TERMODINÁMICA Tema 8: Temperatura y Principio Cero · 2007-04-27 · Fundamentos Físicos de la...

Curso 2006/07Joaquín Bernal Méndez

Dpto. Física Aplicada III 1

TERMODINÁMICATema 8: Temperatura y Principio Cero

Fundamentos Físicos de la Ingeniería

1er Curso Ingeniería Industrial

Fundamentos Físicos de la IngenieríaCurso 2006/07

Ingeniería IndustrialDpto. Física Aplicada III

Tema 8: Temperatura y Principio Cero2/27

Índice

Introducción

Equilibrio térmico

Principio Cero

Temperatura

Escalas termométricas

Termómetro de gas a volumen constante

Dilatación térmica




Introducción

Experiencia: objetos fríos y calientes

¿Cómo se define el concepto de temperatura?

Una bandeja de metal que está en le frigorífico parece más fría que una de cartón

La piel es sensible al ritmo de transferencia de energía, no a la temperatura




Índice

Introducción

Equilibrio térmico

Principio Cero

Temperatura







Equilibrio térmico

Supongamos que ponemos en contacto una barra de metal caliente con una fría

Experiencia: La barra caliente se contrae y la fría se dilata

Al cabo de un tiempo el proceso se detiene

Se dice que ambos cuerpos están en contacto térmico

En su estado final se dice que han alcanzado el equilibrio térmico




Nos va a permitir definir el concepto de temperatura:

No demostrable: basado en la experiencia

PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINÁMICA:

Si dos objetos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, entonces están en

equilibrio térmico entre sí

Principio Cero




Temperatura

Del Principio Cero: todos los objetos en equilibrio térmico con uno dado comparten una propiedad común

Temperatura: es la propiedad que se iguala entre todos los cuerpos que están en equilibrio térmico entre sí

El paso siguiente es diseñar una técnica para medir la temperatura (asignarle un valor numérico): termómetros




Índice

Introducción

Equilibrio térmico

Principio Cero

Temperatura








Propiedad termométrica: propiedad física que varía con la temperatura

Longitud de una barra de hierro

Altura de una columna de mercurio

Resistencia eléctrica de un metal

Presión de un gas a volumen constante …

Para establecer una escala de temperaturas puede usarse cualquier propiedad termométrica




Escalas termométricas: construcción de un termómetro

Se escoge una propiedad termométrica: termómetro

Calibrado: se pone el termómetro en contacto con entornos en que la temperatura permanezca constante y se les asigna un valor de temperatura

Ejemplo: mezcla de agua y hielo a P=1 atm

Foco térmico: sistema cuya temperatura no cambia al ponerlo en contacto térmico con otros sistemas





Escala Celsius de temperatura:

Punto de congelación: Agua+hielo a P=1 atm

Punto de ebullición:Agua+vapor a P=1 atm

0oCT =

100oCT =

0

100 0

100c

L Lt

L L

−=

−

Dividimos en 100 intervalos iguales (grados):

0L

100L





Escala Farenheit de temperatura:

Punto de congelación: Agua+hielo a P=1 atm

Punto de ebullición:Agua+vapor a P=1 atm

32oFT =212oFT =

32

212 32

180 32f

L Lt

L L

−= +

−

Dividimos en 180 intervalos iguales (grados):

32L

212L




Conversión entre escala Celsius y Farenheit:100 ºC equivalen a 180 ºF 1 ºC=1,8 ºF=9/5 ºF

Las temperaturas cero de ambas escalas difieren

Ejemplo:Temperatura del cuerpo humano


5( 32)

9c ft t= −

9 932 36 32 96.8

5 5o Ff ct t= + = + =




Índice

Introducción

Equilibrio térmico

Principio Cero

Temperatura







Termómetro de gas a volumenconstante

Diferentes termómetros calibrados en los punto de congelación y ebullición ofrecen lecturas diferentes fuera de esos puntos

La construcción de un termómetro no permite definir la temperatura de una forma absoluta

Es preciso disponer de un tipo de termómetro en que las medidas concuerden fuera de los puntos de calibración: termómetro patrón




Propiedad termométrica: presión de una gas en un recipiente a volumen constante

El gas en B1 se pone en contacto térmicocon el medio cuya T se quiere medir

B3 se sube o baja de modo quese mantenga el mercurio en lamarca “0” en B2

La presión la indica la altura h dela columna de mercurio en B3


00

/P P mg SP P gh

m Sh

= + ⎫= + ρ⎬= ρ ⎭

S

presión atmosférica





Medida de la T en grados Celsius:

0

100 0

100c

P Pt

P P

−=

−! Todos los termómetros de gas a V=cte y

densidades bajas concuerdan para cualquier T !

