Captulo 16. Temperatura y dilatacinPresentacin PowerPoint dePaul E. Tippens, Profesor de FsicaSouthern Polytechnic State University 2007

LA TEMPERATURA es una medida de la energa cintica promedio por molcula. La radiacin infrarroja proveniente del canal de aire en el odo pasa a travs del sistema ptico del termmetro y se convierte en una seal elctrica que produce una lectura digital de la temperatura corporal. Fotografa de Blake Tippens

Objetivos: Despus de terminar esta unidad, deber:Trabajar con escalas de temperatura Celsius, Kelvin y Fahrenheit tanto para temperaturas especficas como para intervalos de temperatura.Escribir y aplicar frmulas para dilatacin lineal, de rea y de volumen.

Energa trmicaLa energa trmica es la energa interna total de un objeto: la suma de sus energas cintica y potencial molecular.Energa interna: las analogas de resorte son tiles:

TemperaturaAunque no es cierto en todos los casos, un buen principio es definir la temperatura como la energa cintica promedio por molcula.

Temperatura contra energa interna

Equilibrio de temperaturaCarbones calientesAgua fraMisma temperaturaEquilibrio trmicoContenedor aislado

TermmetroUn termmetro es cualquier dispositivo que, mediante escalas marcadas, puede dar una indicacin de su propia temperatura.T = kXX es propiedad termomtrica: dilatacin, resistencia elctrica, longitud de onda de luz, etc.

Ley cero de la termodinmicaLey cero de la termodinmica: Si dos objetos A y B estn en equilibrio por separado con un tercer objeto C, entonces los objetos A y B estn en equilibrio trmico mutuo.

Escalas de temperaturaEl punto fijo inferior es el punto de congelacin, la temperatura a la que el hielo y el agua coexisten a 1 atm de presin: 0 0C o 32 0FEl punto fijo superior es el punto ebullicin, la temperatura a la que vapor y agua coexisten a 1 atm de presin: 100 0C o 212 0F

Comparacin de intervalos de temperaturaIntervalos de temperatura:100 C0 = 180 F05 C0 = 9 F0Si la temperatura cambia de 79 0F a 70 0F, significa una disminucin de 5 C0.

Etiquetas de temperaturaSi un objeto tiene una temperatura especfica, se coloca el smbolo de grado 0 antes de la escala (0C o 0F).t = 60 0CSe dice: La temperatura es sesenta grados Celsius.

Etiquetas de temperatura (Cont.)Si un objeto experimenta un cambio de temperatura, se coloca el smbolo de grado 0 despus de la escala (C0 o F0) para indicar el intervalo de temperatura.Se dice: La temperatura disminuy cuarenta grados Celsius.

Temperaturas especficasMismas temperaturas tienen nmeros diferentes: 0C 0F

Ejemplo 1: Un plato de comida se enfra de 1600F a 650F. Cul fue la temperatura inicial en grados Celsius? Cul es el cambio en temperatura en grados Celsius?Convierta 160 0F a 0C de la frmula:tC = 71.1 0C9 F0 = 5 C0Dt = 52.8 C0

Limitaciones de las escalas relativasEl problema ms serio con las escalas Celsius y Fahrenheit es la existencia de temperaturas negativas.Claramente, la energa cintica promedio por molcula NO es cero o en 0 0C o en 0 0F!T = kX = 0?

Termmetro a volumen constanteLa bsqueda para un cero verdadero de temperatura se puede hacer con un termmetro a volumen constante.Para volumen constante:T = kPLa presin vara con la temperatura.

Cero absoluto de temperaturaPTGrafique los puntos (P1, 00C) y (P2, 1000C); luego extrapole a cero.Cero absoluto = -2730C

Comparacin de cuatro escalas1 C0 = 1 K5 C0 = 9 FTK = tC + 2730Cero absoluto

Dilatacin linealCobre: = 1.7 x 10-5/C0Aluminio: = 2.4 x 10-5/C0Hierro: = 1.2 x 10-5/C0Concreto: = 0.9 x 10-5/C0

Ejemplo 2: Una tubera de cobre mide 100 m de largo a 25 0C. Cul es nueva longitud cuando a travs de la tubera pasa vapor a 1300C?Dt = 1300C - 250C = 105 C0DL = aLoDt = (1.7 x 10-5/C0)(100 m)(105 C0)DL = 0.7455 mL = Lo + DLL = 100 m + 0.7455 mL = 100.7455 m

Aplicaciones de la dilatacinLas juntas de dilatacin son necesarias para permitir que el concreto se dilate, y las tiras bimetlicas se pueden usar como termostatos o para abrir y cerrar circuitos.

Dilatacin de reaLa dilatacin de rea es anloga a la ampliacin de una fotografa. El ejemplo muestra una tuerca caliente que se encoge para un firme ajuste despus de enfriarse.

Clculo de dilatacin de reaA0 = L0W0 A = LWL = L0 + aL0 Dt W = W0 + aW0 DtL = L0(1 + a Dt ) W = W0(1 + a Dt )A = LW = L0W0(1 + aDt)2A = A0(1 + 2a Dt) Dilatacin de rea: DA = 2aA0 Dt

Dilatacin de volumenLa dilatacin es la misma en todas direcciones (L, W y H), por tanto:DV = bV0 Dtb = 3aLa constante b es el coeficiente de dilatacin de volumen.

Ejemplo 3. Un vaso de precipitados Pyrex de 200 cm3 se llena hasta el tope con glicerina. Luego el sistema se caliente de 20 0C a 80 0C. Cunta glicerina se desborda del contenedor?Glicerina: b = 5.1 x 10-4/C0Pyrex: b = 3a b = 3(0.3 x 10-5/C0) b = 0.9 x 10-5/C0Vdesb = DVG - DVPVdesb = bGV0 Dt - bPV0 Dt = (bG - bP )V0 Dt Vdesb = (5.1 x 10-4/C0- 0.9 x 10-5/C0)(200 cm3)(800C - 200C)

Ejemplo 3. (continuacin)Desbordamiento de volumen = 6.01 cm3

Ejemplo 4. Un vaso de precipitados Pyrex de 300 cm3 se llena hasta el tope con glicerina. Luego el sistema se caliente de 10 0C a 60 0C. Cunta glicerina se desborda del contenedor?Glicerina: b = 5.1 x 10-4/C0Pyrex: b = 3a b = 3(0.3 x 10-5/C0) b = 0.9 x 10-5/C0Vdesb = DVG - DVPVdesb = bGV0 Dt - bPV0 Dt = (bG - bP )V0 Dt Vdesb = (5.1 x 10-4/C0- 0.9 x 10-5/C0)(300 cm3)(600C - 100C)

Ejemplo 4. (continuacin)Desbordamiento de volumen = 7.515 cm3

ResumenLa energa trmica es la energa interna de un objeto: la suma de sus energas cintica y potencial molecular.Energa trmica = U + KLey cero de la termodinmica: Si dos objetos A y B estn en equilibrio por separado con un tercer objeto C, entonces lo objetos A y B estn en equilibrio trmico uno con otro.

Resumen de escalas de temperatura1 C0 = 1 K5 C0 = 9 FTK = tC + 2730Cero absoluto

Resumen: dilatacinDilatacin lineal:

Dilatacin de volumenLa dilatacin es la misma en todas direcciones (L, W y H), por tanto:DV = bV0 Dtb = 3aLa constante b es el coeficiente de dilatacin de volumen.

CONCLUSIN: Captulo 16Temperatura y dilatacin

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