existir para que encaje perfectamente en un agujero de 9,997 cm de dimetro. El coeficiente de dilatacin lineal del acero es de 11 10 -6 (C) -1.

Rta: 2.7 C22)Calcular el aumento de longitud de una barra de cobre de 500 cm de largo cuando se calienta desde 12 C a 32 C. El coeficiente de dilatacin lineal del cobre es 17 10 -6 (C) -1.

Rta: 0.17 cm.

23)Una varilla de 3m de longitud se alarga 3 mm al elevar su temperatura en 100 C. Hallar el coeficiente de dilatacin lineal.

Rta: 10-5 ( C)-1.

24)Hallar el aumento de volumen que experimentan 100 cm3 de mercurio cuando su temperatura se eleva de 18 C a 35 C. El coeficiente de dilatacin cbica es de 18 10-5 (C)-1.

25)El coeficiente de dilatacin lineal del vidrio es de 9 10-6 (C)-1. Qu capacidad tendr un frasco de vidrio a 25 C, si su valor a 15 C es de 50 cm3.

Rta: 50,014 cm3.

26)Qu longitud tendr un hilo de cobre (coeficiente de dilatacin 0.0000117 (C)-1 calentado por el sol hasta 55C, si a 0 C su longitud era de 1.400 m?

Rta: 1400,90 m

27)Se tienen dos reglas una de plata (calor especfico 0.0000199 C-1) y otra de latn (calor especfico 0.0000187 C-1), que poseen la misma longitud: 2.50 m, calentadas a 200C Cul de las dos resulta de mayor longitud?

Rta: la de plata.

28)Cul ser el coeficiente de dilatacin lineal del cobre si un hilo de ese metal de 140 m de largo a 0 c adquiere al ser calentado a 350 C, una longitud de 140,8673 m?.

Rta: 0,0000177 (C)-1.

29)El punto de fusin de una sustancia es de 10C y su punto de ebullicin es de 85C. Indique en que estado se encuentra si la temperatura de la sustancia es de:a)25C, b) 40C, c) 110 C, d) 80 C.

30)En un termmetro Fahrenheit se observa una marca de 125 F y en un Celsius una marca de 45 C. Cul de las dos indica mayor estado trmico?.

31)A qu temperatura centgrada corresponde el 0 F?.

32)Qu cantidad de calor absorbe una masa de 5 g de hierro (Ce: 0,114 cal/g) que est a 28 C y se la calienta hasta 100C?.

Rta: 41,04 cal.

33)Cul es el calor especfico de una sustancia cuya masa es de 10 g, si absorbe 250 cal para pasar de 20C a 150C?.

Rta: 0,192 cal/g.C.

34)Cul ser la variacin de temperatura experimentada por una masa de 7 g de aluminio (Ce: 0.220 cal/g. C), si ha absorbido 170 cal?

Rta: 110,3 C.

35)Calcular la cantidad de calor ganada por una masa de 18 g de plomo (Ce: 0.03 cal/g.C) al ser calentada desde los 35C hasta los 105 C.

36)Cul es la masa de cinc (Ce: 0.093 cal/g . C) que absorbi 130 cal al pasar de 30 C a 65 C?.

TEMA: EL CALOR COMO ENERGA:TEORA DEL CALRICO.

Cuando analizamos el concepto de equilibrio trmico, vimos que si dos cuerpos con diferente temperatura se ponen en contacto, alcanzan, luego de cierto tiempo, una misma temperatura. A principios del 1800, los cientficos explicaban este hecho suponiendo que todos los cuerpos contenan en su interior una sustancia fluida, invisible y de masa nula, llamada calrico. Cuanto mayor fuese la temperatura de un cuerpo, tanto mayor sera la cantidad de calrico en su interior. De acuerdo con este modelo, cuando dos cuerpos con distinta temperatura se ponen en contacto, se produce una transmisin de calor del cuerpo ms caliente al ms fro, ocasionando una disminucin de la temperatura del primero y un incremento en la temperatura del segundo. Una vez que ambos cuerpos han alcanzado la misma temperatura, el flujo calrico se interrumpira y permaneceran, a partir de ese momento, en equilibrio trmico.

A pesar de que esta teora explicaba satisfactoriamente un gran nmero de fenmenos, algunos fsicos se mostraban insatisfechos en relacin con ciertos aspectos fundamentales del concepto del calrico, y trataron de sustituirla por otra, ms adecuada, en la cual el calor se considera como una forma de energa.

CALOR ES ENERGA:

La idea de que el calor es energa fue presentada por Benjamn Thompson (Conde Rumford) , un ingeniero militar que en 1798 trabajaba en la fabricacin de tubos de can. Al observar el calentamiento de las piezas de acero que eran perforadas, pens atribuir este calentamiento al trabajo realizado contra la friccin durante el proceso. En otras palabras, consider que la energa empleada en las realizacin de dicho trabajo era transmitida a las piezas, produciendo un incremento en su temperatura. Por tanto, la vieja idea que un cuerpo ms caliente posee mayor cantidad de calrico, empezaba a ser sustituida por la de que tal cuerpo en realidad posee mayor cantidad de energa en su interior.

La divulgacin de estas ideas dio lugar a muchas discusiones entre los cientficos. Algunos efectuaron experimentos que confirmaron las suposiciones de Rumford. Entre estos cientficos debemos destacar a James Joule, cuyos famosos experimentos acabaron por establecer, definitivamente, que el calor es una forma de energa.

Actualmente, se considera que cuando crece la temperatura de un cuerpo, la energa que posee en su interior, denominada energa interna, tambin aumenta. Si este cuerpo se pone en contacto con otro de ms baja temperatura, habr una transmisin o transferencia de energa del primero al segundo, energa que se denomina calor. Por lo tanto, el concepto moderno de calor es el siguiente: Calor es la energa que se transmite de un cuerpo a otro, en virtud nicamente de una diferencia de temperatura entre ellos.

Debemos observar que el trmino calor slo debe emplearse para designar la energa en transicin, es decir, la que se transfiere de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura. La transferencia de calor hacia un cuerpo origina un aumento en la energa de agitacin de sus molculas y tomos, o sea, que ocasiona un aumento en la energa interna del cuerpo, lo cual, generalmente, produce una elevacin de su temperatura. Por lo tanto no se puede decir que un cuerpo tenga calor.

Es importante observar, incluso, que la energa interna de un cuerpo puede aumentar sin que el cuerpo reciba calor, siempre que reciba alguna otra forma de energa.

UNIDADES DE CALOR:

Una vez establecido que el calor es una forma de energa, es obvio que una cierta cantidad de calor debe medirse en unidades energticas. Entonces, en el sistema internacional SI, mediremos el calor en Joules. Pero en la prctica actual se emplea an otra unidad de calor, muy antigua, (de la poca del calrico), la cual recibe el nombre de Calora (cal). Por definicin, 1 cal es la cantidad de calor que debe transmitirse a 1 gr de agua para que su temperatura se eleve en 1C.

Experimentalmente, James Joules estableci la relacin, a saber 1 cal = 4,18 J.

TRANSMISIN DEL CALOR:

a) CONDUCCIN: Suponga que una persona sostiene uno de los extremos de una barra metlica, y que el otro extremo se pone en contacto con una flama. Los tomos o molculas del extremo calentado por la flama, adquieren una mayor energa de agitacin. Parte de esta energa se transfiere a las partculas de la regin ms prxima a dicho extremo, y entonces la temperatura de esta regin tambin aumenta. Esta transmisin se debe a la agitacin de los tomos de la barra, transferida sucesivamente de uno a otro tomo, sin que ests partculas sufran ninguna traslacin en el interior del cuerpo.. La mayor parte del calor que se transfiere a travs de cuerpos slidos, es transmitida de un punto a otro por conduccin.

