Diapositiva 1 - Universidad de Sevilla
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Tema 10: Temperatura 1º Grado en Ingeniería Aeroespacial Escuela Técnica Superior de Ingenieros Universidad de Sevilla Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 1 Índice Introducción Equilibrio térmico Principio Cero: Temperatura Escalas termométricas Termómetro de gas a volumen constante Escala absoluta de temperaturas Dilatación térmica Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 2 Introducción ¿Cómo se define la temperatura? Intuitivamente se relaciona con las sensaciones de frío y calor Ese método no permite dar una definición operativa que asigne un valor medible a la temperatura La piel es sensible al ritmo de transferencia de calor, no a la temperatura Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 3 Índice Introducción Equilibrio térmico Principio Cero: Temperatura Escalas termométricas Termómetro de gas a volumen constante Escala absoluta de temperaturas Dilatación térmica Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 4 Equilibrio térmico Ponemos en contacto dos sistemas de modo que sólo puedan intercambiar calor: contacto teŕmico Pared diaterma: deja pasar el calor 1 2 Si las propiedades termodinámicas de ambos sistemas no cambian se dice que están en equilibrio térmico Ej: Al poner contacto una barra de metal caliente con otra fría, la longitud de las dos cambia hasta que alcanzan el equilibrio térmico Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 5 Índice Introducción Equilibrio térmico Principio Cero: Temperatura Escalas termométricas Termómetro de gas a volumen constante Escala absoluta de temperaturas Dilatación térmica Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 6 Principio cero PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINÁMICA Si dos objetos están cada uno de ellos en equilibrio térmico con un tercero, entonces están en equilibrio térmico entre sí Es un hecho experimental, no demostrable Permite dar una definición operativa de temperatura Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 7 Temperatura Temperatura es la propiedad termodinámica que comparten todos los sistemas que están en equilibrio térmico entre sí Permite dar una definición operativa de temperatura Podemos usar un sistema intermedio para verificar si los sistemas A y B están en equilibrio térmico y, por tanto, si tienen la misma o diferente temperatura El siguiente paso es diseñar una técnica para asignar un valor numérico a temperatura (medir): termómetros Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 8 Índice Introducción Equilibrio térmico Principio Cero: Temperatura Escalas termométricas Termómetro de gas a volumen constante Escala absoluta de temperaturas Dilatación térmica Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 9 Escalas termométricas Propiedad termométrica: magnitud termodinámica que varía con la temperatura Longitud de una barra de metal Altura de una columna de mercurio Resistencia eléctrica de un conductor Presión de un gas a volumen constante.... Puede usarse cualquiera de ellas para construir un termómetro Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 10 Escalas termométricas: construcción de un termométro 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 Habitualmente la propiedad termométrica varía linealmente con la temperatura → 2 puntos de calibración Mezcla de agua y hielo a 1 atm: punto de congelación Mezcla de agua y vapor a 1 atm: punto de ebullición Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 11 Escalas termométricas: construcción de un termométro Escala Celsius Se divide en 100 intervalos iguales (grados) Punto de congelación agua+hielo a P=1 atm Punto de ebullición agua+vapor a P=1 atm Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 12 Escalas termométricas: construcción de un termométro Escala Farenheit Se divide en 180 intervalos iguales (grados) Punto de congelación agua+hielo a P=1 atm Punto de ebullición agua+vapor a P=1 atm Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 13 Escalas termométricas: relación entre escalas La relación entre las dos escalas es lineal Punto congelación Punto ebullición 1.0 oC = 1.8 oF Ejemplo: temperatura del cuerpo humano Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 14 Índice Introducción Equilibrio térmico Principio Cero: Temperatura Escalas termométricas Termómetro de gas a volumen constante Escala absoluta de temperaturas Dilatación térmica Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 15 Termómetro de gas a volumen constante Dos termómetros distintos calibrados en los mismos puntos dan medidas diferentes de temperatura fuera de los puntos de calibración Incluso puede ocurrir que el mismo termómetro dé medidas distintas si las condiciones ambientales cambian La medida de la temperatura no debería depender del aparato que se usa Es preciso disponer de un tipo de termómetro cuyas medidas sean reproducibles y lo más universales posibles: termómetro patrón Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 16 Termómetro de gas a volumen constante Propiedad termométrica: la presión de un gas a baja densidad a volumen constante El gas en B1 se pone en contacto térmico con el medio cuya T se quiere medir B3 se sube o se baja de modo que se mantenga el mercurio en la marca “0” en B3 (volumen constante) La altura h permite medir la presión del gas En la escala Celsius Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 17 Termómetro de gas a volumen constante Para volúmenes distintos del gas se obtienen diferentes valores de temperatura del mismo sistema Se realizan medidas de la temperatura de un mismo sistema con