Física para Ciencias: Termodinámica Dictado por: Profesor Aldo Valcarce 1 er semestre 2014 FIS109C...

Física para Ciencias: Termodinámica

Dictado por:Profesor Aldo Valcarce

1er semestre 2014

FIS109C – 2: Física para Ciencias 1 er semestre 2014

Trata de:

Calor (energía térmica)

Temperatura

Dilatación

Comportamiento de gases (tratamiento macroscópico)

Variables de estado – presión, temperatura y densidad.

El gas ideal

La Termodinámica


TemperaturaLa temperatura está asociada con una forma de energía, la Energía Térmica (o calor).

Si dos objetos con temperaturas diferentes se ponen en contacto (contacto térmico), se intercambia energía térmica entre ellos.

Llegarán a un equilibrio (equilibrio térmico) cuando dejen de tener un intercambio de energía entre ellos – cuando estén a la misma temperatura.

Dos objetos en equilibrio térmico están a la misma temperatura.

La energía térmica está relacionada a la energía cinética que tienen los átomos o moléculas de la materia.


Ley cero de la termodinámica

Si los objetos A y B se encuentran por separado en equilibrio térmico con un objeto C, entonces los objetos A y B están en equilibrio térmico entre si.


AC

B

𝑻 𝑨=𝑻 𝒄

𝑻 𝑩=𝑻 𝒄𝑻 𝑨=𝑻 𝑩

Termómetros


Basados en alguna propiedad física de un sistema que cambia con la temperatura:

Volumen de un líquido

Longitud de un sólido

Presión de un gas a volumen constante

Volumen de un gas a presión constante

Resistencia eléctrica de un conductor

Color de un objeto

Escalas de Temperatura


CelsiusLa escala de temperatura Celsius se define por:

Punto de congelación de agua:

Punto de ebullición de agua:

Fahrenheit

Quería abolir las temperaturas negativa:

Mezcla de hielo, agua y cloruro de amonio:


Temperatura de cuerpo humano:

°𝑪=(°𝐅−𝟑𝟐)/𝟏 ,𝟖

Temperatura Absoluta: Kelvin


Gas 1

Gas 2

Gas 3

Presión vs Temperatura

Escalas de TemperaturaCelsiusLa escala de temperatura Celsius se define por:


Punto de ebullición de agua:

Fahrenheit

Quería abolir las temperaturas negativa:

Mezcla de hielo, agua y cloruro de amonio:


Temperatura de cuerpo humano:

Kelvin

Esta es la unidad de temperatura en el Sistema Internacional de unidades.


𝑻 𝑲=𝑻𝑪+𝟐𝟕𝟑 ,𝟏𝟓𝟎°𝑪=𝟐𝟕𝟑 ,𝟏𝟓𝑲 𝟎𝑲=−𝟐𝟕𝟑 ,𝟏𝟓°𝑪

Expansión Térmica de Sólidos y Líquidos

Se encuentra experimentalmente que (en general) al aumentar la temperatura de un cuerpo, el cuerpo se expande (en todas direcciones).

¿Por qué?



Se encuentra experimentalmente que (en general) al aumentar la temperatura de un cuerpo, el cuerpo se expande (en todas direcciones).

¿Por qué?

En un sólido a temperaturas normales, los átomos están separados por y vibran en torno a sus posiciones de equilibrio con una amplitud de .

A medida que la temperatura del sólido aumenta, los átomos vibran con mayor amplitud y la separación entre ellos aumenta. El sólido en conjunto se expande.


Se puede visualizar la expansión térmica como una ampliación fotográfica:


El agujero se agranda en una sola pieza.


Suponemos que un objeto tiene una longitud inicial en determinada dirección a cierta temperatura. Si se aumenta la temperatura por , la longitud aumenta por

Coeficiente de expansión lineal



∆ 𝑳=𝜶 𝑳𝟎∆𝑻

Aluminio:

Cobre:

Acero:

Gasolina:

Aire:

Obviamente, cuando aumentamos la temperatura de un objeto y éste se expande, también su área y volumen cambian.

Consideramos una placa cuadrada de metal, si la longitud de cada lado cambia, el área está dada por:

Por un procedimiento similar se encuentra el coeficiente de expansión de volumen :



𝑨=(𝑳𝟎+∆𝑳)𝟐=𝑳𝟎𝟐+𝟐𝑳𝟎∆𝑳+∆𝑳𝟐

: es muy pequeño

¿ 𝑨𝟎+𝟐𝜶 𝑨𝟎∆𝑻

con

con

Coeficiente de expansión de área

Ejercicio

Una vía de ferrocarril de acero tiene una longitud de cuando la temperatura es de . ¿Cuál es su longitud en un día caluroso con ?