Dependiendo de la constitucin atmica de una sustancia, la agitacin trmica podr transmitirse de uno a otro tomo con mayor o menor facilidad, haciendo que tal sustancia sea buena o mala conductora del calor.

b) CONVECCIN: Cuando un recipiente con agua es colocado sobre una flama, la capa de agua del fondo recibe calor por conduccin. Por consiguiente el volumen de esta capa aumenta, y por lo tanto su densidad disminuye, haciendo que se desplace hacia la parte superior del recipiente para ser reemplazada por agua ms fra y ms densa, proveniente de tal regin superior. El proceso contina, con una circulacin continua de masas de agua caliente hacia arriba, y de masas de agua ms fra hacia abajo, movimientos que se denominan corrientes de conveccin.

La transferencia de calor en los lquidos y gases puede efectuarse por conduccin, pero el proceso de conveccin es el responsable de la mayor parte del calor que se transmite a travs del fluido.

c) RADIACIN: Suponga que un cuerpo caliente se coloca en el interior de una campana de vidrio, donde se hace el vaco. Un termmetro, situado en el interior de la campana, indicar una elevacin de la temperatura, mostrando que existe transmisin de calor a travs de vaco que hay entre el cuerpo caliente y el exterior. Evidentemente, esta transmisin no pudo haberse efectuado por conduccin ni conveccin, pues estos procesos slo pueden ocurrir cuando hay un medio material a travs del cual pueda transferir el calor. En este caso, la transmisin de calor se lleva a cabo mediante otro proceso, denominado radiacin trmica. El calor que nos llega del Sol se debe a este mismo proceso.

Todos los cuerpos calientes emiten radiaciones trmicas que cuando son absorbidas por algn otro cuerpo, provocan en l un aumento de temperatura. Estas radiaciones, as como las ondas de radio, la luz, los rayos X, etc., son ondas electromagnticas capaces de propagarse en el vaco.

CAPACIDAD TRMICA Y CALOR ESPECFICO

CAPACIDAD TRMICA: Suponga que a un cuerpo A se le proporciona una cantidad de calor igual a 100 cal, y que su temperatura se eleva en 20C. Pero si se suministra esa misma cantidad de calor a otro cuerpo, B, podemos observar un aumento de temperatura diferente, por ejemplo, de 10C. Para caracterizar este comportamiento de los cuerpos se define una magnitud llamada capacidad trmica, la cual corresponde al cuociente entre la cantidad de calor necesaria para variar su temperatura.

Es decir:

EMBED Equation.3

Podemos notar, entonces, que cuanto mayor sea la capacidad trmica de un cuerpo, tanto mayor ser la cantidad de calor que debemos proporcionarle para producir determinado aumento de la temperatura, y de la misma manera, tanto mayor ser la cantidad de calor que ceder cuando su temperatura sufra determinada reduccin. La unidad para medir esta magnitud es la o

CALOR ESPECFICO: De manera general, el valor de la capacidad trmica vara de un cuerpo a otro. Independientemente de que estn hechos del mismo material, dos cuerpos pueden tener distintas capacidades trmicas, pues sus masas pueden ser diferentes.

De modo que si tomamos bloques hechos del mismo material, de masas

EMBED Equation.3 distintas, sus capacidades trmicas sern distintas. Pero se halla que al dividir la capacidad trmica de cada bloque entre su masa, se obtiene el mismo resultado para todos los cuerpos, es decir:

(para un mismo material).

Entonces, el cociente es constante para determinado material, y vara, por tanto de un material a otro. Este cociente se denomina calor especfico, c , del material . Las unidades del calor especfico son cal/grC y Joule/kgC.

CALORES ESPECFICOS

SUSTANCIA

C( Cal/grC)

Agua1.00

Hielo0.55

Vapor de agua0.50

Aluminio0.22

Vidrio0.20

Hierro0.11

Latn0.094

Cobre0.093

Plata0.056

Mercurio0.033

Plomo0.031

Cuestionario:

1. Dos bloques idnticos A y B , de fierro ambos, se colocan en contacto y libres de influencias externas. Las temperaturas iniciales de los bloques son = 200C y = 50C.

a) Despus de cierto tiempo, que sucede a la temperatura de ? y a la de ?

b) De acuerdo con los cientficos anteriores a Rumford y Joule, cul era la causa de las variaciones de temperaturas ?.

c) Despus de cierto tiempo qu sucedi a la energa interna de cada cuerpo?.

d) Hubo transferencia de energa de un bloque a otro?, en qu sentido?.

e) Cmo se denomina esta energa transmitida?.

2. Una persona golpea varias veces con un martillo un bloque de plomo. Se halla que la temperatura del cuerpo se eleva considerablemente.

a) Aumento la energa interna del bloque de plomo?.

b) Hubo alguna transferencia de calor hacia el bloque de plomo?.

c) Entonces, cul fue la causa del aumento en la energa interna del bloque?.

3. Una persona afirma que su abrigo es de buena calidad, porque impide que el fro pase a travs de l. Esta afirmacin es correcta?. Explique.

4. Por qu en un refrigerador las capas de aire cercanas al congelador, luego de hacer contacto con l, se dirigen hacia abajo?. Si el congelador se colocara en la parte inferior de un refrigerador se formaran las corrientes de conveccin?.

5. Cuando estamos cerca de un horno muy caliente, la cantidad de calor que recibimos por conduccin y por conveccin es relativamente pequea. Pero an as sentimos que estamos recibiendo una gran cantidad de calor. Por qu?.

6. Dos autos, uno de color claro y otro de color oscuro, permanecen estacionados al Sol durante cierto tiempo. Cul cree usted que se calentar ms?. Explique.

7. Un bloque metlico se encuentra inicialmente a una temperatura de 20C. Al recibir una cantidad de calor , su temperatura s eleva a 50C.

a) Cul es la capacidad trmica del bloque?

b) Qu significa este resultado?.

8. Considerando el bloque del ejercicio anterior responda:

a) Cuntas caloras deben suministrrseles para que su temperatura se eleve de 20C a 100C?.

b) Cuntas caloras seran liberadas si su temperatura bajara de 100C a 0C?.

9. Se sabe que la masa del bloque del ejercicio 1 es de del material que constituye el bloque es de 100 gr.

a) Cul es el valor del calor especfico del material que constituye el bloque?.

b) Cul es este material?.

10. suponga que dos bloques A y B de cinc ambos, poseen masas mA y mB tales que .

a) El calor especfico de A es mayor, menor o igual al de B?.

b) La capacidad trmica de A es mayor, igual o menor que la de B?.

c) Si A y B sufrieran la misma disminucin de temperatura. Cul liberara mayor cantidad de calor?.

11. Considere 1 kg de agua y 1 kg de mercurio. Considerando la tabla de valores de calores especficos, seale:

a) La capacidad trmica de esta masa de agua es mayor, igual o menor que la del mercurio?.

b) Al suministrar a ambos la misma cantidad de calor, cul sufrir un mayor aumento de temperatura?.

c) Si el agua y el mercurio se encontraran, inicialmente, ambos a la misma temperatura de 60C, cul ser mejor para calentar los pies de una persona en un da fro?

12. Un bloque de cobre, de masa m= 200 gr, es calentado de 30C a 80C.

a. Qu cantidad de calor se suministr al bloque?.

b. Si a un cuerpo se le proporcionan 186 cal, en cunto se elevar su temperatura?.

Ejercicios Seleccin Mltiple.

1. Considere los tres fenmenos siguientes:

I) Agua de un lago que se congela.

II) Vapor de agua que se condensa en el parabrisas de un automvil.