Se usan como termómetro patrón

para definir la temperatura




La escala Kelvin de temperatura

Representamos P frente a T para un termómetro de gas a V=cte con ρ baja

Extrapolamos la recta hasta P=0

Para todos los termómetros de gasobtenemos que P=0 para t =-273.15 ºC

Cero absoluto




Definimos el cero absoluto como 0 K

El valor de un grado en la escala kelvin se hace coincidir con un grado Celsius

La única diferencia entre estas dos escalas es un desplazamiento del cero

Una diferencia de temperaturas es igual en ambas escalas:


273.15ct T= −

6 6 oK CT∆ = =





Calibrado de termómetros en escala Kelvin:Los puntos de congelación y ebullición son difíciles de reproducir en laboratorio

Se seleccionan dos nuevos puntos de calibración:Cero absoluto: -273.15 ºC = 0 K con Pcero=0

Punto triple del agua: coexistencia en equilibrio de agua, vapor y hielo 0.01 o Ctt =

3 3

273.16 273.16 K Kcero

cero

P P PT

P P P

−= =

−

273.16 KtT =




Índice

Introducción

Equilibrio térmico

Principio Cero

Temperatura








Termómetro de mercurio: cuando la temperatura aumenta el volumen aumenta

Fenómeno común a todos los materiales

Gran importancia en muchas aplicaciones:Juntas de dilatación





Coeficiente medio de dilatación lineal: Unidades de α : ºC-1 ó K-1

α depende de T : por eso tomamos valor medio en un intervalo de temperaturas

Usualmente: α > 0 ; El aumento de temperatura provoca una dilatación de la materia

iL L T∆ = α ∆

( )f i i f iL L L T T− = α −iL

iT

L∆

fT Si :iL L∆ <<

i

L

L T

∆α =

∆




iV V T⇒ ∆ = β ∆

: Coeficiente medio de dilatación volumétrica3β = α

Como :

Coeficiente medio de dilatación volumétrica

iL

iLiL

3i iV L=

3 3( )f f i iV L L L T= = + α ∆

3 3 3 2 2 3 3 33 3 ( ) ( )f i i i iV L L T L T L T= + α∆ + α ∆ + α ∆

f i iL L L T= + α ∆fL

fLfL

fTiT

1Tα∆ << 3 33f i iV L L T≈ + α∆

3f i iV V V T≈ + α ∆




Coeficientes de dilatación

0.9x10-6Invar (Fe-Ni)

12x10-6Hormigón

11x10-6Acero29x10-6Plomo3.2x10-6Pyrex9x10-6Vidrio17x10-6Cobre19x10-6Latón y bronce24x10-6Aluminioα (oC)-1Material

3.67x10-3Aire (0 ºC )

2.07x10-4Agua (20 ºC)

9.6x10-4Gasolina9.0x10-4Trementina1.82x10-4Mercurio4.85x10-4Glicerina1.5x10-4Acetona1.24x10-4Benceno1.12x10-4Alcoholβ (oC)-1Material




¡ El agua entre 0 y 4º C se expande al enfriarse !:

Además el agua se expande al congelarseRotura de tuberíasMeteorización de las rocasSubsistencia de vida subacuática en aguas heladas

Anomalía térmica del agua

Volumen de 1g de agua a la presión atmosférica en función de T




ResumenDos cuerpos en contacto térmico alcanzan el equilibrio térmico.El Principio Cero de la Termodinámica establece que dos cuerpos en equilibrio térmico con un tercero lo están entre sí.Todos los cuerpos en equilibrio térmico con uno dado poseen la misma temperatura.Cualquier propiedad física que varíe con la temperatura es un propiedad termométrica que puede ser empleada para construir un termómetro.Diferentes termómetros proporcionan, en general, diferentes lecturas de la temperaturaTodos los termómetros de gas a volumen constante y densidades bajas concuerdan al medir la temperatura: termómetro patrón.La escala Kelvin de temperaturas es la escala empleada en el ámbito científico, y toma como puntos de referencia el cero absoluto y el punto triple del aguaLos coeficientes medios de dilatación de los materiales permiten calcular el incremento de longitud, área o volumen de un cuerpo sometido a una variación de temperatura

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