Diapositivas en tamaño normal

Termodinámica
Calor y Temperatura
1
Temas
1. TEMPERATURA Y LEY CERO.
1.1 Equilibrio Térmico y ley cero de la
termodinámica.
1.2 Concepto de temperatura.
1.3 Tipos de termómetros.
1.4 Escalas de temperatura.
1.5 Dilatación térmica de los materiales:
Sólidos y Líquidos.
2
TERMODINÁMICA
‰Termodinámica en equilibrio
•Termodinámica clásica
•Termodinámica estadística
‰Termodinámica fuera del equilibrio
•Termodinámica cercana al equilibrio
•Termodinámica muy lejos del
equilibrio
3
Conceptos fundamentales
Universo
Un
sistema
puede
ser
cualquier
objeto,
masa,
región del espacio, etc.,
seleccionado para estudiarlo
y aislarlo (mentalmente para
su análisis) de todo lo demás,
que pasa a ser el entorno del
sistema.
El sistema y su entorno
forman
el
universo.
La
distinción entre sistema y
entorno es arbitraria: el
sistema
es
lo
que
el
observador ha escogido para
estudiar.
Sistema
Frontera
Alrededor o entorno
Analogía con mecánica
4
El sistema y los alrededores
pueden interaccionar el uno
con el otro, a través de los
limites o frontera del
sistema, las cuales
puede ser
Universo
Sistema
Frontera
entorno
Permeables
Intercambio de materia
Impermeables
No hay intercambio de materia
•Diatérmicos
•Adiabáticos
Intercambio de calor
No hay intercambio de calor
5
Los sistemas termodinámicos se pueden clasificar en:
Un sistema aislado es aquel que
no puede intercambiar materia ni
energía con su entorno.
Un sistema cerrado es
aquel que
sólo puede
intercambiar energía con
su entorno, pero no
materia.
Un sistema abierto es aquel que
puede intercambiar materia y
energía con su entorno.
6
7
Sistema termodinámico
Una definición mas puntual de sistema
termodinámico es; cualquier cantidad de
materia o radiación lo suficientemente
grande como para ser descrito por
parámetros macroscópicos, sin ninguna
referencia
a
sus
componentes
individuales (microscópicos). (la posición
y la velocidad de las partículas en cada
instante)
El estado de un sistema representa la
totalidad
de
las
propiedades
macroscópicas asociadas con él.
Cualquier sistema que muestre un
conjunto de variables identificables
tiene un estado termodinámico, ya sea
que esté o no en equilibrio.
8
Se dice que ocurre una transformación o proceso
en un sistema si, como mínimo, cambia de valor
una variable de estado dentro del mismo a lo largo
del tiempo.
Si el estado inicial es distinto del estado final, la
transformación es abierta.
Si los estados inicial y final son iguales, la
transformación es cerrada.
Si el estado final es muy próximo al estado inicial,
la transformación es infinitesimal.
El interés de la termodinámica se centra en los
estados inicial y final de las transformaciones,
independientemente del camino seguido.
Eso es posible gracias a las funciones de estado.
9
Un sistema específico para procesos termodinámicos
• Un gas en un cilindro con un pistón y una
masa variable encima del pistón. Está en
contacto con una reservorio térmico que se
usa para controlar la temperatura.
• Se pede variar la presión del gas cambiando
la masa, la presión es peso dividido por el
área.
•Se puede variar el volumen del gas al
permitir que el pistón se mueva.
• El reservorio provee o absorbe calor del
sistema y así variar la temperatura
10
Equilibrio térmico y temperatura
Ley cero
Noción cotidiana de la temperatura; Es la
propiedad física de los sistemas que precisa
y cuantifica nuestras nociones de caliente y
frío
Los materiales más calientes tienen mayor
temperatura
11
Sin embargo …
La temperatura es una propiedad de un objeto que está
relacionada con el hecho de que el objeto esté o no en equilibrio
con otro objeto con el cuál está en contacto.
Si están en equilibrio el estado de los objetos no cambia. Tendrán
el mismo valor de temperatura.