III) Una bolita de naftalina que se sublima en el cajn de un guardarropa.

Indique la opcin correcta, si uno de los sistemas agua, vapor, naftalina est cediendo o recibiendo

calor del medio ambiente:

Agua

Vapor

Naftalina.

a) Cede cede cede.

b) cede

recibe

recibe.

c) recibe

cede

cede.

d) cede

cede

recibe.

e) recibe

recibe

recibe.

Para las preguntas 2,3 y 4 considere la siguiente informacin: la temperatura de fusin del plomo es de 327C y su calor de fusin es de 6,0 cal/gr. Suponga un bloque de plomo slido, cuya masa es de 20 gr. a una temperatura de 327C.

2. Para fundir totalmente el bloque de plomo, debemos suministrarle por lo menos:

a) 6,0 cal.

b) 20 cal.

c) 327 cal.

d) 100 cal.

e) 327 cal.

3. Suponiendo que se hayan suministrado las caloras calculadas en la pregunta anterior, llegamos a la conclusin de que el plomo lquido formado estar a una temperatura de :

a) 447C

b) 333C

c) 327Cd) 321Ce) 100C4. Si suministramos al bloque slido 200 caloras, obtendremos 20 gr. de plomo lquido a una temperatura de:

a) 527C

b) 333C

c) 327C

d) 321C

e) Imposible calcular con la informacin dada.

5. Se ponen 200 gr. De hielo a 0C y 200 gr. De agua a 5C en un recipiente trmicamente aislado.

Cuando se alcanza el equilibrio trmico, el recipiente contiene:

a) Hielo a 0C.

b) Una mezcla de hielo y agua a 0C.

c) Una mezcla de hielo y agua a 5C.

d) Agua a 2,5C.

e) Agua a 5C.

6. El grfico adjunto representa la variacin de la temperatura de 50 gr. De una sustancia inicialmente en estado lquido y a 0C., en funcin del calor que absorbe.. Indique cul de las siguientes afirmaciones est EQUIVOCADA.

a) La temperatura de ebullicin del lquido es 80C.

b) El calor especfico del lquido es 0,25

c) El calor de vaporizacin de la sustancia es de 1000 cal.

d) El calor especfico de la sustancia es estado gaseoso es 0,50

e) La sustancia absorbe 2000 caloras desde el inicio de la ebullicin hasta vaporizarse totalmente.

7. El calor de fusin del plomo vale 6,0 cal/gr. Y su temperatura de fusin es de 327C. Esta informacin significa que:

a) Para elevar la temperatura de 1 gr. de plomo , desde 0C a 327C , debemos suministrarle 6,0 caloras.

b) Para fundir 6.0 gr de plomo necesitamos suministrarle 327 caloras.

c) 1gr. de plomo, a 327C solamente puede estar en la fase lquida.

d) 1 gr. de plomo slido, a 327C, necesita 6 caloras para transformarse totalmente en plomo lquido.

e) Si suministramos 6 caloras a 1 gr. de plomo slido, a 327C, su temperatura aumenta en 1C.

8. Para cocer determinado alimento, debemos sumergirlo en cierta cantidad de agua y someterlo durante algn tiempo a una temperatura de 120C. Qu debemos hacer para cocerlo?:

a) Usar una olla comn, ponerla al fuego y esperar a que el agua alcance los 120C de temperatura y esperar el tiempo necesario.

b) Poner el alimento en una olla hermticamente cerrada, disminuirle bastante le presin en su interior, aumentar el fuego y esperar que el agua alcance los 120C y darle el tiempo necesario de coccin.

c) Disminuir al mximo la cantidad de agua de la olla, agregar una determinada sustancia que eleve el punto de ebullicin del agua, aumentar el fuego hasta obtener la temperatura de 120C, y darle el tiempo de coccin.

d) Colocar el alimento dentro de una olla hermticamente cerrada, incrementar bastante la presin en su interior, colocar al fuego, esperar que el agua alcance los 120C de temperatura y darle el tiempo de coccin.

e) Nunca lograramos cocer el alimento en agua, ya que su punto de ebullicin es de 100C.

9. La figura de este problema representa la cantidad de calor absorbido por dos cuerpos A y B, en funcin de sus temperaturas. La masa de B vale 100 gramos, pero no conocemos la masa de A.

Seale, entre las afirmaciones siguientes la que est EQUIVOCADA.

a) La pendiente de la grfica para un cuerpo dado, proporciona el valor de su capacidad trmica.

b) La capacidad trmica de B tiene un valor de

c) La capacidad trmica de B no puede calcularse

porque no conocemos su masa.

d) El calor especfico de B vale

e) El calor especfico de A no se puede calcular

pues desconocemos su masa.

TERMPERATURA Y CALOR

LA TEMPERATURA

El calor representa la cantidad de energa que un cuerpo transfiere a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ambos. El tipo de energa que se pone en juego en los fenmenos calorficos se denomina energa trmica. El carcter energtico del calor lleva consigo la posibilidad de transformarlo en trabajo mecnico. Sin embargo, la naturaleza impone ciertas limitaciones a este tipo de conversin, lo cual hace que slo una fraccin del calor disponible sea aprovechable en forma de trabajo til.

Las ideas acerca de la naturaleza del calor han variado apreciablemente en los dos ltimos siglos. La teora del calrico o fluido tenue que situado en los poros o intersticios de la materia pasaba de los cuerpos calientes -en los que supuestamente se hallaba en mayor cantidad- a los cuerpos fros, haba ocupado un lugar destacado en la fsica desde la poca de los filsofos griegos. Sin embargo, y habiendo alcanzado a finales del siglo XVIII su pleno apogeo, fue perdiendo credibilidad al no poder explicar los resultados de los experimentos que cientficos tales como Benjamn Thomson (1753-1814) o Humphry Davy (1778-1829) realizaron. Una vieja idea tmidamente aceptada por sabios del siglo XVII como Galileo Galilei o Robert Boyle resurgi de nuevo. El propio Benjamn Thompson, segn sus propias palabras, acept la vuelta a aquellas viejas doctrinas que sostienen que el calor no es otra cosa que un movimiento vibratorio de las partculas del cuerpo .

Las experiencias de James Prescott Joule (1818-1889) y Julius Lothar von Mayer (1814-1878) sobre la conservacin de la energa, apuntaban hacia el calor como una forma ms de energa. El calor no slo era capaz de aumentar la temperatura o modificar el estado fsico de los cuerpos, sino que adems poda moverlos y realizar un trabajo. Las mquinas de vapor que tan espectacular desarrollo tuvieron a finales del siglo XVIII y comienzos del XIX eran buena muestra de ello. Desde entonces las nociones de calor y energa quedaron unidas y el progreso de la fsica permiti, a mediados del siglo pasado,encontrar una explicacin detallada para la naturaleza de esa nueva forma de energa, que se pone de manifiesto en los fenmenos calorficos.

Las nociones de temperatura

Las nociones cientficas de calor y temperatura se apoyan en la idea intuitiva que nos transmite nuestro propio cuerpo. As,esa sensacin fisiolgica revelada por el tacto, que permite clasificar los cuerpos en fros y calientes, da lugar a la idea de temperatura y por extensin a la de calor. Sin embargo, la fsica va ms all de estas nociones intuitivas y busca representaciones que puedan ser expresadas en forma numrica, esto es, como magnitudes o atributos medibles.