volúmenes del gas cada vez menores Se llena el termómetro con una cantidad de gas Se calibra el termómetro con dos puntos fijos Se hace la medida de temperatura 446.0 445.5 445.0 444.5 444.0 Se repite el proceso con una cantidad menor de gas 0.5 1.0 1.5 Para cada cantidad de gas, la temperatura medida es diferente La temperatura es la extrapolación de las medidas para una cantidad de gas nula En la práctica, si la densidad del gas es lo suficientemente baja las mediadas de temperatura coinciden Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 18 Termómetro de gas a volumen constante Si se cambia el gas del termómetro, en todos los casos se obtiene el mismo valor al medir la temperatura de un sistema dado en el límite de bajas densidades El termómetro de gas a baja densidad se usa como termómetro patrón para definir la temperatura Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 19 Índice Introducción Equilibrio térmico Principio Cero: Temperatura Escalas termométricas Termómetro de gas a volumen constante Escala absoluta de temperaturas Dilatación térmica Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 20 La escala absoluta de temperatura: escala Kelvin Consideramos un termómetro de gas a volumen constante dado y vamos midiendo temperaturas cada vez más bajas La presión decrece linealmente con la temperatura medida Extrapolamos la recta hasta P=0 Para todos los termómetros de gas se obtiene que cuando P=0 tenemos t=-273.15 ºC Cero absoluto Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 21 La escala absoluta de temperatura: escala Kelvin Se define el cero absoluto como 0 K (Kelvin) El valor de un grado en la escala Kelvin se hace coincidir con un grado en la escala Celsius La única diferencia en las dos escalas es un desplazamiento del cero Una diferencia de temperatura es la misma en las dos escalas Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 22 La escala absoluta de temperatura: escala Kelvin Calibrado de termómetros en la escala Kelvin Los puntos de ebullición y congelación del agua son difíciles de reproducir con un valor preciso de la presión Se seleccionan dos nuevos puntos de calibración Cero absoluto: -273.15ºC → T = 0 K con Pc e r o=0 Punto triple del agua: coexistencia en equilibrio de agua líquida, hielo y vapor de agua t3=0.01 ºC → T3= 273.16 K Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 23 La escala internacional de temperaturas: ITS-90 Se fijan una serie de termómetros patrón según el rango de temperaturas con el que se trabaje 0.65 K – 5.0 K : presión de vapor de helio 3.0 K – 24.5561 K : volumen constante de helio 13.8.033 K – 961.78 K : resistencia de platino 961.78 K - : radiación Además se dan una serie de puntos fijos para calibración Punto triple del hidrógeno : 13.8033 K Punto triple del agua : 273.16 K Punto de ebullición del cobre : 1357.77 Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 24 Índice Introducción Equilibrio térmico Principio Cero: Temperatura Escalas termométricas Termómetro de gas a volumen constante Escala absoluta de temperaturas Dilatación térmica Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 25 Dilatación térmica Termómetro de mercurio: cuando la temperatura aumenta el volumen aumenta Fenómeno común a todas las sustancias Gran importancia en muchas aplicaciones Juntas de dilatación Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 26 Dilatación térmica La condición de validez es Coeficiente medio de dilatación lineal Unidades de : oC-1 ó K-1 depende de T, por eso se toma el valor medio entre Ti y Tf Usualmente >0 : el aumento de temperatura provoca una dilatación de la materia Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 27 Dilatación térmica: coeficiente medio de dilatación volumétrica Consideramos un cubo de un material isótropo que varía su temperatura Coeficiente medio de dilatación volumétrica Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 28 Dilatación térmica: coeficientes Material α (oC)-1 Material β (oC)-1 Aluminio 24x10-6 Alcohol 1.12x10-4 Latón y bronce 19x10-6 Benceno 1.24x10-4 Cobre 17x10-6 Acetona 1.5x10-4 Vidrio 9x10-6 Glicerina 4.85x10-4 Pyrex 3.2x10-6 Mercurio 1.82x10-4 Plomo 29x10-6 Trementina 9.0x10-4 Acero 11x10-6 Gasolina 9.6x10-4 Invar (Fe-Ni) 0.9x10-6 Agua (20 ºC ) 2.07x10-4 Hormigón 12x10-6 Aire (0 ºC) 3.67x10-3 Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 29 Anomalía térmica del agua !! El agua entre 0 y 4ºC se expande al enfriarse ¡¡ Volumen de 1g de agua a presión atmosférica en función de T Además el agua se expande al congelarse Rotura de tuberías Meteorización de las rocas Subsistencia de vida acuática en aguas heladas Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 30 Resumen Dos cuerpos en contacto térmico alcanzan el equilibrio térmico. El principio cero de la Termodinámica establece que dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero están en equilibrio térmico entre sí. La temperatura es la propiedad termodinámica que comparten todos los cuerpos en equilibrio térmico entre sí. Una propiedad termométrica es cualquier propiedad física que varíe con la temperatura y que puede ser empleada para construir un termómetro. Diferentes termómetros proporcionan, en general, diferentes lecturas de temperatura Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 31 Resumen Todos 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 referencia el cero absoluto y el punto triple del agua Los coeficientes medios de dilatación de los materiales permiten calcular el incremento de longitud, volumen o área de un cuerpo sometido a una variación de temperatura. Física II, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2010/11 32