Acero:

CalorEl calor (o la energía térmica) se define como la energía que se transfiere entre un sistema y su entorno debido a una diferencia de temperatura.

A nivel microscópico, el calor está relacionado a la energía cinética que tienen los átomos o moléculas de la materia.

Para elevar la temperatura de una sustancia hay que aumentar la energía térmica del mismo, entonces hay que suministrar energía. La cantidad de energía necesaria va a depender de la sustancia.

Por ejemplo, se necesitan 4186J para aumentar la temperatura de 1kg de agua 1oC, pero sólo 3875J para hacer lo mismo con 1kg de cobre.


Modelo de la configuración atómica en una sustancia.Los átomos (esferas) se suponen unidos entre sí por resortes que reflejan la naturaleza elástica de las fuerzas interatómicas.Al aumentar la temperatura, aumentan las vibraciones de los átomos.

El Calor Específico La energía necesaria para aumentar la temperatura de una sustancia es proporcional a la masa de la sustancia y a la diferencia de temperatura.

La constante de proporcionalidad se llama calor específico :

El calor específico (en el sistema SI) es el número de Joules necesario para aumentar la temperatura de de la sustancia en .

Entonces, las unidades son o

El calor específico es una propiedad de la sustancia:

Agua AluminioHielo Cobre


𝑸=𝒄𝒎∆𝑻

CalorimetríaCuando distintas partes de un sistema aislado se encuentra a diferentes temperaturas, el calor pasa de la parte que está a mayor temperatura a las partes más frías.

Si el sistema está aislado (la energía no puede fluir hacia adentro ni hacia afuera de él) entonces de acuerdo con la conservación de energía, el calor perdido por una de las partes del sistema debe ser igual al calor ganado por la otra:

Notar que cuando uno calcula el calor perdido, es negativo porque .


Ejercicio Calorimetría

Un lingote metálico de se calienta a y después se deja caer en un vaso que contiene de agua cuya temperatura es . Si la temperatura final es , determine el calor específico del metal.

(se puede suponer que no hay pérdida de energía térmica y que la energía necesaria para calentar el vaso es despreciable)


Agua

CaloríaCantidad de calor necesaria para que 1 g de agua suba su temperatura en 1 ºC (específicamente de 15.5 ºC a 16.5 ºC)

Similarmente…

1 Btu: cantidad de calor necesaria para que una libra de agua suba su temperatura en 1 ºF (específicamente de 63 ºF a 64 ºF)

Calor específico del agua


Equivalente Mecánico del Calor

Experimento de Joule (1843)


El calor latente y cambios de faseNormalmente la transferencia de calor produce un cambio de temperatura, pero no siempre.

La otra posibilidad es que en vez de cambiar la temperatura, la sustancia sufra una alteración de una forma a otra: cambio de fase.

Por ejemplo, de sólido a líquido, o líquido a gas.

El calor necesario para cambiar la fase de una masa m de una sustancia es:

Calor Latente de fusión, Calor Latente de vaporización,

tiene unidades de o de


𝑸=𝒎𝑳

Cambio de Fase

Sólido → Líquido: FusiónLíquido → Gas : EbulliciónGas → Líquido : CondensaciónLíquido → Sólido : SolidificaciónSólido → Gas : Sublimación

Los cambios de fase ocurren a Temperatura Constante.

Ej: mientras un cubo de hielo se va derritiendo, el conjunto agua+hielo no cambia su temperatura.


Calor Latente

𝑄=± 𝐿𝑚

+ : Absorbe calor- : Cede calor


Ejercicio¿Cuánto calor se necesita para cambiar un gramo de hielo a en vapor de

agua a ?

T (oC)

100

0

-3062.7 396.7 815.7 3076

Agua+

vapor

Vapor

AguaHielo

+ agua

Hielo

Calor (J)


𝑸=𝒎𝑳𝑸=𝒄𝒎∆𝑻

Ejercicio: Calorimetría

Un trozo de hielo de a se coloca en de agua a . ¿A qué temperatura y en qué fase quedará la mezcla final?


Resumen Temperatura y Escalas

Celsius Fahrenheit Kelvin

Expansión Térmica Linear Área Volumen

Calorimetría Calor Especifico Cambio de Temperatura Cambio de Fase


∆ 𝑳=𝜶 𝑳𝟎∆𝑻

𝑸=𝒎𝑳𝑸=𝒄𝒎∆𝑻

con con

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