La experiencia demuestra que cuando dos cuerpos, uno fro y otro caliente, se ponen en contacto durante un tiempo prolongado, terminan por alcanzar un estado de equilibrio entre ambos que se denomina equilibrio trmico. En ese estado no es posible distinguir cul de ambos est ms fro y cul ms caliente. La propiedad que tienen en comn los cuerpos que se encuentran en equilibrio trmico es precisamente la temperatura. Junto con esta definicin descriptiva de lo que se entiende en fsica por temperatura, con frecuencia se utiliza otra definicin de tipo operacional, que indica mediante qu procedimiento u operacin queda determinada dicha magnitud. Segn este criterio la temperatura sera lo que miden los termmetros.

Ambas definiciones de temperatura hacen referencia a fenmenos observables y facilitan un estudio cientfico de los mismos,pero no explican en qu consiste realmente esa magnitud que, aparentemente, no mantiene relacin alguna con las otras magnitudes de la fsica como la longitud, la masa, el tiempo o la fuerza, por ejemplo.

El desarrollo de una teora cintica para la materia fue realizado sobre la base de esas viejas ideas a las que se refera Benjamn Thompson, con aportaciones sucesivas de cientficos tales como Clausius (1822-1888), Maxwell (1831-1879), Boltzmann (1844-1906) y Gibbs (1839-1903), y proporcion una explicacin a la nocin de temperatura y a otros conceptos clave para la comprensin de los fenmenos calorficos.

La teora cintico-molecular de la materia recibe ese nombre porque admite que las diferentes partculas, tomos y molculas, que constituyen las sustancias estn en continuo movimiento (en griego kinesis significa movimiento). En los cuerpos slidos este movimiento es de vibracin en torno a puntos fijos o de equilibrio. En los gases el movimiento es desordenado y zigzagueante, a consecuencia de los choques de las molculas del gas entre s y con el recipiente que las contiene. En los lquidos, como estado intermedio, pueden darse ambos tipos de movimientos moleculares.

La teora cintico-molecular establece que la energa asociada a esos movimientos moleculares internos es la responsable de los fenmenos calorficos, y llega a demostrar que cuando se promedian las energas cinticas individuales de las partculas en movimiento, la energa que resulta es directamente proporcional a la temperatura del cuerpo expresada en grados Kelvin. Representando ese valor medio por < Ec> y la temperatura en grados Kelvin por T, la anterior conclusin puede expresarse en la forma:

T ~ < Ec >(8.1)

siendo ~ el smbolo de proporcionalidad directa.

Junto a la definicin de la temperatura, basada en nuestro sentido del tacto y apoyada en la observacin de los fenmenos correspondientes, que la presenta como una propiedad que caracteriza el grado de calor de los cuerpos y rige su transmisin de unos a otros, la teora cintica propone otra, compatible con la anterior, pero que ofrece la ventaja de explicar cul es su naturaleza. La temperatura es una medida del nivel de esa agitacin trmica o interna de las partculas que constituyen un cuerpo, nivel expresado por el valor de su energa cintica media. Cuanto mayor es la energa media de agitacin molecular, tanto mayor es la temperatura que detecta la sensibilidad del hombre y que miden los termmetros.

Energa trmica y calor

La energa trmica es la forma de energa que interviene en los fenmenos calorficos. Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto, el caliente comunica energa al fro; el tipo de energa que se cede de un cuerpo a otro como consecuencia de una diferencia de temperaturas es precisamente la energa trmica.

Segn el enfoque caracterstico de la teora cintico-molecular, la energa trmica de un cuerpo es la energa resultante de sumar todas las energas mecnicas asociadas a los movimientos de las diferentes partculas que lo componen. Se trata de una magnitud que no se puede medir en trminos absolutos, pero es posible, sin embargo,determinar sus variaciones. La cantidad de energa trmica que un cuerpo pierde o gana en contacto con otro a diferente temperatura recibe el nombre de calor. El calor constituye, por tanto, una medida de la energa trmica puesta en juego en los fenmenos calorficos.

Un smil hidrulico permite aclarar las diferencias entre los conceptos de temperatura, calor y energa trmica. Se dispone de dos recipientes cilndricos de igual altura situados en una mesa horizontal, la superficie de cuyas bases estn en la relacin de uno a diez. Se trata de un vaso y de una probeta. Si se llena completamente de agua la probeta y el vaso slo hasta la mitad, debido a su distinta capacidad, el primer recipiente contendr cinco veces menos agua que el segundo. A pesar de ello, si se conectaran entre s mediante un tubo de goma, el agua fluira de la probeta al vaso y no al revs. La transferencia de agua de un recipiente al otro se ha llevado a cabo en virtud no del volumen almacenado, sino del nivel alcanzado por el agua en cada uno de ellos antes de comunicarlos.

En el caso de los fenmenos calorficos la transferencia de energa trmica se produce de un modo semejante, puesto que sta se cede no del cuerpo que almacena ms energa trmica al cuerpo que almacena menos, sino del de mayor al de menor temperatura. La temperatura puede ser asimilada por tanto al nivel de energa trmica, y el calor puede ser comparado con la cantidad de agua que un recipiente cede al otro al comunicarlos entre s.

La interpretacin, desde el punto de vista de la teora cintica, puede facilitarse si se comparan las molculas de los cuerpos con bolas en movimiento. Cuando dos cuerpos se ponen en contacto se produce una cesin de energa a nivel molecular. El cuerpo de mayor temperatura poseer molculas con mayor energa cintica que podrn ceder a las del cuerpo de menor temperatura, del mismo modo que una bola rpida que choca con una lenta la acelera; este trnsito de energa mecnica microscpica, cuyo efecto conjunto es el calor, se mantendr en tanto aqullas no se igualen.

Utilizando de nuevo el smil de las canicas, un conjunto de treinta bolas que se mueven despacio no pueden ceder energa cintica por choques a una sola bola que se mueva ms deprisa. Por el contrario, tras una colisin, la bola nica cedera energa a alguna o algunas del conjunto de treinta. La energa total del grupo es seguramente muy superior a la de la bola nica, sin embargo y a efectos de transferencia, lo que cuenta es la energa media por bola. Anlogamente, si un vaso de agua hirviendo se arroja al mar a pesar de ser ste un importante almacn de energa trmica, la cesin de calor se producir del agua del vaso a la del mar y no al contrario.

La idea que sobre la temperatura introduce la teora cintica al definirla como una medida de la energa cintica media de las molculas, permite, pues, explicar por qu las transferencias de calor se producen siempre en el sentido de mayor a menor temperatura.

LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA

A partir de la sensacin fisiolgica, es posible hacerse una idea aproximada de la temperatura a la que se encuentra un objeto. Pero esa apreciacin directa est limitada por diferentes factores; as el intervalo de temperaturas a lo largo del cual esto es posible es pequeo; adems, para una misma temperatura la sensacin correspondiente puede variar segn se haya estado previamente en contacto con otros cuerpos ms calientes o ms fros y, por si fuera poco, no es posible expresar con precisin en forma de cantidad los resultados de este tipo de apreciaciones subjetivas. Por ello para medir temperaturas se recurre a los termmetros.

Escalas termomtricas

En todo cuerpo material la variacin de la temperatura va acompaada de la correspondiente variacin de otras propiedades medibles, de modo que a cada valor de aqulla le corresponde un solo valor de sta. Tal es el caso de la longitud de una varilla metlica, de la resistencia elctrica de un metal, de la presin de un gas, del volumen de un lquido, etc. Estas magnitudes cuya variacin est ligada a la de la temperatura se denominan propiedades termomtricas, porque pueden ser empleadas en la construccin de termmetros.

Para definir una escala de temperaturas es necesario elegir una propiedad termomtrica que rena las siguientes condiciones:

a) La expresin matemtica de la relacin entre la propiedad y la temperatura debe ser conocida.

b) La propiedad termomtrica debe ser lo bastante sensible a las variaciones de temperatura como para poder detectar, con una precisin aceptable, pequeos cambios trmicos.

e) El rango de temperatura accesible debe ser suficientemente grande.