Si no están en equilibrio, no tendrán el mismo valor de
temperatura. Ocurrirá un proceso que hará que baje la
temperatura del más alto y suba la del más bajo para llevarlos a
ambos a la misma temperatura y al equilibrio.
12
Ley Cero de la Termodinámica
Los cuerpos que están en contacto,
directamente o a través del aire,
alcanzan la misma temperatura
El equilibrio térmico implica:
• la misma temperatura (no el mismo
calor)
Si dos cuerpos están en equilibrio
térmico y uno de ellos alcanza el
equilibrio con un tercero, el
primero también alcanza el
equilibrio térmico con el tercero
13
Esta no es una deducción
lógica
sino
un
hecho
experimental.
En consecuencia es posible
definir
una
escala
de
temperaturas.
El termómetro es el objeto
A que ha sido calibrado con
un objeto y se usa para
medir la temperatura de un
tercer objeto C.
14
Medición de temperatura
• Termómetro: material que posea una propiedad
termométrica:
– Cambie con la temperatura.
– Se puede medir fácilmente.
• Para definir una escala,
hay que definir dos cosas:
– El punto cero.
– El tamaño de la unidad
L100
L
L0
15
Escalas de Temperatura
Se usan tres escalas en la práctica y es bueno
conocerlas.
• La escala Celsio
• La escala Fahrenheit
• La escala Kelvin
La escala Celsio
– 0º CÆpunto congelación agua a 1 atm
– 100º CÆpunto ebullición agua a 1 atm
– Si estamos hablando de cambios de temperatura o
diferencias de temperatura, entonces ΔTC = ΔT
16
La escala Fahrenheit: La escala Fahrenheit:
-Ambos el tamaño de la unidad y el punto cero son
diferentes a los anteriores.
32º FÆpunto congelación agua a 1 atm.
212º FÆpunto ebullición agua a 1 atm.
- Relación matemática entre temperatura Fahrenheit
y Celsio y temperatura Kelvin.
- TF = 1.8 TC + 32
- ΔTF = 1.8 ΔTC
17
• La escala Kelvin:
– El punto cero es la temperatura más baja que existe.
Ese punto tiene un significado físico especial (no hay
movimiento de los átomos). Por eso, esta escala será
la más útil especialmente cuando estemos enunciando las
leyes de la termodinámica.
– El tamaño de la unidad lo determina el hecho de que se
define el punto triple de agua como la temperatura
273.15K. Y es igual que el de la escala Celsio
– Relación matemática entre temperatura Celsio y
temperatura Kelvin:
T = Tc + 273.15
18
Termómetro a volumen constante
y escala Kelvin
19
Temperaturas típicas en el universo
20
Expansión Térmica Lineal
La expansión térmica es una consecuencia del cambio en
la separación promedio entre los átomos constituyentes
del cuerpo. La expansión se da en cada una de las
direcciones (o dimensiones) y es proporcional al cambio
la temperatura.
• Es un fenómeno de gran importancia práctica y
también muchos termómetros comunes trabajan en
base a este fenómeno.
• La fórmula fundamental es una aproximación a la
realidad pero es una buena aproximación para
propósitos prácticos.
ΔL
∝ ΔT
Li
21
O bien
ΔL = αLi ΔT
L f − Li = αLi (T f − Ti )
La fórmula fundamental es una aproximación a la realidad
pero es una buena aproximación para propósitos
prácticos.
El coeficiente de expansión térmica lineal α , es una
propiedad del material y tiene unidades de grado
inverso. y T la temperatura, mientras que los subíndices
i y f, se refieren a valores inicial y final,
respectivamente.
22
Ejemplos de Expansión Termal Lineal
23
Expansión Térmica Volumétrica
• El coeficiente de expansión lineal sólo existe para los
sólidos pero podemos definir un coeficiente de
expansión volumétrica para ambos líquidos y sólidos.
También tiene unidades de grado inverso.
ΔV = β ΔT
V f − Vi = 3αVi (T f − Ti )
• Si el material es un sólido hay una relación entre el
coeficiente volumétrico y el coeficiente lineal que
puedes calcular considerando un cubo de material de
lado L
β = 3α
24
Tabla de coeficientes de expansión térmica para
diferentes materiales.
25
Inusual expansión térmica del agua
26