Una vez que la propiedad termomtrica ha sido elegida, la elaboracin de una escala termomtrica o de temperaturas lleva consigo, al menos, dos operaciones; por una parte, la determinacin de los puntos fijos o temperaturas de referencia que permanecen constantes en la naturaleza y, por otra, la divisin del intervalo de temperaturas correspondiente a tales puntos fijos en unidades o grados.

El cientfico sueco Anders Celsius (1701-1744) construy por primera vez la escala termomtrica que lleva su nombre. Eligi como puntos fijos el de fusin del hielo y el de ebullicin del agua, tras advertir que las temperaturas a las que se verificaban tales cambios de estado eran constantes a la presin atmosfrica. Asign al primero el valor 0 y al segundo el valor 100, con lo cual fij el valor del grado centgrado o grado Celsius (C) como la centsima parte del intervalo de temperatura comprendido entre esos dos puntos fijos.

En los pases anglosajones se pueden encontrar an termmetros graduados en grado Fahrenheit (F). La escala Fahrenheit difiere de la Celsius tanto en los valores asignados a los puntos fijos, como en el tamao de los grados. As al primer punto fijo se le atribuye el valor 32 y al segundo el valor 212. Para pasar de una a otra escala es preciso emplear la ecuacin:

(F) = 1,8 . t(C) + 32(8.2)

donde t(F) representa la temperatura expresada en grados Fahrenheit y t(C)la expresada en grados Celsius o centgrados. La escala de temperaturas adoptada por el SI es la llamada escala absoluta o Kelvin. En ella el tamao de los grados es el mismo que en la Celsius, pero el cero de la escala se fija en el - 273,16 C. Este punto llamado cero absoluto de temperaturas es tal que a dicha temperatura desaparece la agitacin molecular, por lo que,segn el significado que la teora cintica atribuye a la magnitud temperatura, no tiene sentido hablar de valores inferiores a l. El cero absoluto constituye un lmite inferior natural de temperaturas, lo que hace que en la escala Kelvin no existan temperaturas bajo cero (negativas). La relacin con la escala centgrada viene dada por la ecuacin:

T(K) = t(C) + 273,16(8.3)

siendo T(K) la temperatura expresada en grados Kelvin o simplemente en Kelvin.

DILATACION Y TERMOMETRIA

El hecho de que las dimensiones de los cuerpos, por lo general, aumenten regularmente con la temperatura, ha dado lugar a la utilizacin de tales dimensiones como propiedades termomtricas y constituyen el fundamento de la mayor parte de los termmetros ordinarios. Los termmetros de lquidos, como los de alcohol coloreado empleados en meteorologa o los de mercurio, de uso clnico, se basan en el fenmeno de la dilatacin y emplean como propiedad termomtrica el volumen del lquido correspondiente. La longitud de una varilla o de un hilo metlico puede utilizarse, asimismo, como propiedad termomtrica. Su ley de variacin con la temperatura para rangos no muy amplios (de 0 a 100 C) es del tipo:

lf = l0.(1 + .t)(8.4)

donde lt representa el valor de la longitud a t grados centgrados, lo el valor a cero grados y es un parmetro o constante caracterstica de la sustancia que se denomina coeficiente de dilatacin lineal. La ecuacin (8.4) permite establecer una correspondencia entre las magnitudes longitud y temperatura, de tal modo que midiendo aqulla pueda determinarse sta.

Una aplicacin termomtrica del fenmeno de dilatacin en slidos lo constituye el termmetro metlico. Est formado por una lmina bimetlica de materiales de diferentes coeficientes de dilatacin lineal que se consigue soldando dos lminas de metales tales como latn y acero, de igual longitud a 0 C. Cuando la temperatura aumenta o disminuye respecto del valor inicial, su diferente da lugar a que una de las lminas se dilate ms que la otra, con lo que el conjunto se curva en un sentido o en otro segn que la temperatura medida sea mayor o menor que la inicial de referencia. Adems, la desviacin es tanto mayor cuanto mayor es la diferencia de temperaturas respecto de 0 C. Si se aade una aguja indicadora al sistema, de modo que pueda moverse sobre una escala graduada y calibrada con el auxilio de otro termmetro de referencia, se tiene un termmetro metlico.

Otras propiedades termomtricas

Algunas magnitudes fsicas relacionadas con la electricidad varan con la temperatura siguiendo una ley conocida, lo que hace posible su utilizacin como propiedades termomtricas. Tal es el caso de la resistencia elctrica de los metales cuya ley de variacin con la temperatura es del tipo:

R = R0.(1 + at + bt )(8.5)

siendo R0 el valor de la temperatura a 0 C y ay b dos constantes caractersticas que pueden ser determinadas experimentalmente a partir de medidas de R para temperaturas conocidas y correspondientes a otros tantos puntos fijos. Conocidos todos los parmetros de la anterior ecuacin, la medida de temperaturas queda reducida a otra de resistencias sobre una escala calibrada al efecto. Los termmetros de resistencia emplean normalmente un hilo de platino como sensor de temperaturas y poseen un amplio rango de medidas que va desde los -200 C hasta los 1 200 C.

Los termmetros de termistores constituyen una variante de los de resistencia. Emplean resistencias fabricadas con semiconductores que tienen la propiedad de que su resistencia disminuye en vez de aumentar con la temperatura (termistores). Este tipo de termmetros permiten obtener medidas casi instantneas de la temperatura del cuerpo con el que estn en contacto.

Aplicacin de las escalas termomtricas

La relacin existente entre las escalas termomtricas ms empleadas permite expresar una misma temperatura en diferentes formas, esto es, con resultados numricos y con unidades de medida distintas. Se trata, en lo que sigue, de aplicar las ecuaciones de conversin entre escalas para determinar la temperatura en grados centgrados y en grados Fahrenheit de un cuerpo, cuyo valor en Kelvin es de 77 K.

Para la conversin de K en C se emplea la ecuacin

t(C) = T(K) - 273

es decir:

t(C) = 77 - 273 = - 196 C

Para la conversin en F se emplea la ecuacin:

t(F) = 1,8.t(C) + 32

t(F) = 1,8.(- 196) + 32 = - 320,8 F

TERMOESTATICA

Campo de la fsica que describe y relaciona las propiedades fsicas de sistemas macroscpicos de materia y energa.

Un concepto esencial de la termodinmica es el de sistema macroscpico, que se define como un conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable. El estado de un sistema macroscpico en equilibrio puede describirse mediante propiedades medibles como la temperatura,la presin o el volumen, que se conocen como variables termodinmicas. Es posible identificar y relacionar entre s muchas otras variables (como la densidad, el calor especfico, la compresibilidad o el coeficiente de expansin trmica),con lo que se obtiene una descripcin ms completa de un sistema y de su relacin con el entorno.

Cuando un sistema macroscpico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinmico. Las leyes o principios de la termodinmica determinan la naturaleza y los lmites de todos los procesos termodinmicos.

Principio cero de la termodinmica

El trmino de temperatura adolece de la imprecisin del lenguaje no matemtico. El llamado principio cero de la termodinmica proporciona una definicin precisa, aunque emprica, de la temperatura.

Cuando dos sistemas estn en equilibrio mutuo, comparten una determinada propiedad. Esta propiedad puede medirse, y se le puede asignar un valor numrico definido. El principio cero de la termodinmica afirma que si dos sistemas distintos (A y B) estn en equilibrio termodinmico con un tercero (C en 1) , tambin tienen que estar en equilibrio entre s (2). Esta propiedad compartida en el equilibrio es la temperatura.

Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno infinito situado a una determinada temperatura, el sistema acabar alcanzando el equilibrio termodinmico con su entorno, es decir, llegar a tener la misma temperatura que ste. (El llamado entorno infinito es una abstraccin matemtica denominada depsito trmico; en realidad basta con que el entorno sea grande en relacin con el sistema estudiado).

Temperatura

El concepto de temperatura se deriva de la idea de medir el calor o frialdad relativos y de la observacin de que el suministro de calor a un cuerpo conlleva un aumento de su temperatura mientras no se produzca la fusin o ebullicin. En el caso de dos cuerpos con temperaturas diferentes, el calor fluye del ms caliente al ms fro hasta que sus temperaturas sean idnticas y se alcance el equilibrio trmico. Por tanto, los trminos de temperatura y calor,aunque relacionados entre s, se refieren a conceptos diferentes: la temperatura es una propiedad de un cuerpo y el calor es un flujo de energa entre dos cuerpos a diferentes temperaturas.

Los cambios de temperatura tienen que medirse a partir de otros cambios en las propiedades de una sustancia. Por ejemplo, el termmetro de mercurio convencional mide la dilatacin de una columna de mercurio en un capilar de vidrio, ya que el cambio de longitud de la columna est relacionado con el cambio de temperatura. Si se suministra calor a un gas ideal contenido en un recipiente de volumen constante, la presin aumenta, y el cambio de temperatura puede determinarse a partir del cambio en la presin segn la ley de Gay Lussac,siempre que la temperatura se exprese en la escala absoluta.

La sensacin de calor o fro al tocar una sustancia depende de su temperatura, de la capacidad de la sustancia para conducir el calor y de otros factores. Aunque, si se procede con cuidado, es posible comparar las temperaturas relativas de dos sustancias mediante el tacto, es imposible evaluar la magnitud absoluta de las temperaturas a partir de reacciones subjetivas. Cuando se aporta calor a una sustancia, no slo se eleva su temperatura, con lo que proporciona una mayor sensacin de calor, sino que se producen alteraciones en varias propiedades fsicas que pueden medirse con precisin.

Al variar la temperatura, las sustancias se dilatan o se contraen, su resistencia elctrica cambia, y en el caso de un gas su presin vara. La variacin de alguna de estas propiedades suele servir como base para una escala numrica precisa de temperaturas.

La temperatura se mide con dispositivos llamados termmetros. Un termmetro contiene una sustancia con estados fcilmente identificables y reproducibles, por ejemplo el agua pura y sus puntos de ebullicin y congelacin normales. Si se traza una escala graduada entre dos de estos estados, la temperatura de cualquier sistema puede determinarse ponindolo en contacto trmico con el termmetro, siempre que el sistema sea grande en relacin con el termmetro.

Temperatura y energa cintica

La temperatura depende de la energa cintica media de las molculas de una sustancia; segn la teora cintica, la energa puede corresponder a movimientos rotacionales, vibracionales y traslacionales de las partculas de una sustancia. La temperatura, sin embargo, slo depende del movimiento de traslacin de las molculas. En teora, las molculas de una sustancia no presentaran actividad traslacional alguna a la temperatura denominada cero absoluto.

Escalas de temperatura

Segn la escala Fahrenheit, a la presin atmosfrica normal, el punto de solidificacin del agua es de 32 F, y su punto de ebullicin es de 212 F. La escala centgrada o Celsius, asigna un valor de 0 C al punto de congelacin del agua y de 100 C a su punto de ebullicin. En ciencia, la escala ms empleada es la escala absoluta o Kelvin. En esta escala, el cero absoluto, que est situado en -273,16 C, corresponde a 0 K, y una diferencia de un kelvin equivale a una diferencia de un grado en la escala centgrada. El punto fijo patrn usado en termometra es el punto triple del agua, al que se le atribuye el nmero arbitrario 273,16 K. De forma que la temperatura del punto triple del agua es 0,01 C.

Otra escala que emplea el cero absoluto como punto ms bajo es la escala Rankine (o la escala termodinmica internacional), en la que cada grado de temperatura equivale a un grado en la escala Fahrenheit. En la escala Rankine, el punto de congelacin del agua equivale a 492 R, y su punto de ebullicin a 672 R.

TC = TK - 273,15 K

TR = 9.TK/5

TF = TR - 459,67 R

TF = 9.TC/5 + 32 F

Dilatacin de slidos (el material debe ser isotrpico)

1. Dilatacin Lineal (Sears 343)

l = .l1.t (1)

Siendo:

l1 : longitud inicial

l2 : longitud final

t1: temperatura inicial

t2: temperatura final

: coeficiente de dilatacin lineal

2. Dilatacin Superficial

S = 2. .S1. t (2)

Siendo:

S1: superficie inicial

S2: superficie final

t1: temperatura inicial

t2: temperatura final

: coeficiente de dilatacin lineal

3. Dilatacin volumtrica (Sears 344)

V @3. .V1.t

Siendo:

V1: volumen inicial

V2: volumen final

t1: temperatura inicial

t2: temperatura final

: coeficiente de dilatacin lineal

Dilatacin volumtrica de lquidosV = .V1.t

Siendo:

V1: volumen inicial

V2: volumen final

t1: temperatura inicial

t2: temperatura final

: coeficiente de dilatacin volumtrica

Efectos de la temperatura

La temperatura desempea un papel importante para determinar las condiciones de supervivencia de los seres vivos. As, las aves y los mamferos necesitan un rango muy limitado de temperatura corporal para poder sobrevivir, y tienen que estar protegidos de temperaturas extremas. Las especies acuticas slo pueden existir dentro de un estrecho rango de temperaturas del agua, diferente segn las especies. Por ejemplo, un aumento de slo unos grados en la temperatura de un ro como resultado del calor desprendido por una central elctrica puede provocar la contaminacin del agua y matar a la mayora de los peces originarios.

Los cambios de temperatura tambin afectan de forma importante a las propiedades de todos los materiales. A temperaturas rticas, por ejemplo, el acero se vuelve quebradizo y se rompe fcilmente, y los lquidos se solidifican o se hacen muy viscosos, ofreciendo una elevada resistencia por rozamiento al flujo. A temperaturas prximas al cero absoluto, muchos materiales presentan caractersticas sorprendentemente diferentes. A temperaturas elevadas,los materiales slidos se lican o se convierten en gases; los compuestos qumicos se separan en sus componentes.

La temperatura de la atmsfera se ve muy influida tanto por las zonas de tierra como de mar. En enero, por ejemplo, las grandes masas de tierra del hemisferio norte estn mucho ms fras que los ocanos de la misma latitud, y en julio la situacin es la contraria. A bajas alturas, la temperatura del aire est determinada en gran medida por la temperatura de la superficie terrestre. Los cambios peridicos de temperatura se deben bsicamente al calentamiento por la radiacin del Sol de las zonas terrestres del planeta, que a su vez calientan el aire situado por encima. Como resultado de este fenmeno, la temperatura disminuye con la altura, desde un nivel de referencia de 15 C en el nivel del mar (en latitudes templadas) hasta unos -55 C a 11.000 m aproximadamente. Por encima de esta altura, la temperatura permanece casi constante hasta unos 34.000 m.

PUNTOS DE FUSION Y EBULLICION

Calor y Temperatura:

En el lenguaje cotidiano solemos confundir los trminos calor y temperatura. As, cuando hablamos del calor que hace en el verano o lo mal que saben los refrescos calientes, realmente nos referimos a la temperatura, a la mayor o menor temperatura del aire o los refrescos. La temperatura es una magnitud fsica que nos permite definir el estado de una sustancia, lo mismo que cuando decimos que un coche circula a 90 km/h o que una casa tiene 5 m de alto.

Cuando se ponen en contacto dos sustancias a distinta temperatura, evolucionan de forma que el cuerpo a mayor temperatura la disminuye y el que tena menor temperatura la aumenta hasta que al final los dos tienen la misma temperatura, igual que al echar un cubito de hielo a un refresco,que el refresco se enfra y el cubito de hielo se calienta y termina convirtindose en agua. Decimos que la sustancia a mayor temperatura ha cedido calor a la sustancia que tena menor temperatura.

Sin embargo, el calor no es algo que est almacenado en el cuerpo ms caliente y que pasa al cuerpo ms fro. Tanto uno como otro poseen energa, que depende de la masa del cuerpo, de su temperatura, de su ubicacin, etc. y recibe el nombre de energa interna . Cuando esta energa interna pasa de una sustancia a otra a causa de la diferencia de temperatura entre ellas la llamamos calor. Una catarata es agua que pasa de un sitio a otro porque estn a distinta altura, de forma similar el calor es la energa que pasa de un cuerpo a otro porque estn a distinta temperatura.

Punto de ebullicin:

Si ponemos al fuego un recipiente con agua, como el fuego est a mayor temperatura que el agua, le cede calor y la temperatura del agua va aumentando, lo que podemos comprobar si ponemos un termmetro en el agua. Cuando el agua llega a 100 C, empieza a hervir,convirtindose en vapor de agua, y deja de aumentar su temperatura, pese a que el fuego sigue suministrndole calor: al pasar de agua a vapor de agua todo el calor se usa en cambiar de lquido a gas, sin variar la temperatura.

La temperatura a la que una sustancia cambia de lquido a gas se llama punto de ebullicin y es una propiedad caracterstica de cada sustancia, as, el punto de ebullicin del agua es de 100 C, el del alcohol de 78 C y el hierro hierve a 2750 C.

Punto de fusin:

Si sacas unos cubitos de hielo del congelador y los colocas en un vaso con un termmetro vers que toman calor del aire de la cocina y aumentan su temperatura. En un principio su temperatura estar cercana a -20 C (depende del tipo de congelador) y ascender rpidamente hasta 0 C, se empezar a formar agua lquida y la temperatura que permanecer constante hasta que todo el hielo desaparezca.

Igual que en el punto de ebullicin, se produce un cambio de estado, el agua pasa del estado slido (hielo) al estado lquido (agua) y todo el calor se invierte en ese cambio de estado, no variando la temperatura, que recibe el nombre de punto de fusin. SE trata de una temperatura caracterstica de cada sustancia: el punto de fusin del agua es de 0 C, el alcohol funde a -117 C y el hierro a 1539 C.

SustanciaPunto de fusin (C)Punto de ebullicin (C)

Agua

Alcohol

Hierro

Cobre

Aluminio

Plomo

Mercurio0

-117

1539

1083

660

328

-39100

78

2750

2600

2400

1750

357

Resolver los siguientes problemas:

1) Expresar en grados Fahrenheit el cero absoluto.

Respuesta: -523,4 F

2) Calcular la longitud de un hilo de cobre ( = 0,0000117/C) calentado por el sol hasta 55 C, si a 0C su longitud era de 1400 m.

Respuesta: 1400,9 m

3) Calcular la relacin de longitudes que deben cumplir dos varillas cuyos coeficientes de dilatacin son de 0,0000097/C y 0,0000117/C, para que a cualquier temperatura la diferencia sea de 5 cm.

Respuesta: 1,2061 m

4) Una cinta mtrica de acero ( = 0,000012/C) es exacta a 0 C. Se efecta una medicin de 50 m un da en que la temperatura es de 32 C. Cul es su verdadero valor?

Respuesta: 49,808 m

5) Una esfera de bronce de 33,5 cm de volumen sufre un aumento de temperatura de 45 C, cul ser el aumento de volumen experimentado, si el coeficiente de dilatacin lineal del bronce es de 0,0000156/C?

Respuesta: 0,065 cm

6) Cul ser la longitud que alcanza un alambre de hierro ( = 0,000012/C) de 250 m, si sufre un aumento de temperatura de 60 C?

Respuesta: 250,18 m

7) Cul ser el coeficiente de dilatacin lineal de un metal sabiendo que la temperatura vara de 95 C a C cuando un alambre de ese metal pasa de 160 m a 159,82 m?

Respuesta: 0,000001/C

8) Cul es el aumento de temperatura sufrido por un trozo de cinc que experimenta una variacin de volumen de 0,012 dm , si su volumen inicial es de 8 dm ?

Respuesta: 7,9 C

Resolver los siguientes problemas:

1) Cul es el aumento de temperatura sufrido por un trozo de zinc que experimenta una variacin de volumen de 0,012 dm , si el volumen inicial es de 8 dm ?.

Respuesta: 7,9 C

2) Una masa de plomo se calienta de 20 C a 120 C. Qu aumento de volumen se verificar?.

Respuesta: 0,0108 cm

3) Una barra de hierro de 2,1 m de largo se calienta desde 32 C hasta 350 C, cul ser el aumento de longitud provocado? ( = 0,0000118/C).

Respuesta: 0,00788 m

4) Un cubo de hierro se llena con mercurio y se lo calienta desde 25 C hasta 82 C. Si se derraman 2,8 cm de Hg, cul es el volumen del cubo? ( Hg = 0,000182/C, Fe = 0,0000118/C).

Respuesta: 405,79 cm

5) Una cinta metlica es exacta a 0 C. Se efecta una medicin de 108 m en un da en el que la temperatura es de 35 C, cul ser la verdadera medicin? ( = 0,0000118/C).

Respuesta: 107,96 m

6) Determinar el coeficiente de dilatacin del cobre si un alambre de 140 m de largo a 0 C adquiere una longitud de 140,8376 m al ser calentado hasta 350 C.

Respuesta: 0,0000177/C

7) Una esfera de bronce sufre un aumento de temperatura de 45 C, cul ser el aumento de volumen verificado si el = 0,0000156/C y el volumen inicial es de 31,8 cm ?.

Respuesta: 0,0669 cm

8) Un alambre de cobre se calienta por accin del sol hasta 60 C. Si a 0 C su longitud era de 1500 m ( = 0,0000117/C), cul es su longitud a esa temperatura?.

Respuesta: 1501,053 m

PROBLEMAS DE GASES RESUELTOS

1.- Una cantidad de gas ocupa un volumen de 80 cm3 a una presin de 750 mm Hg. Qu volumen ocupar a una presin de 1,2 atm. si la temperatura no cambia?

Como la temperatura y la masa permanecen constantes en el proceso, podemos aplicar la ley de Boyle: P1.V1 = P2.V2

Tenemos que decidir qu unidad de presin vamos a utilizar. Por ejemplo atmsferas.

Como 1 atm = 760 mm Hg, sustituyendo en la ecuacin de Boyle:

Se puede resolver igualmente con mm de Hg.

2.- El volumen inicial de una cierta cantidad de gas es de 200 cm3 a la temperatura de 20C. Calcula el volumen a 90C si la presin permanece constante.

Como la presin y la masa permanecen constantes en el proceso, podemos aplicar la ley de Charles y Gay-Lussac:

El volumen lo podemos expresar en cm3 y, el que calculemos, vendr expresado igualmente en cm3, pero la temperatura tiene que expresarse en Kelvin.

3.- Una cierta cantidad de gas se encuentra a la presin de 790 mm Hg cuando la temperatura es de 25C. Calcula la presin que alcanzar si la temperatura sube hasta los 200C.

Como el volumen y la masa permanecen constantes en el proceso, podemos aplicar la ley de Gay-Lussac:

La presin la podemos expresar en mm Hg y, la que calculemos, vendr expresada igualmente en mm Hg, pero la temperatura tiene que expresarse en Kelvin.

4.- Disponemos de un recipiente de volumen variable. Inicialmente presenta un volumen de 500 cm3 y contiene 34 g de amonaco. Si manteniendo constante la P y la T, se introducen 68 g de amonaco, qu volumen presentar finalmente el recipiente?

P. a. (N)=14; P. a. (H)=1.

Manteniendo constante la P y la T, el volumen es directamente proporcional al nmero de moles del gas. El mol de amonaco, NH3, son 17 g luego:

Inicialmente hay en el recipiente 34 g de gas que sern 2 moles y al final hay 192 g de amonaco que sern 6 moles.

5.- Un gas ocupa un volumen de 2 l en condiciones normales. Qu volumen ocupar esa misma masa de gas a 2 atm y 50C?

Como partimos de un estado inicial de presin, volumen y temperatura, para llegar a un estado final en el que queremos conocer el volumen, podemos utilizar la ley combinada de los gases ideales, pues la masa permanece constante:

la temperatura obligatoriamente debe ponerse en K

Como se observa al aumentar la presin el volumen ha disminuido, pero no de forma proporcional, como predijo Boyle; esto se debe a la variacin de la temperatura.

6.- Un recipiente cerrado de 2 l. contiene oxgeno a 200C y 2 atm. Calcula:

a) Los gramos de oxgeno contenidos en el recipiente.

b) Las molculas de oxgeno presentes en el recipiente.

P. a.(O)=16.

a) Aplicando la ecuacin general de los gases PV=nRT podemos calcular los moles de oxgeno:

.

b) Utilizando el NA calculamos el nmero de molculas de oxgeno:

7.- Tenemos 4,88 g de un gas cuya naturaleza es SO2 o SO3. Para resolver la duda, los introducimos en un recipiente de 1 l y observamos que la presin que ejercen a 27C es de 1,5 atm. De qu gas se trata?

P. a.(S)=32.P. a.(O)=16.

Aplicando la ecuacin general de los gases PV=nRT podemos calcular los moles correspondientes a esos 4,88 gramos de gas:

La masa molar del gas ser:

Como la M(SO2)=64 g/mol y la M(SO3)=80g/mol. El gas es el SO38.-Un mol de gas ocupa 25 l y su densidad es 1,25 g/l, a una temperatura y presin determinadas. Calcula la densidad del gas en condiciones normales.

Conociendo el volumen que ocupa 1 mol del gas y su densidad, calculamos la masa del mol:

.

Como hemos calculado la masa que tienen un mol y sabemos que un mol de cualquier gas ocupa 22,4 litros en c.n., podemos calcular su densidad:

9.- Un recipiente contienen 100 l de O2 a 20C. Calcula: a) la presin del O2, sabiendo que su masa es de 3,43 kg. b) El volumen que ocupara esa cantidad de gas en c.n.

a) Aplicamos la ecuacin general de los gases PV=nRT pero previamente calculamos los moles de gas:

b) Para calcular el volumen que ocupan los 107,19 moles en c.n. podemos volver a aplicar la ecuacin PV=nRT con las c.n. o la siguiente proporcin:

10.- Calcula la frmula molecular de un compuesto sabiendo que 1 l de su gas, medido a 25C y 750 mm Hg de presin tiene una masa de 3,88 g y que su anlisis qumico ha mostrado la siguiente composicin centesimal: C, 24,74 %; H, 2,06 % y Cl, 73,20 %.

P. a.(O)=16. P. a.(H)=1. P. a.(Cl)=35,5

Primero calculamos la frmula emprica:

Como las tres relaciones son idnticas, la frmula emprica ser: CHCl.

Para averiguar la frmula molecular, necesitamos conocer la masa molar del compuesto. La vamos a encontrar a partir de la ecuacin general de los gases: PV=nRT.

Estos moles son los que corresponden a los 3,88 g de compuesto, luego planteamos la siguiente proporcin para encontrar la masa molar:

Como la frmula emprica es CHCl su masa molar emprica es 48,5 g/mol.

Al dividir la masa molar del compuesto (97 g/mol) entre la masa molar emprica

deducimos que la frmula del compuesto es C2H2Cl2.

Aplicaciones de la 1 Ley de la Termodinmica

La Energa no se crea ni se destruye, solo se trasforma

La energa se puede intercambiar entre un sistema y sus alrededores de dos formas:

-Realizando trabajo por o sobre el sistema. (Macroscpicas)

-Por transferencia de calor (a escala microscpica)

Sistemas de la Termodinmica:

-Sistema Aislado: En este caso no hay intercambio de materia ni de energa con el exterior, por lo que permanece en un EQUILIBRIO TRMICO. Ejemplo de esto sera un termo.

-Sistema Cerrado: Este sistema puede intercambiar energa pero no materia con su exterior. Ejemplo de esto sera el Universo, Neumtico de un vehculo. -Sistema Abierto: Permite el intercambio tanto de energa como de materia con el entorno. Ejemplo sera una vela encendida, un automvil. -Sistemas Abiertos en estado estacionario: El balance de energa se simplifica considerablemente para sistemas en estado estacionario (tambin conocido como estado estable). Ejemplo de este sistema sera una cinta transportadora de material a velocidad constante.

Tipos de procesos:

-Proceso Isobrico: Es un proceso que se realiza a presin constante. En este proceso se realiza tanto transferencia de calor como trabajo. Ejemplo de este el agua que hierve en un recipiente abierto a la atmsfera.

-Proceso Isovolumtrico: Proceso que se realiza a volumen constante. En este proceso el trabajo evidentemente es cero. Ejemplo el proceso trmico que se desarrolla en una olla presin de uso domstico, desde el momento que se coloca al fuego hasta que escapa por primera vez aire a travs de la vlvula, corresponde a un proceso a volumen constante.

-Proceso Adiabtico: Proceso en el cual no se intercambia calor entre el sistema y el medioambiente. Ejemplo la emisin de aerosol por un pulverizador, acompaada de una disminucin de la temperatura del pulverizador. La expansin de los gases consume energa, que procede del calor del lquido del pulverizador.

-Proceso Isotrmico: Aquel proceso que se realiza a temperatura constante. Ejemplo seria mezclar dos vasos de agua a una misma temperatura.

La Entalpia

El trmino de entalpa fue acuado por el fsico alemn Rudolf J.E. Clausius en 1850. (Simbolizada generalmente como "H", tambin llamada contenido de calor, y calculada en Julios en el sistema internacional de unidades o tambin en kcal ), es una variable de estado, (lo que quiere decir que, slo depende de los estados inicial y final) que se define como la suma de la energa interna de un sistema termodinmico y el producto de su volumen y su presin.

La entalpa total de un sistema no puede ser medida directamente, al igual que la energa interna, en cambio, la variacin de entalpa de un sistema s puede ser medida experimentalmente. El cambio de la entalpa del sistema causado por un proceso llevado a cabo a presin constante, es igual al calor absorbido por el sistema durante dicho proceso.

La entalpa se define mediante la siguiente frmula: H = U + p V (energa interna + presin por volumen).

Existen 3 tipos de Entalpa:

Entalpa de formacin: La cantidad de calor que se absorbe o se libera cuando se forma un mol de un compuesto. Entalpa de Reaccin: La variacin de entalpias de formacin, o ms fcil el calor absorbido a liberado en una reaccin. Entalpa de Combustin: La cantidad de calor liberado un mol de una sustancia es quemado.Ejercicios resueltos 1 ley de la Termodinmica

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120 t(C)

80

1000 2000 3000 4000 Q(cal)

Q

(cal) B

A

800

20 40 t(C)

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